weiter.vorn Aus Pulver gebaut Das Fraunhofer-Magazin 4 /10 Informationstechnik Die Stadt, die mitdenkt Energie Müll macht mobil

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1 weiter.vorn Das Fraunhofer-Magazin 4 /10 Aus Pulver gebaut Informationstechnik Die Stadt, die mitdenkt Energie Müll macht mobil Mikroelektronik Stapelbare Mikroelektronik

2 November 2010 SpreePalais am Dom, Berlin Fachveranstaltung mit begleitender Ausstellung Programmschwerpunkte Netzintegration & Ladeinfrastruktur Energiespeicher Elektrischer Antriebsstrang Fahrzeugkonzepte Rahmenbedingungen für Elektromobilität Markt- und Geschäftsmodelle JETZT ANMELDEN! gefördert durch das Details unter powered by

3 weiter.vorn 4.10 EDITORIAL 03 Aufschwung braucht Nachwuchs Prof. Dr. Hans-Jörg Bullinger. Bernhard Huber Die aktuellen Wirtschaftsdaten sind gut wie schon lange nicht mehr: Im zweiten Quartal 2010 stieg das Bruttoinlandsprodukt im Vergleich zum ersten Vierteljahr um 2,2 Prozent. Die Unternehmen freuen sich über steigende Auftragseingänge. Es werden wieder mehr Güter exportiert, die Binnennachfrage nimmt zu. Viele Firmen schauen zuversichtlich in die Zukunft und gehen von steigenden Mitarbeiterzahlen aus. Keine Frage, jetzt zahlt sich das besonnene Handeln von Wirtschaft und Politik während der Finanzkrise aus. Die Unternehmen haben versucht, ihre hochqualifi zierten Mitarbeiter zu halten, anders als in der Rezession 2001/2002. Der massive Einsatz des Instruments Kurzarbeit und die von der Bundesregierung aufgelegten Konjunkturprogramme I und II haben die Unternehmen dabei gezielt unterstützt. Doch um die eingehenden Aufträge abzuarbeiten und neue Produkte und Services zu entwickeln, brauchen die Unternehmen noch mehr gut ausgebildete Fachkräfte. Schon jetzt haben sieben von zehn Firmen Schwierigkeiten, offene Stellen zu besetzen, warnt der Deutsche Industrie- und Handelskammertag (DIHK). Laut einer Umfrage unter rund 1600 Unternehmen erwartet knapp die Hälfte der Befragten für die kommenden fünf Jahre einen Mangel an hochqualifi zierten Fachkräften. Die Folgen für die deutsche Wirtschaft wären enorm. Sogar im schwierigen Krisenjahr 2009 entgingen der Volkswirtschaft etwa drei Milliarden Euro an Wertschöpfung, weil Stellen nicht besetzt werden konnten. Es fehlt insbesondere an Absolventen in den Fächern Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik kurz MINT. Im Jahr 2008 verließen knapp Studenten mit einem MINT-Erstabschluss die deutschen Universitäten und Hochschulen. Dies entspricht etwa einem Drittel aller Absolventen. Doch um den Bedarf zu befriedigen, müssten mindestens 40 Prozent aller Hochschulabgänger einen MINT- Abschluss machen. Den größten Bedarf gibt es in den Ingenieurwissenschaften: Schon heute fehlen wie eine Untersuchung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) und des Instituts der Deutschen Wirtschaft (IW) zeigt knapp Ingenieure. Die Situation wird sich in den kommenden Jahren noch verschärfen, denn auf 1000 erwerbstätige Ingenieure kamen 2007 nur 35 Absolventen. Zum Vergleich: In Spanien standen 1000 Ingenieure 90 Absolventen gegenüber, in Italien 147, in Polen und in Tschechien jeweils mehr als 200. Ausgerechnet dem Land der Techniker und Ingenieure geht der Nachwuchs aus. Im kommenden Jahrzehnt könnten Ingenieure fehlen. Die Zahlen sind alarmierend, denn der Wirtschaftsstandort Deutschland ist wie kein anderes europäisches Land abhängig von gut ausgebildeten Ingenieuren. Politik, Wirtschaft und Wissenschaft versuchen seit Jahren, mehr junge Menschen für ein MINT-Studium zu begeistern. So bietet Fraunhofer zum Beispiel interessierten Schülerinnen und Schülern mit der Talent-School einen Einblick in die Arbeit von Naturwissenschaftlern. Diese Anstrengungen zeigen erste Früchte: Der MINT-Absolventenanteil hat sich seit dem Jahr 2004 um mehr als zwei Prozentpunkte erhöht. Doch diese Steigerung reicht bei weitem nicht, um den Bedarf an Fachkräften zu decken. Es gilt, auch bislang vernachlässigte Arbeitnehmergruppen wie zum Beispiel Migranten stärker für neue Aufgabe zu qualifi zieren. Auch das Potenzial der Frauen wird bislang noch unzureichend genutzt. Wir brauchen engagierte und gut ausgebildete Fachkräfte, um die Grundlagen für ein künftiges Wachstum zu legen. Neuartige Schlüsseltechnologien wie die»generative Fertigung«, die wir in der Titelgeschichte vorstellen, stimulieren Innovationen in vielen Bereichen. Umsetzen können die Unternehmen diese Potenziale aber nur, wenn sie Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gewinnen, die diese neuesten Technologien beherrschen.

4 04 - INHALTSVERZEICHNIS weiter.vorn Titelthema Aus Pulver gebaut Schicht für Schicht werden Produkte aus Pulver hergestellt. 18 3D mit ohne Auch ohne Brille kann man schon bald 3D-Filme im Fernsehen angucken. 26 Das Stromnetz spart Energie Die Energie kommt auch über lange Seekabel zum Verbraucher. 28 Mit Laserlicht in die grüne Zukunft Amerikanische Autohersteller arbeiten an neuen, umweltfreundlichen Autos. 38 Roboter mit Fingerspitzengefühl Forscher arbeiten an einer neuen Generation von Robotern für die Montage. 54 Nachhaltige Nahrung Aus der Sonnenblume lässt sich nicht nur Öl gewinnen.

5 Inhalt weiter.vorn 4.10 INHALTSVERZEICHNIS Spektrum 17 Kompakt 08 Titelthema Aus Pulver gebaut Direkt aus den Konstruktionsdaten lassen sich Produkte schnell und kostengünstig herstellen. 36 Medizin Natürlich gehen mit Prothese Ein Steuerungssystem setzt Gedanken in Bewegungen der Prothese um. 34 International 35 Gründerwelt 44 Fraunhofer Visuell 52 Firmenportrait 57 Panorama 58 Personalien Informationstechnologie Esperanto für medizinische Daten Forscher arbeiten am sicheren Austausch von medizinischen Informationen. Spielend musizieren Die Software Songs2See macht das Erlernen von Instrumenten einfacher. 3D mit ohne Fernsehen in der dritten Dimension auch ohne Brille Roboter Roboter mit Fingerspitzengefühl Der Workerbot kann sich mit Mimik ausdrücken. Robbie, bitte übernehmen Sie Mobile Serviceroboter unterstützen Pfl egekräfte im Altenheim. Unter Wasser Abtauchen mit Robotern: Sie können Hafenanlagen und Schiffsrümpfe inspizieren. 58 Impressum Die Stadt, die mitdenkt Moderne Informationstechnologien für die Stadt der Zukunft. Telekonferenz im Wohnzimmer Neue Technologien bringen auch weitentfernte Freunde»virtuell«ins Haus Mikroelektronik Stapelbare Mikroelektronik Mit 3D-Systemintegration lassen sich mehrere Ebenen in einem System aufbauen. Mehr als Moore Interview mit Professor Dr. Herbert Reichl Energie Elektroautos auf dem Prüfstand Stromer im Härtetest. Das Stromnetz spart Energie Effi ziente und moderne Elektronik hilft Strom sparen. 54 Gesundheit Nachhaltige Nahrung Dank neuer Verfahren lassen sich mehr Bestandteile von Pfl anzen für die Ernährung nutzen. 28 Mit Laserlicht in die grüne Zukunft Umweltfreundliche Fertigungstechniken für Elektroautos. 30 Atomare Kirschtorten Forscher entwickeln Technologien, um aus Abwärme Strom zu gewinnen. 32 Müll macht mobil Aus Abfällen gewonnenes Methan treibt Autos an.

