10 spannende Forschungsthemen auf der Hannover Messe

Ob Lichtvorhang oder Lasermesstechnik: In vielen Geräten und Systemen sorgen optische Filter dafür, dass abhängig von der Wellenlänge Licht reflektiert oder durchgeleitet wird. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben neue Materialien und eine neue Prozesstechnik entwickelt, um solche Filter mit dem Tintenstrahldrucker herzustellen.

Optische Filter bestehen aus vielen nanometerdünnen, übereinanderliegenden Schichten, die aus zwei Materialien mit einer unterschiedlichen Dicke und einem unterschiedlichen Brechungsindex hergestellt werden. Bei herkömmlichen Produktionsverfahren wird das Material in großen Anlagen bei hohen Temperaturen großflächig aufgedampft – ein Prozess, der energieintensiv ist und bei dem viel Material verloren geht.

Stattdessen stellen die Forschenden des Lichttechnischen Instituts (LTI) des KIT die Inkjet Optical Filters (IJPOFs) im Tintenstrahldrucker her. Hierbei nutzen sie zwei unterschiedliche und speziell für diesen Prozess entwickelte Tinten. Die erste wird tropfenweise aufgedruckt, bis die Schicht die gewünschte Dicke hat. Dann wird das Material mittels UV-Licht ausgehärtet. Anschließend wird aus der zweiten Tinte die nächste Schicht nach dem gleichen Verfahren hergestellt.

„Eine Herausforderung ist es dabei, die Druck- und Trocknungsparameter präzise zu bestimmen, vor allem aber die Schichtdicken passgenau zu variieren“, erklärt Professor Uli Lemmer, Leiter des LTI. „Denn die Schichtdicke entscheidet darüber, welche Eigenschaften der Filter hat.“ Das am LTI entwickelte Verfahren eignet sich besonders für Spezialanfertigungen, die in der Regel mit hohen Kosten verbunden sind, weil es für sie bislang keine effizienten Produktionsmöglichkeiten gibt.

Future Hub

Halle 2, Stand B45

Das folgende Video zeigt weitere Informationen zu den Inkjet Optical Filters

Leichtere Lautsprecher, die weit weniger Strom verbrauchen als heutige Boxen, neuartige Bauformen für Klang- und Signalgeber, aber auch Anwendungen wie schallschluckende Textilien: Die intelligenten Materialien des Forschungsteams der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes machen nachhaltigere Lautsprecher möglich. Basis sind hauchdünne Silikonfolien: Die künstlichen Muskeln dienen zugleich als Antrieb und als Sensor.

Die Technologie beruht auf dünner Silikonfolie, einem so genannten dielektrischen Elastomer, und funktioniert mit wenig elektrischem Strom. Indem sie das elektrische Feld verändern, können die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher die Folie nach Belieben hochfrequent vibrieren oder stufenlose Hub-Bewegungen vollführen lassen. In Lautsprechern könnte sie – hier in speziell zusammengerollter Form – als neuartiger Antrieb schwere und viel Energie verbrauchende Elektro- oder Permanentmagnete ersetzen, die die Lautsprechermembranen bewegen und etwa im niederfrequenten Bereich satten Bass erzeugen.

Universität des Saarlandes

Halle 2, Stand B34

Die Lebensdauer von häufig eingesetzten Maschinenelementen wie Dichtungen, Zahnrädern oder Lagern hat das Gründungsteam von Rapid Part Evaluation im Blick, welches an der RPTU Kaiserslautern-Landau sitzt. Mit dem eigens entwickelten Messgerät inklusive Auswertungssoftware können Unternehmen beim Prüfen von Bauteilen bereits in der Designphase schnell und gezielt anwendungsnahe Kenngrößen erfassen.

