Mechatronische Bauteile, Komponenten und Module sind für die Digitalisierung industrieller Prozesse, Produkte und Abläufe von entscheidender Bedeutung. Mechatronik findet sich zu nahezu 100 % in den Produkten des Maschinenbaus. Hochleistung ist nur durch Mechatronik erreichbar. Technologien für mechatronische Komponenten und Baugruppen sowie Herstellungsverfahren werden somit zur Schlüsseltechnologie. Der Wachstumskern AllMeSa im Förderprogramm ‚Innovative regionale Wachstumskerne' des BMBF, der zu den 2019–2022 durchgeführten Evaluationen der Unternehmen-Region-Förderprogramme gehört, stellt diese Problemstellung in den Mittelpunkt seiner Aktivitäten. Grundlage der Entwicklungen dieser Technologieplattform bilden neue Fertigungstechnologien sowie innovative Verfahren der Produktionsorganisation. Darüber hinaus werden Montage- und Prüftechnologien sowie industrietaugliche Fertigungsprozesse für hoch performante mechatronische Komponenten und Systeme entwickelt und an prototypischen Anwendungen demonstriert. Für die nachhaltige und disruptive Weiterentwicklung der entstehenden Technologien wurde ein Kompetenzzentrum etabliert, mit denen das Konsortium aus sechs Industriepartnern und drei Forschungseinrichtungen in die Lage versetzt wird, das Know-how kontinuierlich weiterzuentwickeln, auf weitere Themenfelder von wirtschaftlicher Relevanz anzuwenden und auch dort innovative Produkte und Dienstleistungen anzubieten.
Auf dem digital durchgeführten Allianztag berichteten die Partner über ihre Arbeiten und stellten neue Konzepte vor. Die hohe Zahl von 120 Teilnehmern dieses digitalen Workshops, zu dem auch die Mitglieder des Sächsischen Arbeitskreises Elektronik-Technologie SAET eingeladen waren, zeigte das große Interesse der Fachkollegen an den angezeigten Themen.
Neue ungeahnte Möglichkeiten durch Hydrogele
Hydrogele bieten zur Herstellung reversibler Sensor-/Aktuator-Mikrosysteme durch ihr sich auf Grund hoher Energiedichte resultierendes Miniaturisierungspotenzial und der Schalteigenschaften durch Multisensitivität ungeahnte neue Möglichkeiten, insbesondere auf dem Gebiet der Mikrofluidik. Ihre Eigenschaften sind einstellbar, sie sind biokompatibel und an weiche Materie ankoppelbar, betonte Prof. Gerald Gerlach vom Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden. In mechatronischen Baugruppen sind stimulus-responsive Hydrogele als Sensoren für piezoresistive oder plasmonische chemische Sensoren z. B. für pH-Sensoren mit Druck- oder Temperaturausgleich einsetzbar. Als Aktoren bzw. Sensor-Aktor-Systeme sind sie für kraftkompensierte Sensoren oder für Sensorschalter – Bistable Zero-Power Sensor Switch (BIZEPS) – zu verwenden. Prof. Gerlach erläuterte ausführlich die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge. Auch Filter mit einstellbarer Porengröße sind mit Hydrogelen möglich, so beispielsweise lichtsensitive Regennetze für Fahrradhelme. Als eines der ersten kommerziellen Produkte entstand der implantierbare Glukosesensor Eversense XL mit kontinuierlicher Messung von Ascensia Diabetes Care. Diabetiker werden diese Anwendung zu schätzen wissen.