6 06 - SPEKTRUM weiter.vorn 4.10 Erreger schnell erkannt Die Sepsis Blutvergiftung ist in Deutschland die dritthäufi gste Todesursache. Meist werden dem Patienten bei Verdacht auf eine bakterielle Infektion Breitbandantibiotika gegeben, bevor die Erreger exakt bestimmt werden können. Gegenwärtig dauert es zwei bis drei Tage, bis dem Arzt das Ergebnis der Blutuntersuchung vorliegt. Gemeinsam entwickeln Forscher der Fraunhofer-Institute für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM, für Angewandte Informationstechnik FIT, für Photonische Mikrosysteme IPMS und für Lasertechnik ILT eine Technologie, die die Bakterien schnell erkennt. Das neue Verfahren markiert die Erreger im Blut farblich und trennt sie ab. Dann werden die Bakterien in einer Kultur vermehrt und ihre Resistenz auf Antibiotika getestet. Mit Hilfe der neuen Technologie weiß der Mediziner schon nach neun Stunden, welches Antibiotikum wirksam ist. Handy kennt die Herzfrequenz Jogger und Radfahrer können oft die eigene Laufgeschwindigkeit und Belastung schwer einschätzen. Eine Möglichkeit, das Training zu überwachen, bietet ein Pulsmesser. Das Gerät zeigt die Herzfrequenz an und schützt den Sportler damit vor Überlastungen. Es besteht aus einem Brustgurt, dem Sender, und einer Pulsuhr, dem Empfänger. Komplett versorgt Ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien können Haushalte und Unternehmen 2050 versorgt werden. Das ist technisch machbar: Wie es funktioniert, stellen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in einer Studie im Auftrag des Umweltbundesamts (www.umweltbundesamt.de) vor. Die unterschiedlichen Energiequellen wie Wind, Sonne, Biomasse und Speicher ergänzen sich und können gut miteinander kombiniert werden, so dass jederzeit eine sichere und stabile Stromversorgung gewährleistet ist. In dem Szenario»Regionenverbund«berechneten die Forscher, wie dazu in Zukunft deutschlandweit Strom ausgetauscht werden müsste. Nur eine geringe Menge kommt hierbei aus den Nachbarstaaten. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, die erneuerbaren Energien, die Netze und Speichersysteme hierzulande deutlich auszubauen. Außerdem gilt es, Energie einzusparen beispielsweise durch Gebäudedämmung. Auch die Stromnachfrage für Elektroautos, Wärmepumpen und Klimatisierung lässt sich durch ein intelligentes Lastmanagement optimieren und zielgerichtet steuern. Es ist technisch machbar, in Zukunft Deutschland komplett mit Strom aus erneuerbaren Energien zu versorgen. MEV Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS in Berlin arbeiten an einem neuen Systemmodul für Standard- Brustgurte, damit die Herzfrequenz auch mit dem Handy empfangen werden kann. Der BlueHeart-Adapter überträgt die Signale direkt auf das Smartphone. Er ist klein, kompakt, sehr leicht und wird am Brustgurt befestigt. Auch Ausdauersportler, die in Gruppen trainieren, können die Daten der einzelnen Teilnehmer abgleichen und auswerten. Das Smartphone warnt vor Überlastungen beim Sport. dpa

7 weiter.vorn 4.10 SPEKTRUM - 07 Empfindsame Roboterhaut Schlaues Gewebe Sogar in sehr feine Kleiderstoffe können Elektronik und Mikrosysteme integriert werden nicht nur Displays und Leuchtdioden, sondern auch Sensoren und Steuerungselektronik. Möglich wird das durch dehnbare Schaltungsträger, die die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin sowie der TU Berlin im europäischen Forschungsprojekt»Place-IT«bearbeiten. Basismaterial ist eine dehnbare Folie aus Thermoplastischem Polyurethan (TPU). TPU ist reiß- sowie abriebsfest und wird in der Textilindustrie bereits vielseitig eingesetzt. Damit die Leiterbahnen gedehnt werden können, sind sie in Form kleiner Mäander auf dem Substrat aufgebracht. Viele Produkte sind möglich: Die schlauen Gewebe helfen überall dort, wo Körperdaten gemessen und überwacht werden müssen. So könnte ein Trikot die Atmung von Kleinkindern überwachen, um den plötzlichen Kindstod zu verhindern. Ein»intelligenter«Wundverband kann Sekrete detektieren oder mittels Druckmessung dafür sorgen, dass der Verband nicht zu eng sitzt. Die Forscher entwickeln auch Pfl aster, die durch Elektrostimulation den Wundheilungsprozess beschleunigen. Die Leiterbahnen bestehen wie bei einer gewöhnlichen Leiterplatte aus Kupfer. Es wird auf die Polyurethanfolie laminiert, vereinfacht gesagt: unter Druck aufgebügelt. Fraunhofer IZM Roboter erobern neue Einsatzfelder etwa in der Produktion, im Haushalt oder im Pfl egebereich. Für die notwendige Sicherheit bei der Zusammenarbeit mit Menschen sorgt ein taktiles Sensorsystem, das sich als künstliche Haut direkt auf dem Roboter anbringen lässt und ihn komplett umhüllt. Diese Haut des Roboters besteht aus leitfähigem Schaumstoff und Textilien. Implementierte Sensorzellen, deren Form und Größe je nach Einsatzfall variieren können, detektieren jede Berührung zuverlässig. Ein Sensorcontroller verarbeitet die Messwerte und leitet sie an den Roboter, wahlweise auch Risse riechen an einen Rechner, eine Maschine oder eine Produktionsanlage weiter. Wird sie in Fußböden integriert, erkennt sie jede Person, die sie betritt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg haben das Sensorverfahren 2008 für den mobilen Assistenzroboter LISA entworfen und zum Patent angemeldet. Aufgabe von LISA war es, in Biotechnik-Laboren Brutschränke und Messgeräte mit Probenschälchen zu bestücken und das Laborpersonal von solchen Tätigkeiten zu entlasten. Künftig kann man Beschädigungen an Fahrradhelmen riechen. Denn nur einwandfreie Helme halten im Notfall, was sie versprechen. Daher empfi ehlt es sich, den Kopfschutz nach einiger Zeit auszutauschen. Ein neues Verfahren der Fraunhofer-Institute für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen und für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg sorgt dafür, dass Duftöle ausströmen, wenn die Kunststoffe beschädigt oder stark verformt werden. Verantwortlich für den Geruch sind Duftöle, die in Mikrokapseln verschlossen sind. Die Forscher arbeiten die Kapseln als Zusatzstoff in eine Polypropylenmasse ein, die sie dann im Spritzgussverfahren zum endgültigen Bauteil formen können. Zuvor haben sie über Probandentests die ideale Werkstoffkombination ermittelt und mit Hilfe von numerischen Simulationen die erforderliche Anzahl der Duftkapseln für eine spezifi sche Anwendung errechnet. Das Verfahren eignet sich nicht nur für alle schwer auf Defekte zu testenden Teile wie Fahrrad-, Motorrad- oder Bauhelme. Es lässt sich auch zum Überprüfen von Druckschläuchen wie Waschmaschinenzuleitungen einsetzen, die verdeckt verbaut sind. Geruchssensoren könnten auch Kunststoffrohre für die Wasser- und Gasversorgung auf kritische Defekte hin überwachen, da sie ausströmende Duftstoffe über weite Entfernungen hinweg registrieren. Der beschädigte Helm setzt Duftstoffe frei. Fraunhofer IWM

