Vorwort und Danksagung

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2 Das diesem Bericht zugrundeliegende STRATCLU-Teilvorhaben Strategieentwicklung (strategische Lernschleife) wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, und Forschung unter den Förderkennzeichen 16SV5205K (SEZ), 16SV5206 (FESTO) und 16SV5207 (MST BW) gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Berichts liegt bei den Autoren, die im Impressum genannt werden. Relevante Ergebnisse nach Projektende von STRATCLU wurden von MST BW in Kapitel 6 von MST BW ergänzt. Diese Ergänzungen beziehen sich insbesondere auf die Fachgruppen und die ersten Ergebnisse zur Verbesserung struktureller Clusterprozesse aus dem laufenden BMBF-Förderprojekt Pro Excellence. STRATCLU Konsortium Projektkoordinator: Projektpartner: Roadmap MicroTEC Südwest 2020+

3 Vorwort und Danksagung Im Rahmen der Spitzenclusterförderung wurde in MicroTEC Südwest im Projekt STRATCLU ein partizipativer Strategieprozess entwickelt und durchgeführt. Unser Dank geht dabei an unsere Projektpartner des Steinbeis-Europa-Zentrum (SEZ) und der Festo AG & Co. KG für deren Unterstützung im Projekt. Insbesondere dem SEZ möchten wir dabei für seine federführende Rolle in der Umsetzung des Strategieprozesses und bei der Erstellung des Abschlussberichts danken. Die vorliegende Veröffentlichung basiert auf den Inhalten dieses Abschlussberichts, die von MST BW inhaltlich ergänzt wurden. Auch die Dialogik ggmbh, Prognos AG und EBS Business School haben zur erfolgreichen Umsetzung der Cluster- Strategieprozesse beigetragen. Weiter möchten wir den zahlreichen Vertretern von Firmen, Forschungsorganisationen und Institutionen danken, die sich an unseren Workshops beteiligt haben. Ohne deren Input wäre es nicht möglich gewesen eine Cluster- Roadmap mit einer so soliden Basis zu erarbeiten. Die Konkretisierung und die Unterstützung bei der Umsetzung der Cluster-Roadmap stellt eine große Herausforderung dar, bei der dem Clustermanagement eine Schlüsselrolle zufällt. Ein erster Schritt wurde im Jahr 2013 mit der Etablierung von sieben Fachgruppen bereits getan. Die große Teilnehmeranzahl in den Fachgruppen spiegelt dabei das Interesse der Clusterakteure wieder, den Cluster nachhaltig weiterzuentwickeln. Christoph Schmierer, Mikrosystemtechnik Baden-Württemberg e.v. Roadmap MicroTEC Südwest 2020+

4 Inhaltsverzeichnis Executive Summary STRATCLU-Strategieprozesse für MicroTEC Südwest ein Überblick Roadmap für MicroTEC Südwest im Überblick Inhaltliche Einführung Beschreibung der Ausgangssituation Ziele, Ausrichtung und Handlungsschwerpunkte bis Roadmap für MicroTEC Südwest im Detail: 3. Gesamtwirtschaftliche Bedeutung von MicroTEC Südwest Intelligente Lösungen für den Menschen in strategischen Märkten Smart Production: intelligente, vernetzte & ressourceneffiziente Produktion Smart Health: intelligente, individuelle & kostengünstige Gesundheitslösungen Smart Transport & Smart Buildings als weitere wichtige Anwendungsbereiche FuE-Schwerpunkte zur Realisierung intelligenter Lösungen Funktionale Systeme (Mensch-Technik-Umwelt-Schnittstellen) Vernetzte Systeme (Systems of Systems) Autarke Systeme (Mikroenergie aus der Umgebung) Nachhaltige Systeme (Cradle 2 Cradle) Systeme günstig & kundenspezifisch hergestellt & integriert (Prosumer 2.0) (Innovations-) Prozesse in MicroTEC Südwest Rückblick und Ausblick Ressourcen in MicroTEC Südwest Abkürzungen und verwendete (Projekt)-Akronyme Referenzen Roadmap MicroTEC Südwest 2020+