Innovationscluster flexibler organischer Elektronik
Dr. Dominik Gronarz ist Geschäftsführer der Organic Electronics Saxony e. V. OES, das führende Cluster Europas für flexible, gedruckte und organische Elektronik, für Organic Light-Emitting Diodes (OLED), Organic Photovoltaics (OPV), Organic Transistors (OTFT), gedruckte Batterien, gedruckte elektronische Schaltungen oder flexible hybride Elektronik. Sie hat 51 Mitglieder, die 34 Unternehmen vertreten. Gemeinsam mit den führenden sächsischen Industrie- und Technologie-Clustern Biosaxony, Silicon Saxony, dem Netzwerk der Automobilzulieferer AMZ, der Luft- und Raumfahrt LRT, des Maschinenbaus VE.MAS und der Bahntechnik BTS wurde im Rahmen der europäischen SmartEES-Förderung das Netzwerk SenSa für die Sensoraktivitäten mit flexibler organischer Elektronik in Sachsen gegründet. Mit diesem Innovationscluster Sensorik soll eine digitale Vernetzung der in Sachsen tätigen Akteure der Sensorik gefördert werden, erläuterte Dr. Gronarz. Er schilderte die große Zahl der existierenden Anwendungen, die die sächsischen Clustermitglieder hervorgebracht haben. Sie reichen von flexiblen Displays, gedruckten Sensoren bis zu Antennen oder Batterien. Dr. Gronarz schilderte die Aktivitäten gemeinsam mit dem japanischen YU-FIC Cluster zur Realisierung und Verbesserung der Rolle-zu-Rolle-Herstellung flexibler OLEDs auf ultradünnen Glasfolien, die Entwicklung smarter, auf OLED/OPV basierender Systeme, auf OLED-OPV basierendem Systems für gedruckte Sensorik auf Verpackungen (gezeigt wurde eine mit der Sensorik bedruckte Cola-Flasche) oder multidimensional durch Thermoformung hergestellte PCBs aus flexibler gedruckter Elektronik. Dr. Gronarz verwies auf weitere, in nächster Zeit stattfindende internationale Workshops der OES zu flexibler Elektronik, Sensoren, textilen oder automotiven Anwendungen.
Funktionale Maschinensteuerung einfach programmierbar
Die Hydrive Engineering GmbH konzipiert herstellerunabhängige Antriebstechnik und Steuerungssysteme von der einfachen Bewegungssteuerung bis zur elektrohydraulisch geregelten Achse. Das Unternehmen führt die Entwicklungen der anwenderspezifischen Lösungen durch, entwickelt Steuerungen, baut Prüfstände auf und testet die Lösungen. Dr. Thomas Neubert erläuterte die von Hydrive angewendeten Softwarelösungen für Maschinen. Maschinen müssen funktional, bedienbar und einfach programmierbar sein. Durch konsequente Nutzung objektorientierter Methoden unter CODESYS werden Prozessabläufe und Produktvarianten fest codiert. Damit wird der Kunde in die Lage versetzt, Prozessoptimierung und Implementierung der Produktvarianten selbst, ohne eigene Programmierkenntnisse, durchzuführen, Einstellungen und Taktzeitreduzierungen effizient zu realisieren oder neue Produktvarianten durch Kopieren und Rezeptanpassungen zu installieren. Das eigene Prozess-Know-how des Betreibers kann dadurch in kurzen Zyklen wachsen und umgesetzt werden. Er ist unabhängiger vom Anlagenhersteller, wenn dieser auf bewährte Software-Module zurückgreift. Die Anlagen-Inbetriebnahme oder eine aufwändige Prozessoptimierung ist somit ohne den unmittelbaren Eingriff des Software-Entwicklers denkbar. Ergebnis sind kürzere Auslieferungszeiten der Anlagen. Das Software-Framework ist als Library verfügbar. Ein Video eines Montageprozesses und die Vorstellung des Rezept-Editors erläuterte die Vorgehensweise.
„Die Validierung ermöglicht, Vertrauen in die Simulation zu gewinnen und verbessert numerische Modelle“
Die numerische Simulation spielt als Werkzeug zur Optimierung des robusten Designs auf Systemebene eine bedeutende Rolle im Entwicklungsprozess elektronischer Komponenten und Systeme, erläuterte Przemyslaw Gromala von der Robert Bosch GmbH, Automotive Electronics, in seinem Einführungsvortrag zu den Fortschritten auf diesem Gebiet. Die Genauigkeit einer numerischen Simulation ist stark vom Input in das FEM-Modell abhängig, also von Geometriedaten, Materialeigenschaften, Rand- und Belastungsbedingungen sowie Fehlerkriterien. Die Validierung ermöglicht, Vertrauen in die Simulation zu gewinnen und verbessert numerische Modelle, erläuterte Przemyslaw Gromala an Beispielen aus der Praxis. Zur Problembeschreibung ist die Entwicklung einer konsistenten Multidomänen- und Multiskalen-Simulationsmethodik zur Beschleunigung des Entwurfsprozesses für elektronische Steuerungsmodule auf Basis des System-Level-Ansatzes notwendig. In der ersten Ebene der Simulation sind die Bewertung der qualitativen Zuverlässigkeit und quantitativ genaue Ergebnisse der Entwurfsbewertung und Validierung erforderlich. Durch Vorauswahl der richtigen Materialien und Geometrien ergibt sich eine Beschleunigung des Konstruktionsprozesses. Wesentliche Ziele in der zweiten Ebene sind schnelle Optimierung und Designänderung, Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen Domänen und Skalen, agiler Entwurf und Evaluierung, schnelle Anpassung an neue Anforderungen sowie die Wiederverwendung von Daten und Modellen. Die dritte und letzte Ebene hat die Reduktion der Zeit bis zur Markteinführung, der Entwicklungs- und Produktkosten und die Verbesserung von Qualität und wichtiger Leistungsindikatoren zum Ziel.