8 08 - TITELTHEMA weiter.vorn 4.10 Der kleine Greifer wird direkt via Datenmodell und Rechner aus Pulver gefertigt. Volker Steger Aus Pulver gebaut

9 weiter.vorn 4.10 TITELTHEMA - 09 Individuell angepasste Hörgeräte, maßgeschneiderte Zahnkronen oder Knochenimplantate, Bauteile für Autos und Flugzeuge das sind einige der ersten generativ gefertigten Produkte. Sie werden direkt aus den Konstruktionsdaten Schicht für Schicht aus Pulver hergestellt schnell und kostengünstig. Doch noch ist»additive Manufacturing«ein Nischenmarkt. Forscher arbeiten an neuen Materialien und verbesserten Prozessen, um die generative Fertigung für weitere Anwendungen interessant zu machen. Text: Birgit Niesing In der Vitrine ist eine ungewöhnliche Mischung von Gegenständen zu sehen: eine Beinprothese, ein metallener Turbolader, kleine Greifer für Roboter aus Plastik, ein Hüftimplantat aus Titan, ein keramischer Quader, aufgebaut aus einer fi ligranen Gitterstruktur.»So unterschiedlich die Objekte auch sind, eines haben sie gemeinsam«, verrät Dipl.-Ing. Andrzej Grzesiak,»sie wurden alle mit generativen Fertigungsverfahren Schicht für Schicht aus Pulver aufgebaut.«wie das funktioniert, erklärt der Sprecher der Fraunhofer- Allianz Generative Fertigung (s. Kasten S. 11) am Beispiel des Selektiven Laserschmelzens (Selectiv Laser Melting, SLM).»Zunächst wird eine dünne Schicht Pulver aufgetragen. Gemäß den computergenerierten Konstruktionsdaten des geplanten Werkstücks wird das Pulver dann an den vorgegebenen Stellen mit einem starken Laserstrahl zum Schmelzen gebracht«, erläutert Grzesiak das Prinzip. Danach senkt sich die Fertigungsplattform ab, eine neue Lage Pulver wird aufgetragen, wieder selektiv geschmolzen und mit der darunterliegenden Schicht verbunden. So entsteht innerhalb einiger Stunden Schicht für Schicht das Werkstück.»Das Ganze funktioniert im Grunde ähnlich wie ein Drucker, aber in drei Dimensionen«, fasst der Forscher zusammen. Die Bauteile können je nach Ausgangsstoff und Anwendung auch mit Stereolithographie, selektivem Lasersintern oder 3D- Druckern gefertigt werden. Es können zum Teil sogar fl üssige Werkstoffe verarbeitet werden. Die generativen Verfahren haben Forscher vor mehr als 20 Jahren entwickelt, um schnell erste Prototypen (Rapid Prototyping) zu fertigen. Heute nutzen Firmen die Technologie auch um individuelle Einzelstücke oder Kleinserien herzustellen (s. Kasten S. 12). Fertigung der unbegrenzten Formen Bei der generativen Fertigung werden weder spezielle Werkzeuge noch Formen gebraucht. Das spart Zeit und senkt die Herstellungskosten. Zudem fällt kaum Abfall an das überschüssige Pulver kann einfach wiederverwendet werden.»der größte Vorteil ist jedoch, dass die generativen Fertigungsverfahren eine nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheit bieten. Sie ermöglichen die Herstellung beliebig komplexer Geometrien und innerer Strukturen. Damit lassen

10 10 - TITELTHEMA weiter.vorn 4.10 sich Bauteile fertigen, die mit konventionellen Verfahren nicht herzustellen sind«, betont Grzesiak. Sogar komplizierteste Formen mit spiralförmigen Hohlkanälen und Hinterschnitten können in Metall, Kunststoff oder Keramik künftig in einem Stück gefertigt werden. In Zeiten immer kürzer werdender Produktlebenszyklen und zunehmend individualisierter Waren können generative Verfahren Unternehmen helfen, laufend neue innovative Produkte schneller zu entwickeln. Dennoch ist Additive Manufacturing noch ein Nischenmarkt. Der weltweite Jahresumsatz betrug 2008 etwa 1,2 Milliarden US-Dollar. Doch für dieses Jahr gehen die Experten der Beratungsfi rma Wohlers Associates von einem deutlichen Anstieg aus: Laut dem»additive Manufacturing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report«wird das Segment um 13,8 Prozent wachsen. Einen Schub erwarten die Experten von dem ersten bürotauglichen Designjet-3D-Drucker, den Hewlett Packard vor wenigen Monaten auf den Markt gebracht hat. Der Drucker erzeugt robuste Kunststoffmodelle aus den von den 3D-Konstruktionsprogrammen gelieferten Datensätzen. So können Anwender in kürzester Zeit hochpräzise Prototypen direkt in ihrem Büro erstellen. Über Google SketchUp lassen sich zum Beispiel dreidimensionale Modelle von beliebigen Objekten erstellen. Das macht Rapid-Technologien auch für kleine Firmen interessant. Außerdem erleichtern erste Standardisierungen wie die VDI-Richtlinie 3404 und die Defi nition von»additive Manufacturing«den Einsatz generativer Verfahren in der industriellen Fertigung. Doch bis Rapid Manufacturing stärker in der Industrie eingesetzt werden kann, bedarf es noch einiger Forschungs- und Entwicklungsarbeit.»Derzeit sind im Vergleich zur konventionellen umformenden oder spangebenden Produktion für generative Fertigungsverfahren nur wenige qualifi zierte Werkstoffe verfügbar. Fraunhofer-Forscher arbeiten daran weitere Materialien zu entwickeln«, beschreibt Grzesiak einige Arbeitsschwerpunkt der Allianz Generative Fertigung.»Zudem müssen die Prozesse stabil und zuverlässig laufen, nur dann lassen sich Produkte in Serie herstellen.«komplexe Geometrien in Leichtbau In einigen Bereichen sind Rapid-Technologien schon nicht mehr wegzudenken etwa in der Dentaltechnik. Individuelle Produkte wie Zahnersatz oder Gebisse lassen sich mit generativen Verfahren schneller und preisgünstiger fertigen. Eine Laser-Sinter-Anlage stellt täglich mehr als 500 Zahnkronen her, mit traditioneller Gusstechnik schafft ein Zahntechniker gerade zehn. Rapid-Technologien ermöglichen zudem die Fertigung passgenauer Hörgeräte auf Knopfdruck. Dazu wird einfach mit einem 3D-Scanner der äußere Gehörgang vermessen und als Datenmodell in einen Rechner eingegeben. Am Computer lässt sich das virtuelle Gehäuse nach mechanischen und akustischen Tests optimieren. Danach wird es mittels Lasersintern oder Stereolithographie gefertigt. Heute werden weltweit bereits mehr als 40 Prozent aller Hörgeräteschalen generativ hergestellt. Mit der Technik lassen sich aber auch Konsumgüter in kleinen Stückzahlen herstellen. Es gibt schon erste lasergesinterte Möbel, Lampen und Accessoires auf dem Markt. Zu den Unternehmen, die generative Fertigungstechnologie erfolgreich einsetzen, gehört die Festo AG in Esslingen bei Stuttgart. Die Firma hat zum Beispiel einen bionischen Greifer nach dem Vorbild der Fischfl osse entwickelt. Drückt man mit dem Finger leicht gegen die Schwanzfl osse einer Forelle, so knickt diese nicht in Druckrichtung weg, sondern bewegt sich zum Finger hin. Möglich macht das der Flossenstrahleffekt. Der»FinGripper«besteht aus drei Fingern in Form der Fin-Ray-Struktur ähnlich der Schwanzfl osse. Trotz seiner komplexen fi ligranen Struktur lässt er sich kostengünstig mit Selective Laser Sintering herstellen. Der besondere Vorteil: Das Bauteil ist um 90 Prozent leichter als ein herkömmlicher Greifer aus Metall. Biologisches Vorbild eines weiteren Handling-Assistenten, den Ingenieure von Festo gemeinsam mit Forschern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart entwickelt haben, war der Elefantenrüssel. Er ist fl exibel, überträgt hohe Kräfte und ist ein äußerst präzises Greifwerkzeug.»Mit dem Rapid Manufacturing lassen sich sehr schnell komplexe Geometerien in Leichtbauweise realisieren. Es erlaubt die Herstellung individueller, beweglicher Von der Natur abgeschaut für die Natur aufgebaut: Mit dem FinGripper von Festo gelingt es, natürlich gewachsene Früchte, Knollen oder druckempfi ndliche Lebensmittel schnell und sicher zu handhaben. Festo

