Zukunft der High-Performance-Mechatronik

Bei den AllMeSa-Days 2022 der Mechatronik Allianz Sachsen wurden 22 Übersichts- und Fachvorträge geboten, davon 5 Keynotes sowie Besichtigungen bei den Partnern Adenso, i2s, TU Dresden/IAVT und Xenon. Von den knapp 100 Teilnehmern kamen 59% aus der Industrie und 41% aus der Forschung.

Zu den AllMeSa-Partnern gehören Sitec Industrietechnologie, Chemnitz, Xenon Automatisierungstechnik, Adenso Industrial Services, i2s Intelligente Sensorsysteme Dresden, Kontron AIS, sunfire, alle aus Dresden sowie Vitesco Technologies aus Limbach-Oberfrohna. Außerdem gehören dazu das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, das Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik der TU Dresden (IAVT), und der ITW e.V. Chemnitz.

Die Vision von AllMeSa ist die Entwicklung innovativer technologischer Lösungen zur Herstellung mechatronischer Produkte der Zukunft. Die Partner bieten die dafür benötigten Kernkompetenzen und realisieren gemeinsam eine Technologieplattform, die alles vom Prototypenbau bis hin zur Serienproduktion von High-Performance-Mechatronik-Produkten abdeckt.

Dr. Robin Schulze, Sitec Industrietechnologie, dankte bei der Eröffnung dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung im Rahmen des Programms ,Innovative regionale Wachstumskerne' sowie dem Sächsischen Arbeitskreis Elektronik-Technologie (SAET) für die Kooperation.

Bevor Dr. Robin Schulze über das Veranstaltungsprogramm informierte, überbrachte Prof. Dr. Reinhard Bauer, HTW, Dresden, die Grußworte des SAET. Dabei dankte er den AllMeSa-Partnern dafür, an den AllMeSa-Days 2022 als 78. SAET-Treffen teilnehmen zu können. Denn der SAET ist ein Podium für den fachlichen Erfahrungsaustausch mit 2 bis 3 Treffen im Jahr an unterschiedlichen Orten in Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Die Schwerpunkte liegen dabei auf den Gebieten Konstruktion und Technologie der Elektronik, elektronische Gerätetechnik, Fertigungs- und Prozesstechnologie, Anlagentechnik, Qualitätssicherung und Zuverlässigkeitsuntersuchungen sowie Bauelemente- und Baugruppencharakterisierung.

Keynotes: Power-Transistors und PCB-Roadmap

Dr. Stefan Hain, ZF Friedrichshafen, erläuterte im Vortrag ,Siliziumkarbid als Treiber der Elektromobilität – wie Kohlenstoff die Effizienz von Elektroautos erhöht' zunächst, wie ein Antriebsinverter funktioniert und beschrieb dazu die Eigenschaften der im Bereich E-Mobilität gebräuchlichen Leistungstransistoren (IGBT). Deren Effizienz basiert auf einem Kompromiss aus Leit- und Schaltverlusten. SiC-MOSFET sind hier materialbedingt vorteilhafter und SiC-basierte Antriebsinverter weisen, wie Untersuchungen ergaben, 64% weniger Verluste (0,3kWh im Vergleich zu 0,84kWh pro 100km) auf. Auch die Schnellladefähigkeit und das Leistungsvermögen (höhere Temperaturen) sind deutlich besser. Allerdings ist SiC teurer als Si. Die Gesamtkosten entscheiden, was schließlich eingesetzt wird. Es gibt aber einen klaren Trend zu SiC, das ab 2030 dominieren wird. Dadurch, dass Kohlenstoff die Effizienz erhöht, wird Siliziumkarbid Treiber der Elektromobilität.

Die Roadmap der europäischen Leiterplatten-Technologie und die wichtigsten Zukunftstrends stellte Ralph Fiehler, KSG, Gornsdorf, ausgehend von der aktuellen Situation und den wichtigsten Technologietreibern vor. Die Lagenanzahl wird weiter steigen und die Toleranzen, die Innenlagen- und Leiterplattendicken sowie die Leiterbildstrukturen werden weiter reduziert werden. U.a. wird prognostiziert, dass bis 2025 auch in der Volumenproduktion SBU-/HDI-Aufbauten mit 12 Lagen (3+X+3) und L/S von 75µm sowie Innenlagendicken von 100µm realisiert werden. High-End-Fertigungen werden noch deutlich anspruchsvollere Aufbauten bis hin zu L/S von 15 µm realisieren können. Dazu kommen die Erhöhung der Bohrungsdichte und des Aspect Ratios. Vermehrt werden auch Flex- und Starrflex- sowie Aufbauten mit Impedanzkontrolle, Mischaufbau, High-Tg-, halogenfreien und/oder CAF-beständigen Basismaterialien zum Einsatz kommen. Ebenso mit Embedding bzw. Integration von Funktionalitäten. Im Zuge der Digitalisierung kommen additive Fertigungstechniken. Die digitale Lötstoppmaske ist bereits Realität.