Substrate – mikrominiaturisierbar und nachhaltig
Daniel Schulze schilderte die Zielstellungen der Micro Systems Technologies Group MST, der die Unternehmen und Miniaturisierungsspezialisten Dyconex (Schweiz) für High-End PCB-, LCP- oder weiteren Packagingsubstraten, die deutsche Litronik GmbH für Batteriepacks, die deutsche Micro Systems Engineering GmbH (LTCC Substrate, Assembly- und Halbleiterpackaging) sowie die US-amerikanische Micro Systems Engineering Inc. für Entwicklung und Fertigung elektronischer Module und die SMD-Fertigung angehören. Der Vortrag schilderte in vielen Beispielen die Designs und Fertigungsvarianten für hochdichte Verdrahtungsträger, passive Bauelemente oder RF-Bauteile. Ergebnisse aus dem Interconnect Stress Test IST und Designformen für die Zuverlässigkeit wurden diskutiert. Auch die Merkmale für die Nachverfolgbarkeit fanden Beachtung. Die sich aus den dünneren Materialien für die Substrate, der Notwendigkeit von Blind Vias und sich aus dem Packaging ergebenden Trends wurden diskutiert.
Im Rahmen des an der Hochschule für Technik Dresden HTW angebundenen und aus dem Europäischen Sozialfonds (ESF) finanzierten Projektes bioESens konnten praxistaugliche Lösungsansätze für den Einsatz biobasierter Kunststoffe im Anwendungsfeld Elektrotechnik, Elektronik und Sensortechnik gefunden werden, die die komplette Wertschöpfungskette vom Biomaterial, dessen werkstoffliche Modifizierung und Verarbeitung, die Applikation in Sensortechnologien und -funktionen bis zu Fragen der Produktionstechnik, Anwendungsprüfung, Haltbarkeit und Umweltverträglichkeit umfassen, berichtete Prof. Reinhard Bauer, Fakultät Elektrotechnik der HTW und Obmann des SAET. Biopolymere, im Projekt wurden modifizierte PLA und PU untersucht, sind interessante Werkstoffe für Verdrahtungsträger, wenn sie durch Additive und Nachbehandlungen an verschiedene Anforderungsprofile z. B. für Polymer-Dickschicht- oder Leiterplattentechnik (Cu-Folientechnologie) angepasst werden. Zur Erschließung nachhaltiger Konzepte in der Elektronik konnten die Forscher an der HTW wesentliche Erkenntnisse gewinnen, die es für eine industrielle Umsetzung in Produkten und Fertigungstechnik noch in Nachfolgeprojekten weiterzuführen gilt. Der erreichte Stand ist ein weiterer, wichtiger Schritt zur Anwendung von Biopolymeren in der Elektronik. Unter bestimmten Einsatzbedingungen sind in der nächsten Zeit für ausgewählte Applikationen Produkte möglich, die dem Anspruch der Nachhaltigkeit gerecht werden. Der Autor dieses Beitrages berichtete über das Projekt im Bericht aus Dresden PLUS Jg.22(2020)08 S. 1108–1114. Im Anschluss seines Vortrages teilte Prof. Bauer mit, dass er, obwohl in den Ruhestand versetzt, als Senior Scientist weiterhin an der HTW wirksam sein wird und die Konstruktion und Technologie der Elektronik und Mechatronik nach wie vor an der Fakultät Elektrotechnik der HTW erhalten bleibt. Er dankte allen ganz persönlich für die langjährige Zusammenarbeit. Weiterhin wird er gemeinsam mit Dr. Oppermann den Arbeitskreis Elektronik-Technologie gestalten (vgl. die aktuelle Mitteilung in der PLUS Jg.23(2021)05 S. 534, 535 ).
AllMeSa-Verbundprojekte: Druckzellenwandler und Glassensorik
Druckzellenwandler lassen sich in Edelstahl-Dünnschichttechnologie, MEMS-Siliziumtechnologie oder Dickschicht-Keramiktechnologie herstellen. In einem Teilprojekt wird ein Verbindungsprozess zur Anbindung der Membran an den Stahlzylinder untersucht und dazu ein Produktdemonstrator von i2S aufgebaut. Entwickelt werden dazu Materialsystem und Prozess auf Basis reaktiver Multilayersysteme sowie die Überführung in die Anlagentechnik, erläuterte Benjamin Reichelt von der XENON Automatisierungstechnik GmbH. Das Konzept, Aufbau und Prozessabfolge zur Herstellung des 2 x 2 mm2-Demonstrators, seines Drucktransmitters mit laserstrukturierter Edelstahl-Druckzelle, schilderte Gert Springer von der Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH i2S.