11 weiter.vorn 4.10 TITELTHEMA - 11 Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung Schnell und kostengünstig Modelle, Prototypen, Werkzeuge und Produkte erzeugen das ermöglicht die»generative Fertigung«. In der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung haben sich zehn Institute zusammengeschlossen, um Anwendungen des»rapid Prototyping«,»Rapid Tooling«und»Rapid Manufacturing«weiterzuentwickeln. Mit dem Einsatz der schichtbildenden Verfahren lassen sich Produktentwicklungszeiten verkürzen, schlanke Prozessketten realisieren und wichtige Ressourcen effi zienter nutzen. Schwerpunkte der Allianz sind Engineering, Werkstoffe, Technologien und Qualität. Aktuelle Forschungsergebnisse stellt die Allianz auf der Messe Euromold (1. bis 4. Dezember 2010 in Frankfurt/Main) in Halle 11, D66/67 aus. Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für: Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Keramische Technologien und Systeme IKTS Lasertechnik ILT Produktionstechnik und Automatisierung IPA Produktionstechnologie IPT Werkstoffmechanik IWM Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Systembauteile aus Polyamid«, sagt der Experte für generative Fertigung Andrzej Grzesiak. Das neuartige Handlingsystem überzeugte die Jury für den deutschen Zukunftspreis. Sie nominierte das Projekt für den Preis des Bundespräsidenten, der Anfang Dezember verliehen wird. Aber auch die Luft- und Raumfahrtindustrie, Automobilhersteller und Zulieferer nutzen generative Fertigung. Boeing setzt zum Beispiel im 787 Dreamliner für eine Reihe von nicht-kritischen Bauteilen Laser-Sinter-Komponenten ein. Additive Techniken ermöglichen es Unternehmen zudem, Ersatzteile für Flugzeuge zu produzieren. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben in dem EU-Projekt FANTASIA gezeigt, dass sich sogar kompliziert geformte Komponenten von Flugzeugtriebwerken kostengünstig mit selektivem Laserschmelzen (SLM) fertigen lassen. Mit SLM und weiteren lasergestützten generativen Verfahren verkürzen sich die Durchlaufzeiten für die Instandsetzung um 40 Prozent und mehr. Bis zu 50 Prozent des notwendigen Materials und mindestens 40 Prozent der Reparaturkosten können zukünftig eingespart werden.»mit generativen Verfahren gelingt es nicht nur, beschädigte Triebwerksteile perfekt zu reparieren, sondern auch komplette Komponenten zu fertigen, die man mit konventionellen Methoden wie Fräsen oder Gießen prinzipiell nicht herstellen kann«, sagt Dr. Konrad Wissenbach vom ILT.»Damit werden auch Geometrien und Designs möglich, von denen man bisher nicht zu träumen wagte.«noch ist das SLM-Verfahren allerdings nicht für jeden Turbinenwerkstoff geeignet. Bisher arbeiten die Forscher mit Inconel 718, einer Nickelbasis- Superlegierung sowie mit Titanlegierungen. Bauteile aus Metall Fraunhofer-Forscher beschäftigen sich damit, weitere Materialien für das Additive Manufacturing zu erschließen. Dass sich auch Aluminium als Werkstoff für generative Verfahren eignet, haben Wissenschaftler des ILT am Beispiel eines Ventils aus AlSi10Mg gezeigt. In Kooperation mit einem Industriepartner konnten die Ingenieure nachweisen, dass sich der Herstellungsprozess für sechs serienidentische Funktionsprototypen von 120 Arbeitstagen bei Druckguss auf sieben Arbeitstage mit dem SLM Verfahren reduzieren lässt. Die generativ gefertigten Ventile verfügen dabei mindestens über die gleichen mechanischen Eigenschaften wie konventionell gefertigte Bauteile. Bei einzelnen Eigenschaften übertreffen sie diese sogar. Primäres Ziel bei der Qualifi zierung eines Werkstoffs für das SLM ist eine Bauteildichte von etwa 100 Prozent ohne Risse oder Bindefehler. Aluminium-Legierungen werden unter anderem in der Automobilindustrie, im Maschinenbau oder in der Flugzeugindustrie genutzt. Bisher werden beim selektiven Laserschmelzen vor allem handelsübliche Pulverwerkstoffe wie Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan-, Aluminium-, Kobalt- und Nickel-Legierungen eingesetzt. Die Verarbeitung von Kupfer- und Kupferlegierungen ist schwer, da der Werkstoff Wärme gut leitet. Forscher