„Mit unserem Messgerät können wir beispielsweise Radialwellendichtringe untersuchen, wie sie unter anderem in Getrieben zur Abdichtung von nach außen geführten Wellen verwendet werden“, erklärt Olaf Grutza, einer der Entwickler. „Das Versagen dieser Dichtungen kann zum einen zu Schaden an der Maschine führen, aber auch die Umwelt durch austretendes Öl belasten und beeinträchtigen.“

Die Lösung – bestehend aus Messgerät und Auswertungssoftware – kann innerhalb von 10 bis 20 Sekunden die gewünschten Kenngrößen ermitteln, nicht erst nach mehreren Minuten, wobei bis zu 40.000 Profilmessungen über den Probenumfang aufgezeichnet werden. Dank einer flexiblen Probenaufnahme lassen sich auch andere Bauteile, Zahnräder oder Lager, hinsichtlich Verschleiß prüfen. Was die Probengröße betrifft, ist mit dem Wear-Tester ein Innendurchmesser von mindestens 30 mm und ein Außendurchmesser von maximal 200 mm möglich.

Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz

Halle 2, Stand B46

Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration mit Cobots gelten besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit der Bewegungsabläufe: Das zentrale Sicherheitsmodul muss Daten aus zahlreichen Sensoren verarbeiten, was viele Kabelverbindungen für Sensoren und Aktoren in traditionellen Roboterarchitekturen und proprietären Lösungen erfordert.

Eine neue Sicherheitsarchitektur, die vom Fraunhofer IWU, der Synapticon GmbH und NexCOBOT entwickelt wurde, ist dezentral ausgelegt: Sie ermöglicht ein sicheres Miteinander von Mensch und Industrieroboter auch dann, wenn sich die Arbeitssituationen dynamisch verändern – bei deutlich reduziertem Verkabelungsaufwand.

Das Herzstück dieser Lösung ist eine dezentrale, generische Steuerungsarchitektur, die für adaptive und hochdynamische Cobots in kollaborativen Anwendungen maßgeschneidert ist. Die zentrale Sicherheitssteuerung berechnet dazu, in welchen Bewegungsbereichen oder Arbeitssituationen sich der Roboter im kollaborativen Betrieb mit reduzierter Geschwindigkeit oder mit begrenzter Leistung und Kraft bewegen muss. Das System umfasst roboterunabhängige, sichere Bewegungssteuerungen für ausfallsichere kollaborative Roboter mit EtherCAT (FSoE) und Echtzeitberechnung kompakter dynamischer Sicherheitsbereiche.

Es eignet sich somit für hocheffiziente und flexible Anwendungen in der Mensch-Roboter-Kollaboration. "Ein intelligentes Sicherheitssystem überwacht die relevanten Bereiche und passt die Robotersteuerung situativ an jede denkbare Interaktion zwischen Mensch und Roboter an", betont Dr. Mohamad Bdiwi, Teamleiter Kollaborative Robotersysteme am Fraunhofer IWU.

NexCOBOT

Halle 9, Stand H19

Der 5G-Funkstandard soll mittels Echtzeitkommunikation die Digitalisierung vorantreiben. Doch wie zuverlässig und stabil ist die Technologie in konkreten Anwendungsfällen rund um das Automatisieren der industriellen Produktion und Precision Farming? Hierzu forscht Professor Hans Schotten, Leiter des Forschungsvorhabens „5G Kaiserslautern“ und des Lehrstuhls für Funkkommunikation und Navigation an der RPTU Kaiserslautern-Landau. Auf der Hannover Messe geben er und seine Arbeitsgruppe Einblicke in zwei Projekte: (Teil-)autonome Roboter für die Intralogistik und die Landwirtschaft.

Ein Erprobungsobjekt sind Intralogistik-Roboter. Die Forschenden haben hierzu an der RPTU zwei Fahrzeugtypen (bis 75 kg Zuladung und bis 10 kg Zuladung) im Einsatz. Die Lieferaufträge lassen sich automatisch erstellen oder per Knopfdruck in einem Leitstand auslösen. Ist der Auftrag gestartet, fährt der Roboter (teil-)autonom den Übergabepunkt an, nimmt die Lieferung auf und bringt diese an den Zielpunkt. Das funktioniert nur mit den hohen Datenraten der 5G-Technologie, denn jeder einzelne Roboter benötigt eine hohe Upload-Bandbreite.