Dr. Karsten Sager von i2s schilderte die Entwicklung eines neuen Fügeprozesses für den Drucktransmitter mit MEMS Druckzelle, das reaktive Fügen des Siliziummesselementes und der Keramik. Dazu sind eine Metallisierung und eine reaktive Paste erforderlich. Die parallele Pastenentwicklung durch das Fraunhofer-IWS stellte Lukas Stepien vor. Bei den ersten Untersuchungen stellte sich heraus, dass im Gegensatz zur bisherigen Klebetechnologie das Fügen mit reaktiven Pasten noch nicht erfolgreich möglich ist. Die Fügung mittels reaktiver Folie ist dies zwar, trifft aber nicht das Kostenziel des Projekts.
Am Institut für innovative Technologien, Technologietransfer und Weiterbildung e. V. ITW Chemnitz e. V. werden im Rahmen des Projektes eingesetzte Kontaktierungs- und Prüftechnologien untersucht. Für das Löten von Glas oder Keramik sind bisher Metallisierung und Belotung erforderlich, erläuterte Prof. Bernd Hommel. Da sich aber die entwickelten reaktiven Pasten noch nicht für die Fügeprozesse als geeignet erwiesen, wurden Alternativuntersuchungen zum Glasschmelzfügen (MEMS Glas Attach – MAG) durchgeführt. Damit kann auch der aufwändige Metallisierungs- und Belotungs-Arbeitsschritt eingespart werden.
Im AllMeSa-Teilprojekt 3.1 wird eine neuartige Druckzellen-Strukturierung mittels Laserbearbeitung (Strukturierung der Membran) angestrebt. Technologieuntersuchungen dazu wurden bei der SITEC Industrietechnologie GmbH durchgeführt. Dominique Schubert berichtete. Benjamin Reichelt stellte zudem die Entwicklung automatisierter Fertigungsprozesse für die Herstellung der laserstrukturierten Edelstahl-Druckmesszellen bei XENON vor. Technologische Analysen führte Philip Knoch vom Institut für Aufbau- und Verbindungstechnologie an der TU Dresden aus. Untersucht wurden Konzeptionierung und Systemaufbau, die Möglichkeiten der Charakterisierung durch Metallographie, der Messaufbau zum Test und die elektrische Charakterisierung der Lasergräben. Der Einfluss der Isolationsschichten auf dem Edelstahl und die Zuverlässigkeit sollen mittels Ansys 2020-Simulation ermittelt werden. Ein cloudbasiertes MES-System wird bei der Kontron AIS GmbH entwickelt, berichtete Thomas Dreyer.
Glassensorik – flexibel und resistent
Zur Herstellung von Glas-Sensorik in der Anwendung in einem Brennstoffzellen/Elektrolyse Stack sprach Uwe Beier von der Adenso Industrial Services GmbH. Chemisch resistente Glas-Sensoren für Hochtemperaturanwendungen bestehen aus einer Basisschicht aus ultradünnem Glas, der funktionellen Schicht mit Sensorcharakteristik, einer hermetisch dichtenden Seal-Schicht und der Deckschicht, diese wiederum aus untradünnem Glas. Das Konzept sieht vor, die Glas-Sensorik in produktiver Rolle-zu-Rolle-Technologie zu fertigen. Dr. Robin Schulze von der SITEC Industrietechnologie GmbH schildert die Arbeiten zur Technologiebewertung und stellte die Anlagenkonzepte vor. Eine Anwendungsmöglichkeit für solche Sensorfolien in Brennstoffzellen beschrieb Dr. Ludwig Reichel von der sunfire GmbH. Er erläuterte den Aufbau eines optimierten Brennstoffzellen-/Elektrolyse-Stacks mit integrierter Glas-Sensorik. Technologieplattform ist der Stack, der als Multilayer aus mehrfach gestapelten Wiederholeinheiten besteht. Diese enthalten auf einer Bipolarplatte die aktive Zelle und eine Dichtung. Er schilderte die Anforderungen an die Bipolarplatte und die Anpassung der Fügeverfahren und Bauteilgeometrie. Sunfire strebt im Projekt an, in den Stack eine Glas-Sensorik zu integrieren, die über die Lebensdauer unveränderlich und mechanisch stabil ist.