12 12 - TITELTHEMA weiter.vorn 4.10 Rapid Prototyping Additive Manufacturing Die schnelle Herstellung von Musterbauteilen aus digitalen Konstruktionsdaten, das»rapid Prototyping«, wurde Ende der 1980er Jahre in den USA entwickelt. Die Anwendungsgebiete haben sich seither ständig erweitert. Mit den Verfahren lassen sich auch schnell Werkzeuge (Rapid Tooling) und gar Produkte fertigen (Rapid Manufacturing). Heute spricht man vom»additive Manufacturing«(AM) oder auch der»generativen Fertigung«. Verbesserte Materialien und Prozesse erlauben die direkte Herstellung von Produkten als Einzelstück oder in Kleinserien. In innovationsstarken Industriezweigen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Automobilzulieferindustrie, der Medizintechnik sowie in der Elektround Elektronikbranche gehören die Verfahren heute zum Alltag. Die Generative Fertigung senkt die Produktentwicklungszeit und spart Kosten. des ILT haben ein Lasersystem mit 1000 Watt Leistung in eine bestehende SLM-Anlage integriert, so ist es erstmals möglich, Bauteile aus verschiedenen Kupferlegierungen mit einer Dichte von 99,9 Prozent generativ zu fertigen. Außerdem arbeiten die Forscher daran auch keramische Werkstoffe einzusetzen. Eine aktuelle Weiterentwicklung des Verfahrens am ILT ermöglicht jetzt die Herstellung von Objekten aus hochfester Zirkonoxid (ZrO 2 )-/-Aluminiumoxid (Al 2 O 3 )-Keramik. Dank Rapid Manufacturing lassen sich sogar in metallische Komponenten Funkchips integrieren. Das Verfahren haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen entwickelt. In nur einem Arbeitsprozess werden die»intelligenten«metallbauteile mit RFID-Chips ausgestattet. Dabei wird das dreidimensionale CAD-Modell aus dem Computer direkt von einer Maschine Schicht für Schicht als Prototyp aufgebaut. Diesen Prozess können die Fraunhofer-Wissenschaftler so steuern, dass der eingebaute RFID-Chip völlig vom Material umschlossen ist. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz fertigen mit generativen Verfahren Umformwerkzeuge. Wie sich die Technologie einsetzen lässt, zeigen sie am Beispiel eines Schmiedegesenks. Von der dreidimensionalen CAD-Werkzeugkonstruktion über die Prozesssimulation, dem Laserschmelzen der Gesenkeinsätze bis hin zum Schmieden ist die generative Prozesskette genutzt worden, um unter produktionsähnlichen Bedingungen Vorteile und Besonderheiten gegenüber der konventionellen Werkzeugfertigung zu erforschen. Die generative Fertigung erobert sich ständig neue Anwendungsgebiete. In der Medizintechnik bereitet das Selective Laser Melting den Weg für eine neue Generation medizinischer Implantate. Der große Vorteil: Die Implantate lassen sich individuell anpassen und mit poröser Struktur fertigen. Forschern des ILT ist es gelungen, gemeinsam mit ihren Kollegen vom Lehrstuhl für Lasertechnik LLT an der RWTH Aachen SLM für die Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung TiAl6V4 zu qualifi zieren und in dem Projekt»Elastobone«maßgeschneiderte Implantate zu fertigen. Als Vorlage dienen CAD- Modelle, etwa aus den Daten einer Computer-Tomographie. Mit dem neuen Verfahren haben die Forscher ein künstliches Hüftgelenk herstellt wurde dieses Individualimplantat erstmals eingesetzt. Ersatzknochen aus der Laserschmelze Die Forscher des ILT arbeiten bereits an der nächsten Generation künstlicher Knochen an resorbierbaren Implantaten. Die abbaubaren künstlichen Knochen regen die Regeneration des Körpers an. Die Besonderheit: In Abständen von wenigen hundert Mikrometern durchziehen feine Kanäle das Implantat. Die Porenkanäle schaffen eine Gitterstruktur, in die der angrenzende Knochen hineinwachsen kann. Dieser Aufbau wird durch das selektive Laserschmelzen möglich.»das Grundgerüst der Ersatzknochen besteht aus dem Kunst- Mittels»Selective Laser Melting (SLM)«können metallische Bauteile mit beliebig komplexen Geometrien realisiert werden. Fraunhofer ILT

13 weiter.vorn 4.10 TITELTHEMA - 13 stoff Polylactid, kurz PLA. Darin eingelagerte Körnchen aus Tricalciumphosphat (TCP) sorgen für Festigkeit und regen den natürlichen Knochenheilungsprozess an«, sagt Simon Höges, Projektleiter am ILT. Das Material lässt sich allerdings nur dort einsetzen, wo es nicht zu stark belastet wird: So sollen die»resobone«-implantate vor allem fehlende Gesichts-, Kieferund Schädelknochen ersetzen. Sie können derzeit bis zu 25 Quadratzentimeter große Lücken schließen. Als Vorlage für die passgenaue Fertigung der Implantate dienen Computer-Tomographien des Patienten. Die Arbeitsabläufe von den CT-Aufnahmen über die Konstruktion des Implantats bis hin zu seiner Fertigung sind so aufeinander abgestimmt, dass sich Ersatz für ein defektes Jochbein in wenigen Stunden und ein fünf Zentimeter großes Schädelstück über Nacht herstellen lassen. Die resorbierbaren Implantate entstanden im Projekt»Resobone«des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Mit generativen Technologien lassen sich auch Prothesen fertigen. Ingenieure des Fraunhofer IPA haben gemeinsam mit der Firma Gottinger GmbH eine neuartige Beinprothese entwickelt. An Stelle der aufwändigen Anprobe am Patienten werden die erforderlichen Daten und individuellen Maße direkt am Computer generiert und anschließend in die Konstruktion integriert. Besonderes Augenmerk wurde auf das Design gelegt:»wir wollen den Amputierten neue Möglichkeiten bieten, trotz ihrer Beeinträchtigung den Alltag zu meistern, indem sich die Prothese nicht nur funktional, sondern auch gestalterisch an den Lebensstil des Betroffenen anpasst«, erläutert Grzesiak. Erste Patienten testen bereits die Beinprothese. Der neuartige Gliedersatz ist derzeit auch in der Ausstellung»Working Prototypes«im DHuB-Museum in Barcelona zu sehen. Großes Potenzial sieht der Sprecher der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung in weiteren Branchen in der Mikrosystemtechnik und Biomedizin. Ein Beispiel: Peptid-Arrays ein Werkzeug, um neue medizinische Wirkstoffe, Impfstoffe, Diagnose- oder Therapieverfahren zu entwickeln lassen sich mit generativen Verfahren kostengünstig herstellen. Ein Team aus Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg und des IPA hat dazu eine Art Drucker für Biochips entwickelt. Gedruckt wird auf Glas. Die 20 unterschiedlichen Aminosäuren, aus denen Eiweiße aufgebaut sind, werden aus 20 Tonern gedruckt. Schicht für Schicht werden die Aminsäuren aufgetragen und zu Peptiden verkettet. Dank der generativen Fertigung lassen sich die Kosten um mindestens den Faktor 100 senken. Die fertigen Arrays können zu einem Preis von wenigen Cent pro Peptid angeboten werden. Fraunhofer-Forscher planen aber schon weiter. Sie wollen künftig sogar Venen, Haut oder gar ganze Organe drucken.»aber das ist noch Zukunftsmusik«, betont Grzesiak. online ab 23. September 2010 Schicht für Schicht aufgebaut: Teilnachbildung eines menschlichen Kieferknochens (Bild links). RFID- Chips sind in Metallteilen vollständig eingebaut (Bild rechts). Fraunhofer IFAM