Auch die Landwirtschaft bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für schnelle Mobilfunkkommunikation – Stichwort Precision Farming: Im Rahmen von 5G-Kaiserslautern haben die Forschenden ein autonomes System im Einsatz, das Unkraut (Ampfer) mit Hilfe von Drohnen lokalisiert und anschließend mit einer minimalen Menge an Pflanzenschutzmittel autonom durch einen Feldroboter bekämpft. Die Drohne liefert eingangs Bilder der zur bearbeitenden Fläche an eine Edge Cloud, wo die Position der Unkräuter ermittelt wird. Durch diese Auslagerung wird Energie und Gewicht auf der Drohne eingespart und somit die Laufzeit massiv erhöht.

5G Kaiserslautern

Halle 14, Stand H06/02

Die Industrie muss kundenindividuelle Produkte kostengünstig und in immer kürzerer Zeit herstellen. Um unter diesen Bedingungen im globalen Wettbewerb bestehen zu können, empfiehlt sich die sogenannte "DesignChain", also die durchgängige Digitalisierung und Automatisierung der technischen Auftragsabwicklung - von der Bestellung bis zum fertigen Produkt. Wie das genau funktioniert, zeigt ein Forscherteam um Timo Denner aus der Abteilung Fabrikplanung und Produktionsmanagement am Fraunhofer IPA. Messebesucher
können am Messestand ein individuelles Produkt konfigurieren, das anschließend als CAD-Modell erstellt, fertigungsgerecht simuliert und auf einem 3D-Drucker produziert wird.

Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft

Halle 16, Stand A12

Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert in Hannover ein neuartiges Überwachungsverfahren für die industrielle Fertigung. An einem Air-Hockey-Tisch wird den Besucher:innen bei einer Partie Air-Hockey vorgeführt, wie akustische Ereigniserkennung in einer realen Umgebung funktionieren kann - basierend auf Luftschallanalyse in Kombination mit Methoden des maschinellen Lernens. Dabei werden Pucks aus unterschiedlichen Materialien anhand ihrer typischen Geräusche während des Spiels erkannt - echtzeitnah und robust gegenüber störenden Umgebungsgeräuschen.

Projektleiter Peter Hofmann: "Unser Air-Hockey-Tisch ist ein Prinzipdemonstrator. Wir zeigen damit das Potenzial des akustischen Monitorings für die Produktion. In Produktionsumgebungen treffen wir auf unterschiedlichste Geräuschkulissen, die sich aus Maschinenlärm, Prozessgeräuschen und anderen Geräuschen zusammensetzen. Die Herausforderung für uns besteht darin, die spezifischen akustischen Ereignisse aus anspruchsvollen Umgebungen 'herauszuhören' und zuverlässig zu analysieren."

Die Technik soll in realen Produktions- und Fertigungsumgebungen helfen, Probleme mit unerwarteten Maschinenstillständen und qualitativ schlechten oder zerstörten Produkten zu vermeiden.

Fraunhofer-Gesellschaft

Halle 16, Stand A12

Das Fraunhofer IESE aus Kaiserslautern zeigt in Hannover, wie sich eine vollständig digitalisierte, flexible Fabrik mithilfe von Digitalen Zwillingen und Verwaltungsschalen umsetzen lässt. Konkret geschieht dies anhand einer Schokoladenfabrik in Miniaturformat. Das heißt: Besucherinnen und Besucher können praxisnah am Demonstrator nachvollziehen, wie die Open-Source-Middleware Eclipse BaSyx die Vernetzung der Fabrik ermöglicht.

Die Middleware wurde vom Fraunhofer IESE gemeinsam mit vielen weiteren Partnern über die vergangenen Jahre hinweg entwickelt. Eclipse BaSyx steht Unternehmen als Open-Source-Lösung zur Verfügung und unterstützt bereits heute viele Firmen erfolgreich bei der digitalen Transformation. Aufgebaut ist die Middleware nach dem Prinzip eines Baukastens. Unternehmen können sich daraus also genau die Komponenten zusammenstellen, die sie für ihren individuellen Anwendungsfall benötigen.