AllMeSa-Projekte und Unternehmensführungen

In der anschließenden Sitzung erfolgte eine Kurzvorstellung der AllMeSa-Projekte:

• Benjamin Reichelt, Xenon Automatisierungstechnik GmbH, stellte das Projekt neuartige Herstellungs- und Prüftechnologien für MEMS-Druckzellenwandler vor.
• Dr. Karsten Sager, i2s Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH, informierte über das Projekt neuartige Druckzellen-Strukturierung mittels Laserbearbeitung.
• Uwe Beier, Adenso Industrial Services GmbH, beschrieb das Projekt Glas-Sensorik für den Brennstoffzellen/Elektrolyse-Stack.

Neben den Zielsetzungen und Aufgabenverteilungen wurden jeweils der aktuelle Status und die nächsten Schritte der jeweiligen Projekte erläutert.

Nach einer Pause ging es zu den Unternehmensführungen, die am Folgetag nochmals angeboten wurden. Wahlweise konnte jeweils eine der Organisationen besucht werden und dort vor Ort in Augenschein genommen werden, wie die AllMeSa-Projekte umgesetzt werden:

Adenso Industrial Services bietet u. a. Lösungen für die Reinraum-Automation, das Wafer Handling und die Folien- bzw. Ultradünnglasbearbeitung. Darunter ist z. B. eine Rolle-zu-Rolle-Plattform für flexible Materialien, auf deren Basis die Demonstratoranlage für die Glassensorik realisiert wird.

i2s Intelligente Sensorsysteme Dresden entwickelt und produziert für Kunden spezifische Druck-, Temperatur- und Kombisensoren für mehrere Messgrößen. Das Unternehmen ist vorwiegend tätig für Kunden aus den Bereichen Automobiltechnik, Maschinenbau und Mess- und Prüftechnik.

Xenon Automatisierungstechnik hat alles von der Montagezelle bis zur kompletten Linie für die Herstellung von Automobil-, Elektronik- und Medizintechnikanwendungen im Angebot. Dieses basiert auf skalierbaren, flexiblen modularen Automatisierungsplattformen in Kombination mit einer smarten Softwarelösung. Damit können Spezialmaschinen und -anlagen realisiert werden, wie z. B. für die Herstellung von Drucksensoren in MEMS-Technologie.

Das TUD-IAVT beschäftigt sich in vielfältigen Aktivitäten mit verschiedensten Aspekten der Systemintegration. Das Institut arbeitet sowohl auf verfahrens- als auch auf prozesstechnologischer Seite, wobei die elektronische Baugruppe im Mittelpunkt steht. Zu den zahlreichen öffentlich geförderten Forschungsprojekten am IAVT gehören auch AllMeSa-Projekte. Den Abschluss des ersten Tages bildete eine Abendveranstaltung, bei der es intensives Networking gab.

Keynotes am zweiten Tag – LIDE und Sensorik

Dr. Robin Schulze eröffnete und moderierte auch den zweiten Tag, der mit drei Keynotes startete.

Dr. Christian Kelb, LPKF, zeigte ‚New Possibilities for Glass in Microsystems Technology' auf. Glas ist aufgrund seiner günstigen Eigenschaften ideal für das Packaging aber bislang nur mit Herausforderungen, d. h. schwierig zu bearbeiten. Nun gibt es mit der von LPKF entwickelten LIDE-Technologie (Laser Induced Deep Etching), einem zweistufigen Prozess mit Laserstrukturierung und Nassätzen, eine neue Lösung für die Präzisionsmikrobearbeitung von Glas. Mit dieser können tiefe Mikrostrukturen in Glas realisiert werden und dies ohne Spezialglas, Chipping und Mikrorisse, z. B. TGV (Through Glass Vias) mit Durchmessern von 10µm bis 100µm und großen Aspektverhältnissen von bis zu 1:50. Und bald wird auch ein auf LIDE basierendes Glas-Fusion Bonding verfügbar sein. Bereits jetzt sind von LPKF LIDE Produktionssysteme verfügbar wird LIDE auch als Dienstleistung angeboten und zwar über die Tochterfirma Vitrion.

Die Herausforderungen auf dem Weg zu einem vernetzten Turmdrehkran beschrieb anschließend Robert Bramberger, Liebherr. Er stellte vorab sein Unternehmen vor und informierte dabei über die unterschiedlichen Krantypen und deren spezielle Eigenschaften. Im Rahmen der Digitalisierung ist auch auf Baustellen eine Vernetzung angesagt. Mit LiDAT gibt es bereits ein Liebherr-System für das Fuhrpark- und Flottenmanagement sowie für das Wartungsmanagement. Zur Wartung gehört auch das Überprüfen der hochfest vorgespannten Schraubverbindungen an Kranbauteilen.