14 14 - INFORMATIONSTECHNOLOGIE weiter.vorn 4.10 Esperanto für medizinische Daten Forscher arbeiten am sicheren Austausch von medizinischen Informationen in Europa. Text: Frank Grotelüschen dpa Spanien: ein kleines, idyllisches Dorf weit abseits der großen Touristenmeilen. Am Morgen verspürt der Feriengast einen dumpfen Schmerz im Bauch. Nur ein harmloses Grimmen, verursacht durch das ungewohnte Essen? Oder ist es etwas Ernstes, eine Infektion oder gar ein Geschwür? Der Reisende ist besorgt und möchte lieber einen Arzt konsultieren. Nur: Seine Spanischkenntnisse reichen gerade mal, um sich in der Tapas-Bar etwas Essbares und ein kühles Bier zu bestellen. Zwar scheint der Doktor, den er aufsucht, freundlich und kompetent, aber er spricht nicht Deutsch. Bleibt die Zeichensprache eine höchst unvollkommene Art der Anamnese. Doch dann tippt der Arzt ein paar Befehle in seinen PC. Kurze Zeit später tauchen auf dem Bildschirm die wichtigsten medizinischen Daten des Touristen auf: Vorerkrankungen, Allergien, Unverträglichkeiten, regelmäßig einzunehmende Medikamente. Rasch kann sich der Doktor ein Bild über seinen deutschen Patienten machen. Das erleichtert die Diagnose: Nein, Señor, wahrscheinlich ist es nichts Ernstes. Ein paar Magentropfen, dann dürfte es Ihnen bald wieder besser gehen. Noch ist dieses Szenario eine Vision. Denn heute stochert ein Arzt nicht selten im Nebel, wenn er einen ausländischen Patienten vor sich hat, womöglich sogar als Notfall. Im Extremfall könnte es passieren, dass der Doktor, weil er es nicht besser weiß, ein Medikament verabreicht, auf das der Patient allergisch reagiert. Auch außerhalb der Urlaubssaison reisen immer mehr Menschen berufl ich oder privat zwischen verschiedenen Ländern. Ein Beispiel: Ein Ingenieur, der in Aachen lebt und in Maastricht arbeitet, muss sich sicher sein können, bei einem medizinischen Notfall sowohl in Deutschland als auch in den Niederlanden optimal versorgt zu werden. Erst im Juni dieses Jahres haben sich die EU-Gesundheitsminister auf vereinfachte Regelungen für Arztbesuche im EU-Ausland verständigt und wollen, dass Patienten künftig ambulante Behandlungen im Ausland ohne vorherige Genehmigung durch die Krankenkasse beanspruchen können. Hierbei würde der unkomplizierte Zugriff auf die wichtigsten medizinischen Daten auch ausländischer Patienten würde die Behandlungen im Ausland erheblich vereinfachen. Um dies in die Praxis zu umzusetzen, braucht es aber bestimmte technische Voraussetzungen. Genau hierum kümmert sich ein EU-Projekt namens»epsos«(smart Open Services for European Patients), an dem auch das Fraunhofer-Institut für Software- und Systemtechnik ISST beteiligt ist.»die Herausforderung liegt darin, die Patientendaten aus einem Land zuverlässig und sicher in anderen Staaten nutzbar zu machen«, sagt Jörg Caumanns, Leiter der Abteilung Sichere Business-IT-Infrastrukturen am ISST in Berlin. Wichtige Patienteninformationen werden übertragen»es geht nicht darum, komplette Patientenakten via Internet von einem Staat zum anderen zu schicken und deren gesamten Inhalt zu übersetzen, etwa vom Deutschen ins Spanische«, erläutert Caumanns die Aufgabenstellung. Stattdessen sollen lediglich bestimmte Basisdaten übertragen werden, in denen die wichtigsten Patienteninformationen in Form von Zahlencodes zusammengefasst sind.»es steht also nicht in Worten, dass der Patient mal eine Blinddarm-OP hatte«, erklärt Caumanns.»Die Informationen sind vielmehr in einen Zahlencode gefasst.«dieser nur in Deutschland gültige Code muss dann in jene Zahlenfolge übersetzt werden, die in Spanien für die Blinddarmoperation steht. Zwar verwenden heute praktisch alle EU-Länder solche Zahlencodes in ihren Gesundheitssystemen. Allerdings gelten in jedem Staat andere Codes, zudem unterscheiden sich die Datensätze in ihrer Struktur. Im epsos-projekt musste daher eine Methode entwickelt werden, mit

15 weiter.vorn 4.10 INFORMATIONSTECHNOLOGIE - 15 der sich die Datensätze harmonisieren und die verschiedenen Codes übersetzen lassen. Dazu haben die Experten ein europäisches Code-Schema entworfen, quasi ein»daten-esperanto«. Die Idee: Jedes Land stellt seine Patienteninfos im Esperanto-Format zur Verfügung. Mediziner aus anderen EU-Staaten können diese Dateien dann bei Bedarf abrufen. Eine Software übersetzt das Esperanto automatisch ins landestypische Format. Konkret soll dabei jedes EU-Land einen»national Contact Point«einrichten. Diese fungieren als Brücken, über die die Gesundheitsdaten exklusiv fl ießen werden und zwar verschlüsselt. Das soll der Datenschutz garantieren. Um zu verhindern, dass Unbefugte an die sensiblen Patienteninformationen gelangen, wird sich ein Mediziner, der die Daten einsehen will, durch einen elektronischen Arztausweis authentifi zieren müssen. Gleichzeitig muss auch der Patient ausdrücklich sein Einverständnis zum paneuropäischen Datentransfer erklären. Zur Sicherheit trägt ebenfalls bei, dass die Informationen in den bereits existierenden nationalen IT-Systemen verbleiben, statt zentral in einer Datenbank gespeichert zu werden.»damit wird ausgeschlossen, dass sich jemand Patientendaten in großem Maßstab besorgen kann«, sagt Jörg Caumanns. Pilotprojekte starten im kommenden Jahr Die technischen Spezifikationen darüber, wie die Sicherheitsregularien aussehen und die Datensätze übertragen werden, sind mittlerweile fertig. Nun arbeiten die Fraunhofer-Wissenschaftler gemeinsam mit ihren Projektkollegen daran, das Ganze als»open-source«-software zu programmieren. Auf deren Basis kann dann jedes interessierte EU-Land seine eigene, spezifische Lösung weiterentwickeln. Anfang 2011 sollen die ersten Pilotprojekte starten. Zunächst wird der sichere länderübergreifende Austausch von Patienteninformationen mit Testdaten erprobt. Momentan nehmen zwölf Länder der Europäischen Union an dem Projekt»epSOS«teil.»Bereits jetzt ist geplant, das System auf weitere EU-Länder auszudehnen«, berichtet Caumanns. Wann aber das neue System fl ächendeckend in Europa zum Einsatz kommen könnte, wird die Politik entscheiden müssen. In Deutschland soll das System übrigens mit der Einführung der elektronischen Gesundheitskarte verknüpft werden, die derzeit in der Bundesrepublik getestet wird. Die epsos-experten arbeiten derzeit noch an einer weiteren Anwendung dem»elektronischen Rezept«. Damit können sich Patienten, die auf bestimmte Medikamente angewiesen sind, die Arzneien auch im Urlaub oder auf Dienstreisen besorgen, ohne dafür im Ausland extra einen Arzt aufzusuchen. Sie lassen sich stattdessen in Deutschland das Rezept ausstellen, um es später in einer Apotheke im europäischen Ausland elektronisch einzulösen. online ab 7. Oktober Weltleitmesse Neue Messe München November 2010 Online registrieren + Vorteile sichern: e heut konzentrieren wir uns auf morgen. Automotive Elektromobilität Displays / e-signage Embedded Systeme / Software Medical / MEMS Photovoltaik Zeit für Elektronik. Zeit für Zukunft. Die entscheidenden Themen, Trends und Technologien. Die neuesten Komponenten, Systeme und Anwendungen. Besuchen Sie die electronica 2010, die Weltleitmesse, die bereits heute zeigt, was morgen zählt und so starke Impulse für echtes Wachstum gibt. Parallelveranstaltung: hybridica. Messe für hybride Bauteilefertigung. electronica 2010 components systems applications get the whole picture