Ganz zentral ist dabei die Implementierung der Industrie-4.0-Verwaltungsschale. Dabei handelt es sich um standardisierte Digitale Zwillinge, die in einer einheitlichen Struktur aufgebaut sind.

Eine Verwaltungsschale, die mit Eclipse BaSyx umgesetzt wurde, beinhaltet sämtliche Daten von Geräten, Prozessen und Produkten, beschreibt zum Beispiel die Fertigungshistorie eines Werkstücks und kann Daten selbständig mithilfe von Algorithmen verarbeiten. Thomas Kuhn, Hauptabteilungsleiter Embedded Systems am Fraunhofer IESE: "Industrie 4.0 kann entscheidend dabei helfen, Lieferketten zu optimieren und damit auch CO2-Emissionen zu senken. Denn: Wenn mithilfe einer Industrie-4.0-Technologie alle Daten zu einem Produkt vorliegen, so werden auch Optimierungspotenziale bei der Herstellung und Zulieferung ersichtlich."

Fraunhofer Gesellschaft

Halle 16, Stand A12

Ein neues Verfahren ermöglicht, Ventile und Schließvorrichtungen völlig ohne zusätzliche Sensoren frei anzusteuern. Ein Metallkolben, ein winziger Chip und kleine Stromimpulse – das ist alles, was die Antriebstechniker um Matthias Nienhaus von der Universität des Saarlandes für ihre nachhaltige und kostengünstige Technologie benötigen. Der Kolben bewegt sich nach Belieben stufenlos langsam oder schnell hin und her, hält jede Stellung und landet auf Wunsch soft am Anschlag. Die patentierte Ansteuerung braucht wenig Energie und kann über einen eigens entwickelten Chip in Systeme integriert werden.

Alles, was das Verfahren benötigt, ist ein magnetisch leitfähiger Metallbolzen in einer Spule aus gewickeltem Kupferdraht und einen kleinen Mikrochip: „Wir nutzen nur die Originalkomponenten eines einfachen Hubmagneten“, erklärt Matthias Nienhaus. Das macht die Technologie auch in rauer Umgebung einsatzfähig. Allein, indem sie den Strom auswerten, der durch die Spule fließt, um den Ventilkolben zu bewegen, erkennen die Saarbrücker Forscher die Lage des Kolbens und können diesen schnell und zielsicher ansteuern.

Universität des Saarlandes

Halle 2, Stand B34

Auf der Produktionsinsel_KUBA der SmartFactory-KL können Besucher:innen einen Modell-LKW konfigurieren, dessen Fertigung umgehend vor Ort startet. Parallel werden über die Verwaltungsschale der CO2-Fußabdruck, der Energieverbrauch und die Materialzusammensetzung getrackt und angezeigt. Auf dem Stand sind viele Schlüsseltechnologien wie Digitale Zwillinge, Operational Safety Intelligence, 5G, Künstliche Intelligenz, Digital Product Passport, Verwaltungsschale sichtbar.

„_KUBA ist Teil unserer Shared Production, mit der wir unsere Vision Production Level 4 umsetzen. Dort haben wir neueste Technologien implementiert, um zu erproben, wie dynamische Lieferketten über sichere Datenräume (Gaia-X) und Matching-Plattformen aufgebaut sein können“, sagt Prof. Martin Ruskowski, Leiter der SmartFactory-KL und des Forschungsbereichs Innovative Fabriksysteme am DFKI.

SmartFactory-KL bezeichnet ein Forschungs- und Industrienetzwerk, das auf drei Säulen ruht: dem Verein Technologie-Initiative SmartFactory KL e.V und den zwei wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen „Innovative Fabriksysteme“ am DFKI und dem Lehrstuhl „Werkzeugmaschinen und Steuerungen“ (WSKL) an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau.

SmartFactory-KL-Gemeinschaftsstand

Halle 8, D18