5 Executive Summary MicroTEC Südwest, als einer der Gewinner des Spitzencluster-Wettbewerbs im Rahmen der Hightech- Strategie 2020 für Deutschland, wird von 2010 bis 2015 von der Bundesregierung mit bis zu 40 Mio. Euro und von der Landesregierung Baden-Württemberg mit 5 Mio. Euro bei der Umsetzung seiner Vorhaben unterstützt. 1 In diesem Rahmen wurde das Projekt STRATCLU zur strategischen Weiterentwicklung von MicroTEC Südwest und zur nachhaltigen Sicherung der internationalen Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit von intelligenten Mikrosystemtechnik (MST) -basierten Lösungen aus (Südwest-) Deutschland durchgeführt. Ein innovativer, durchgehend partizipativer Strategieansatz wurde entwickelt und entsprechende Prozesse sowohl für den Cluster als auch für priorisierte Zukunftsfelder erstmalig umgesetzt (vgl. Kap. 1 für einen Überblick). Mit den im Dialog mit über 130 Akteuren erarbeiteten Ergebnissen stehen Clustermanagement und Clusterakteuren Leitlinien und Handlungsoptionen zur Verfügung für die Erreichung ihrer im Spitzenclusterantrag formulierten Ziele: MicroTEC Südwest soll sich bis 2020 etablieren als weltweit führender Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandort für intelligente Produkte, führendes Kreativ-, Innovations- und Gründerzentrum im Bereich der MST, sowie als attraktiver Standort für kreative Köpfe, Unternehmen und Investoren. Der vorliegende Bericht hat die Ergebniszusammenfassung aus der abschließenden, primär marktund technologieorientierten Roadmapping-Phase des Cluster-Strategieprozesses zum Schwerpunkt. In der Clusterroadmap MicroTEC Südwest werden die Ergebnisse in den Dimensionen Markt & Kunden sowie (Technologisches) Wissen & Können abgebildet (vgl. Titelbild). Ergänzt werden sie mit Erkenntnissen zu weiteren, innovationsfördernden Themen in den Dimensionen (Innovations-) Prozesse und Ressourcen, die im Laufe der Strategieprozesse gesammelt wurden. Die Handlungsschwerpunkte und Maßnahmen basieren auf den Ergebnissen der vorangehenden Phasen des Cluster-Strategieprozesses zusammengefasst im strategischen Rahmen Agenda für MicroTEC Südwest sowie der zukunftsfeldbezogenen Strategieprozesse. Die Analyse der Ausgangssituation im Jahr 2010 zeigt, dass MicroTEC Südwest eine einzigartige Konzentration von innovativen Unternehmen, exzellenten Forschungs- und Bildungseinrichtungen sowie ergänzenden Einrichtungen in der Schlüsseltechnologie der MST aufweist und somit das Potential besitzt, sich bis 2020 und darüber hinaus als Zentrum der internationalen mikrosystemrelevanten Wissensproduktion und als weltweit führender Forschungs-, Entwicklungsund Fertigungsstandort für intelligente Produkte bzw. Lösungen in strategischen Zukunftsmärkten zu etablieren (vgl. Kap. 2 für einen Überblick über die Clusterroadmap MicroTEC Südwest 2020+). Kapitel 3 bis 7 beschreiben die in den einzelnen Dimensionen der Clusterroadmap erarbeiteten Erkenntnisse, geplanten Aktivitäten und Maßnahmen, die zu den bis 2020 angestrebten gesamtwirtschaftlichen Effekten führen sollen: 46 Milliarden Umsatz, direkt und indirekt Beschäftigte, 40 Neugründungen. MicroTEC Südwest sieht die Möglichkeit, mit seinen 1 Die Bundesförderung ist an eine Industriebeteiligung in gleicher Höhe geknüpft, so dass Projekte in einem Umfang von über 85 Mio Euro innerhalb der fünf Jahre umgesetzt werden. Roadmap MicroTEC Südwest