16 16 - INFORMATIONSTECHNOLOGIE weiter.vorn 4.10 Spielend musizieren Blockflöte, Gitarre, Klavier oder Geige viele Kinder und Jugendliche lernen diese klassischen Instrumente. Note für Note vom Blatt lesen und dann den richtigen Griff, die richtige Taste oder Saite anschlagen: Damit das gelingt, ist viel Übung gefordert. Mit der Software Songs2See wird das Lernen einfacher und unterhaltsamer. Text: Beate Koch Mit der Software Songs2See wird das Lernen von Musikinstrumenten einfacher und unterhaltsamer. Fraunhofer Im digitalen Zeitalter lernen Kinder die Welt der Töne und Rhythmen oft nicht mehr über ein Instrument kennen, sondern mit dem Computer auf Wii oder XBox laufen Programme wie Singstar, Guitar Hero oder Rock Band. Anstatt eines echten Instruments halten die Kinder einen Game Controller in Händen, der auch schon mal wie eine Gitarre aussieht, aber Knöpfe statt Saiten hat, die der Spieler treffen muss.»unser Ziel ist es, Menschen, die ein Instrument erlernen wollen, noch mehr Freude und Abwechslung zu bieten, mit Elementen, die sie vielleicht schon von Computerspielen kennen. Das motiviert und schult sowohl das musikalische Wissen als auch die motorischen Fähigkeiten«, sagt Christian Dittmar vom Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau. Der Clou bei Songs2See: Lieblingslieder sind mit wenigen Mausklicks in Übungsstücke verwandelt und lassen sich im Nu als individuelle Übungsmappe zusammenstellen. Wie das funktioniert, erklärt Christian Dittmar:»Als erstes wählt der Übende den Song aus seiner CD oder MP3-Sammlung aus und spielt ihn in die Software ein. Das ist rechtlich kein Problem, da er das Lied ja gekauft hat und es nur für private Zwecke verwendet. In diesem Fall hört er die Musik jedoch nicht einfach an, sondern nutzt sie, um zu musizieren.«auf Klick können Spielerin oder Spieler auswählen, mit welchem Instrument sie musizieren das Angebot des aktuellen Prototypen umfasst Blockfl öte, Glockenspiel und Melodika. Später werden auch Klavier, Gitarre, Trompete, Saxophon oder Schlagzeug unterstützt. Beim nächsten Klick stellt die Software die Audiodatei in drei unterschiedlichen Arten dar. Zum einen als Notenblatt, zum zweiten zeigt sie dem Spieler oder der Spielerin, welche Griffe oder Anschläge am Instrument in welcher Reihenfolge gemacht werden müssen. Schließlich gibt es noch eine intuitive Darstellung ähnlich wie bei den Musikspielen für den Computer, die mit Hilfe von Balken die Dauer und die Höhe der jeweiligen Töne anzeigt. Jetzt ist alles so weit, dass der Lernende zum Instrument greifen und mit dem Lied üben kann. Dabei nimmt ein Mikrophon bei den meisten Computern ist das integriert das Gespielte auf. Die Software zeigt dem Spieler, an welcher Stelle der Partitur er gerade ist. Zudem bewertet Songs2See, ob die Töne getroffen oder der Rhythmus gehalten werden. Damit es mit dem Üben nicht zu schwierig wird, lassen sich Tonlage und Tempo nach Wunsch verändern und somit individuell abgestimmte Übungen bezüglich Schwierigkeitsgrad, Tonart oder Musikstil zusammenstellen.»was wir machen, nennt sich automatische Musiktranskription«, so Dittmar.»Damit das im Hintergrund abläuft, mussten wir der Software beibringen, sicher die Töne unterschiedlichster Instrumente zu erkennen und sich nicht durch die Begleitmusik durcheinander bringen zu lassen.«lernsoftware auch für den Musikunterricht in Schulen Interessant ist die Software für Anbieter von Lernsoftware für Musik, aber auch für Musikverlage, die ihr Notenmaterial dadurch interaktiv aufbereiten können. Auch für den Musikunterricht an Schulen wäre die Software geeignet, was Partner in Norwegen bereits testen. Das Projekt wird vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie durch den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung gefördert. Auf diese Weise unterstützen der Freistaat Thüringen und die Europäische Union die internationale Kooperation zwischen dem IDMT, den Thüringer Unternehmen KIDS Interactive GmbH sowie Sweets for Brains GmbH und den europäischen Partnern Universität Stord/Haugesund, Grieg Music Education und Technische Universität Tampere.

17 weiter.vorn 4.10 KOMPAKT - 17 Mehr erkennen Ansprechpartner: Dirk Weiler, Aufnahme von einer Infrarotkamera, die mit einem temperaturabhängigen Detektor ausgestattet ist. Fraunhofer IMS Leuchten schützt vor Plagiaten Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Andreas Holländer, Von Produktpiraterie sind nicht nur Konsumgüter wie Uhren oder Markenkleidung betroffen. Auch die produzierende Industrie hat mit gefälschten oder qualitativ minderwertigen Materialien zu kämpfen. Spezielle Sicherheitsmerkmale wie Wasserzeichen, Barcodes, RFID-Tags und Hologramme schützen vor Fälschung, Diebstahl und Manipulation. Ein Forscherteam aus vier Fraunhofer-Instituten hat nun ein neuartiges Verfahren entwickelt, das besonders fälschungssicher ist: Sie setzen dem gesamten Material verschiedene fl uoreszierende Farbstoffe zu. Auf diese Weise entsteht eine individuelle Kennzeichnung. Dank der geringen Dosierung ist es praktisch unmöglich, Art und Menge der Farbstoffzusätze zu entschlüsseln: Bereits Farbstoffkonzentrationen von wenigen ppb (parts per billion) genügen, um das Material zu markieren. Ein weiterer Vorteil: Der Plagiatschutz kann nicht entfernt werden, denn der Farbstoff ist im gesamten Material des Bauteils verteilt. Das Verfahren ist auch für die Qualitätssicherung effektiv, etwa bei Beschichtungen: Mit Hilfe verschiedener Farbstoffe lassen sich während des Produktionsprozesses sowohl die chemische Zusammensetzung und der Trocknungsgrad als auch die Dicke der Schicht automatisch kontrollieren. Erste Praxistests hat die neue Technik bereits bestanden. Infrarotkameras sehen mehr als das bloße Auge und können beispielsweise den Straßenverkehr sicherer machen. Sie erkennen Objekte, die ungefähr Körpertemperatur haben, denn diese leuchten im fernen infraroten Wellenlängenbereich von zehn Mikrometern von sich aus. Detektoren in der Kamera nehmen diese Wärmestrahlung auf und orten so die Wärmequelle. Jedoch muss der Sensor in der Kamera ständig gekühlt werden, was aufwändig und kostspielig ist. Forschern aus dem Fraunhofer- Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg ist es gelungen, einen bildgebenden Sensor für den fernen Infrarotbereich herzustellen, der bei Raumtemperatur funktioniert. Herzstück des IRFPA-Sensors (Infrared Focal Plane Array) ist ein Mikrobolometer ein temperaturabhängiger Detektor, der langwelliges Infrarotlicht absorbiert. Um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen, sind mehrere Mikrobolometer auf einem Array zusammengefasst. Nimmt nun der Mikrobolometer Licht von einer Wärmequelle auf, führt das zu einem Temperaturanstieg in seinem Inneren und ändert seinen elektrischen Widerstand. Ein Auslesechip wandelt diesen Widerstandswert dann direkt in ein digitales Signal um. Da Kühlung nicht mehr nötig ist, eröffnen sich noch weitere Anwendungsfelder zum Beispiel für den Brandschutz. Hier könnten mobile Infrarotkameras versteckte Glutnester aufzuspüren oder Personen im Rauch erkennen. Tumore schneller aufspüren Ansprechpartner: Dr.-Ing Michael Scholles, Um Krebs zuverlässig zu diagnostizieren, führen Ärzte meist eine Biopsie inklusive Gewebeuntersuchung durch. Ein mikroskopisches System zur Bilderfassung, montiert in ein Endoskop, soll sich künftig für die In-vivo-Krebsdiagnose einsetzen lassen. Tumore könnten so einfacher entdeckt und behandelt werden. Ermöglichen soll dies ein neu entwickelter Mikroskopkopf, der einen Durchmesser von nur acht Millimetern hat. Er kann Gewebezellen mit einer Größe von nur 10 bis 20 Mikrometern optisch aufl ösen und darstellen. Die Vision der Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden: Der MEMSbasierte Mikroskopkopf, kurz für Micro Electro Mechanical Systems, soll Biopsien aus medizinischer Sicht überfl üssig machen. Die Forscher haben die Optik mit einem Mikroscanner-Spiegel kombiniert. Künftig soll der Mikroskopkopf in größeren Stückzahlen automatisiert herstellbar sein und sich dann in Endoskope einbauen lassen. Auch in der technischen Endoskopie könnte das Verfahren eingesetzt werden etwa zum Darstellen von Hohlräumen in Gebäuden oder um sich einen Einblick über das Innenleben von Motoren und Turbinen zu verschaffen. Die Sendefaser leitet das Laserlicht an den Mikroscanner-Spiegel weiter. Beide werden in die Endoskopspitze montiert. Fraunhofer IPMS