Aktuell erfolgt die Entwicklung einer Sensorik zur Überwachung der Schraubenvorspannung im laufenden Kranbetrieb und Meldung bei Abweichungen. Herausforderungen sind dabei die Größenordnungen der zu messenden Vorspannungen sowie die dauerhafte und witterungsunabhängige Integration der Messeinheit in Bauteile. Der Sensor basiert auf Piezokeramik und kommuniziert mit Funksignalen. Derzeit laufen Technologietests auf einem genormten Prüfstand zur Ermittlung von Kraft-Weg-Kurven sowie Tests zum Einbau und zur Anzeige an einem Versuchskran. Als nächste Schritte werden die Integration in Liebherr-Umgebung sowie die Integration in Baustellennetze folgen.

Dr. Andreas LenkDr. Andreas Lenk, Vitesco Technologies, zählte als Alternativen für die elektrolytische Wasserstofferzeugung SOEC-, AEC- und PEM-Zellen auf, bevor er die Herausforderungen bei der Entwicklung von Fertigungstechnologien für PEM-Elektrolyse-Stacks aufzeigte. Für die Elektrolyse mit PEM-Zellen (Proton Exchange Membran/Polymer Elektrolyt Membran) wird als Katalysator Iridiumdioxid eingesetzt, das teuer ist. Die aus dem Material Nafion bestehende Polymermembran der Elektrolysezelle wird mit dem Katalysator beschichtet. Eine Demonstratorlinie für den Decal-Prozess zur Herstellung katalysatorbeschichteter Membranen für PEM-Brennstoffzellen wird im Rahmen eines HZwo-Förderprojekts entwickelt.

AllMeSa-Parallel Sessions und Unternehmensführungen

Nach einer Pause gab es drei parallele Sitzungen, die jeweils mit Q&A abschlossen.

Session 1 moderiert von Thomas Dreyer über neuartige Herstellungs- und Prüftechnologien für MEMS-Druckzellenwandler umfasste folgende Beiträge:

• Handlingsystem zur automatisierten Montage eines Sensor-Subassembly von Benjamin Reichelt, Xenon Automatisierungstechnik
• Herstellen von Funktionsschichten durch Beschichten mittels kaltem Plasma von Prof. Dr. Bernd Hommel, ITW e.V. Chemnitz
• Einsatz von AI Computer Vision Methoden in der Qualitätskontrolle von Industrie-Computern von Thomas Dreyer, Kontron AIS
• Modifikation von Metall-Pulver zur Reaktivitätssteigerung von thermischen Fügepasten von Lukas Stepien, FhG-IWS
• MGA-Technologie – Entwicklung einer glaslotbasierten Fügetechnologie für MEMS-Drucksensorelemente von Dr. Karsten Sager, i2s Intelligente Sensorsysteme Dresden.

Session 2 zur neuartigen Druckzellen-Strukturierung mittels Laserbearbeitung wurde von Dr. Karsten Meier moderiert und umfasste folgende Beiträge:

• Laser statt Lithografie – Technologieentwicklung für die Herstellung von Drucksensoren von Philip Knoch, IAVT TU Dresden
• Drucktransmitter mit laserstrukturierter Druckmesszelle von Dr. Karsten Sager, i2s Intelligente Sensorsysteme Dresden
• Integration der Laserbearbeitungsstation in die Anlage zur Herstellung von Druckmesszellen von Dominique Schubert, Sitec Industrietechnologie
• Prozessautomatisierung zur Herstellung von laserstrukturierten Edelstahl-Druckmesszellen von Benjamin Reichelt, Xenon Automatisierungstechnik.

Session 3 moderiert von Dr. Robin Schulze war der Glas-Sensorik für den Brennstoffzellen- oder Elektrolyse-Stack gewidmet und umfasste folgende Beiträge:

• Laserkonfektionieren ultradünner Gläser im Sheet- bzw. Rolle-zu-Rolle-Prozess von Dr. Schulze, Sitec Industrietechnologie,
• Rolle-zu-Rolle-Verfahren zur Fertigung biegsamer Glas-Sensorik für einen breiten Temperaturbereich von Uwe Beier, Adenso Industrial Services,
• Vorteile von Glas-Substrat-Sensorik in Sunfire’s Elektrolysestacks von Dr. Ludwig Reichel, sunfire,
• Hybridtechnologie auf Ultradünnglas als Schlüssel zur Hochtemperatursensorik von Philip Knoch, TU Dresden, Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik,
• Technologie zum Herstellen von Glasverbunden durch reaktives Löten von Prof. Dr. Bernd Hommel, ITW e.V. Chemnitz.

Nach der Mittagspause wurden wie am Vortag Unternehmensführungen angeboten – als passender Abschluss einer gelungenen, praxisorientierten Veranstaltung.