6 Kompetenzen in der MST als Querschnittstechnologie bedeutende gesellschaftliche Beiträge für intelligente Lösungen im Dienste des Menschen zu leisten (mehr Sicherheit, mehr Ressourceneffizienz, mehr Lebensqualität) und dadurch auch die globale Wettbewerbsfähigkeit strategisch bedeutsamer Wirtschaftszweige in Deutschland zu stärken (vgl. Kap. 3). Im Laufe des Cluster-Strategieprozesses und insbesondere in der abschließenden Roadmapping- Phase fokussierten sich die Clusterakteure in der Dimension Markt & Kunden auf die zukünftige Entwicklung, Fertigung und breite Anwendung von intelligenten Gesundheitslösungen (Smart Health) mit Fokus auf Point-of-Care-Diagnostik für personalisierte Medizin, intelligente Implantate und Medizintechnik sowie von intelligenten Produktions- & Automatisierungslösungen (Smart Production & Automation) mit Fokus auf intelligente Werkzeuge, Werkstückträger und Kommunikations-Interfaces, ohne dabei andere wichtige Bereiche wie z.b. Smart Buildings & Infrastructures oder Smart Mobility & Transport aus dem Auge zu verlieren. Im Rahmen der spezifischen Roadmapping-Aktivitäten zu Smart Health und Smart Production & Automation wurden MST-basierte Lösungsmöglichkeiten einschließlich konkreter Maßnahmen zu deren Realisierung bis erarbeitet, um den jeweiligen Herausforderungen und künftigen Kundenbedürfnissen gerecht zu werden (vgl. Kap. 4 für eine zusammenfassende Darstellung der erzielten Ergebnisse). Die zu entwickelnden, marktfähigen Produkte und Systemlösungen basieren im Kern auf Mikrosystemen der 3. Generation ( Cyberphysikalische Systeme ). Die Clusterakteure haben in der Dimension (Technologisches) Wissen & Können fünf übergreifende FuE-Schwerpunkte zur Entwicklung solcher Mikrosysteme identifiziert, die im Wesentlichen nutzer-akzeptierte/-freundliche Mensch-Technik-Umwelt-Schnittstellen aufweisen, vernetzt sind, d.h. untereinander kommunizieren und Informationen austauschen, autark sind, d.h. ihre Energie selbst aus dem Umfeld generieren, speichern und verwalten, nachhaltig sind, d.h. sparsam im Verbrauch (natürlicher) Ressourcen sind, und kundenspezifisch hergestellt und in verschiedene Produkte integriert sind. In der Roadmapping-Phase wurden basierend auf den technologischen Kernkompetenzen im Cluster konkrete Maßnahmen zur Realisierung entsprechender Mikrosysteme erarbeitet (vgl. Kap. 5). Die in Kapitel 4 und 5 ausführlich dargestellten Maßnahmen zur Entwicklung von Mikrosystemen der 3. Generation für intelligente, vermarktungsfähige Gesundheits- und Produktionslösungen werden in Kapitel 6 ergänzt durch Maßnahmen zur Beschleunigung von (Cross-Industry) Innovationen im Cluster (Dimension (Innovations-) Prozesse ) und in Kapitel 7 durch Maßnahmen zur Absicherung der kritischen Ressourcenbasis am Standort (Dimension Ressourcen ). Erst im Zusammenspiel der Maßnahmen in allen vier Dimensionen sieht MicroTEC Südwest die Möglichkeit, sich als Zentrum der internationalen mikrosystemrelevanten Wissensproduktion und als weltweit führender Forschungs-, Entwicklungs- und Fertigungsstandort für intelligente Produkte bzw. Lösungen in strategischen Zukunftsmärkten zu etablieren, sowie die internationale Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit von intelligenten MST-basierten Lösungen aus Deutschland nachhaltig zu sichern. Roadmap MicroTEC Südwest