18 18 - INFORMATIONSTECHNOLOGIE weiter.vorn D mit ohne Filme in 3D sind angesagt. Nach dem Kino soll die räumliche Darstellung nun auch das Wohnzimmer erobern. Fraunhofer-Forscher zeigen, wie 3D-Fernsehen ohne Brille möglich ist. Text: Beate Koch 3D-Filme sind im Kino der Renner und auch im heimischen Wohnzimmer auf dem Vormarsch. Aber ob im Lichtspielhaus oder zuhause der Betrachter benötigt eine Shutter- oder Polarisationsbrille, um den dreidimensionalen Effekt in der Fachsprache stereoskopisch sehen zu können. Anders bei den Entwicklungen des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI aus Berlin. Dort beschäftigen sich Entwickler seit einigen Jahren damit, eine Vision wahr werden zu lassen: 3D ohne Brille. Gelungen ist ihnen das mit einem Display, das sie»free2c_digital«nennen.»3d-darstellung folgt immer demselben Prinzip«, erklärt René de la Barré vom HHI.»Es werden zwei Bilder sichtbar gemacht, eines für das linke und eines für das rechte Auge. Eine geschickt gewählte Barriere sorgt dafür, dass nur die passenden Bildinhalte zum jeweiligen Auge gelangen. Damit das funktioniert, müsste der Betrachter seinen Kopf beim Zuschauen absolut ruhig halten. Das macht niemandem Spaß. Deswegen haben wir das 3D-Display mit einer zusätzlichen Technologie gekoppelt, mit einem elektronischen Head-Tracking. Eine Kamera sieht den Kopf und erkennt die genaue Position der Augen. Diese Information wird zur Aktualisierung des Bildinhalts verwendet. Jede Bewegung des Kopfs sowie der Augen wird erfasst und das Display nachgesteuert. Der Zuschauer sieht immer das ideale 3D-Bild, ohne sich eine zusätzliche Brille aufsetzen zu müssen.»ein Verfahren wie das unsere, das ohne Brille auskommt, wird auch als autostereoskopisch bezeichnet«, erklärt de la Barré. Auf der Internationalen Funkausstellung (IFA) in Berlin zeigen er und sein Team eine weitere Neuheit: Ein multimodales Display, bei dem der Zuschauer zwischen verschiedenen Darstellungsformen umschalten kann. Es gibt den Multiview- Mode, bei dem mehrere Ansichten einer Szene gleichzeitig abgestrahlt werden. So ist es möglich, dass mehrere Personen in 3D sehen können. Automatisch oder auf Knopfdruck kann man auf Single-UserModi wechseln, die jeweils nur zwei Bildansichten benötigen und einen intensiveren Tiefen-

19 weiter.vorn 4.10 INFORMATIONSTECHNOLOGIE - 19 Bei Multiview-Mode werden mehrere Ansichten einer Szene gleichzeitig abgestrahlt. So ist es möglich, dass mehrere Personen 3D sehen können. Ansgar Pudenz/alphadog eindruck vermitteln.»unsere Displaytechnologie ist so konzipiert, dass sich das gerade aufkommende 3D-Fernsehen ohne Brille betrachten lässt«, erklärt de la Barré.»Das löst auch ein gegenwärtiges Problem. Denn auf Multiview-Displays ist die 3D-Fernsehwiedergabe derzeit nicht möglich.«augenverfolgung sorgt für optimale 3D-Sicht bei Mehransichten-Displays Der Grund: In den 3D-Fernsehsignalen fehlen die dafür notwendigen zusätzlichen Tiefeninformationen. Sie werden im heutigen 3D-Fernsehaufnahme-Verfahren noch nicht erfasst. Das Fehlen dieser Informationen umgeht die Lösung aus dem HHI. Sie nutzt nur die zwei ausgestrahlten Ansichten je ein Links- und Rechtsbild und passt sich dynamisch der Augenposition eines oder mehrerer Betrachter an.»wir haben ein Verfahren gefunden, das es uns künftig ermöglichen wird, diese zwei Ansichten auch für zwei bis drei Betrachter umzusetzen anstatt mit einer, arbeiten wir dabei mit mehreren Kameras, die in das Display integriert sind. Mit ihnen tracken wir die Augen, um so die Bilder für die verschiedenen Zuschauer optimal auszurichten«, erläutert de la Barré. Die Herausforderung bei dieser autostereoskopischen Lösung ist, Mehransichten-Displays mit der Augenverfolgung zu koppeln und die Bildinhalte jeweils individuell in Echtzeit und ohne Verzerrungen wiederzugeben. Ein vom HHI patentiertes Verfahren verschiebt die Bildinhalte elektronisch auf dem Display passend zu den X-Y-Z-Positionen der Augen. Das geschieht nahezu ohne Zeitverzögerung. So wird es möglich, die 3D-Darstellung kontinuierlich an die Betrachterposition in alle Richtungen anzupassen. Zusätzlich kann zwischen der Ausgabe von zwei oder mehreren Ansichten (Views) hinund hergeschaltet werden, um auf die aktuelle Anzahl der Betrachter zu reagieren. Besucher der IFA konnten einen ersten Prototypen des multimodalen Displays selbst in Augenschein nehmen.

20 20 - INFORMATIONSTECHNOLOGIE weiter.vorn 4.10 Die Stadt, die mitdenkt Moderne Informationstechnologien sollen Verkehr, Umweltschutz und Verwaltung verbessern und Kosten senken. Viele Menschen zieht es zurück in die Städte. Gemeinsam mit Politik und Wirtschaft arbeiten Fraunhofer-Forscher an der Stadt der Zukunft. Text: Stefanie Heyduck Smart-City-Projekte von Fraunhofer An den Städten der Zukunft forschen Wissenschaftler vieler Fraunhofer-Institute, damit Bürgerinnen und Bürger sicher, gesund, mobil, energieeffi zient und unbürokratisch leben können. Die Modellstadt für Energieeffi zienz entsteht in der Nähe von Abu Dhabi, der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate und umweltfreundlichsten Stadt der Welt. Masdar City wird ausschließlich mit regenerativen Energien versorgt. Beteiligt sind Forscher aus aller Welt unter anderem die der Fraunhofer-Institute für Solare Energiesysteme ISE, für Bauphysik IBP und für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO.

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