7 Roadmapping & Evaluation Cluster/S&T-Foresight & Impact Assessment Scoping 1. STRATCLU-Strategieprozesse für MicroTEC Südwest ein Überblick Mit dem Projekt STRATCLU förderte das BMBF im Rahmen des Spitzencluster-Wettbewerbs die Entwicklung und Durchführung von partizipativen Strategieprozessen zur nachhaltigen Sicherung der Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit von intelligenten Mikrosystemtechnik (MST) -basierten Lösungen aus (Südwest-) Deutschland. Das vorliegende Dokument hat die Ergebniszusammenfassung aus der abschließenden Roadmapping-Phase des Cluster-Strategieprozesses zum Schwerpunkt. Cluster-Strategieprozess Cluster Audit: Ausgangsposition und Key Performance Indicators Strategieprozess für priorisierte Zukunftsfelder Globale Entwicklungen mit Relevanz für zukünftige MST-basierte Lösungen Priorisierung strategischer Auswirkungen, Chancen & Herausforderungen (Szenarien) Erarbeitung von Handlungs-/Investitionsfeldern mit größtem Zukunftspotential Entwicklung Cluster-Roadmap Finalisierung Cluster-Roadmap 2020+, Schritte zur Implementierung Konkretisierung & Adaption Konkretisierung für selektiertes & Zukunftsfeld: Adaption Konkretisierung für selektiertes & Trends-/Faktoren-Auswahl Zukunftsfeld: Adaption für selektiertes Trends-/Faktoren-Auswahl Zukunftsfeld: für feldspezifische SWOT Trends-/Faktoren-Auswahl für Ableitung feldspezifische FuE-Prioritäten SWOT für Ableitung feldspezifische & Innovations FuE-Prioritäten SWOT Roadmap Ableitung & Wissenstransfer Innovations FuE-Prioritäten Roadmap & Ausbau & Wissenstransfer Innovations Roadmap strategischer Kapazitäten & Ausbau Wissenstransfer strategischer Kapazitäten & Ausbau strategischer Kapazitäten Start neuer Zyklus zur Fortschreibung der Roadmap Clar/Sautter 2013 Abbildung 1: Ablauf und Verknüpfung der STRATCLU-Strategieprozesse für MicroTEC Südwest mit denen für priorisierte Zukunftsfelder Auf Basis der ersten Phase des Cluster-Strategieprozesses, einer fundierten Analyse der Ausgangsposition des Clusters im internationalen Kontext (Cluster-Audit), wurden strategische Handlungsschwerpunkte für MicroTEC Südwest entwickelt (vgl. Abb. 3, S. 14), wobei zuerst künftig zu erwartende Entwicklungen identifiziert, analysiert und priorisiert wurden, und dann die Rückprojektion aus den angestrebten Zukunftsszenarien erfolgte ( forward-looking and backcasting ). Zu ausgewählten Zukunftsfeldern bzw. Schwerpunktthemen (Smart Health, Smart Production, Systems-of-Systems/Cyber-Physical Systems) wurden mit entsprechenden Clusterakteuren Fachworkshops durchgeführt. In enger Abstimmung mit den vertiefenden Strategieprozessen wurden in der dritten Phase des Cluster-Strategieprozesses konkrete Maßnahmen und Aktivitäten zur Realisierung gemeinsamer Zukunftsperspektiven für MicroTEC Südwest definiert (Roadmapping). Insgesamt waren über 130 Clusterakteure an den STRATCLU-Strategieprozessen beteiligt. Roadmap MicroTEC Südwest

8 Im nachfolgenden Kapitel werden die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse in der Zusammenschau in Form der Cluster-Roadmap MicroTEC Südwest dargestellt. In den Kapiteln 3 bis 7 werden die Ergebnisse und insbesondere die geplanten Aktivitäten und Maßnahmen gegliedert nach den fünf Dimensionen der Cluster-Roadmap im Detail beschrieben. 2. Roadmap für MicroTEC Südwest im Überblick Die vorliegende Cluster-Roadmap für MicroTEC Südwest ist ein Ergebnis der STRATCLU- Strategieprozesse, insbesondere der abschließenden Roadmapping-Phase des Cluster-Strategieprozesses (vgl. Kap. 2). Die im Dialog mit Forschern, Unternehmern und weiteren Akteuren erarbeitete Roadmap soll konkrete Schritte aufzeigen, wie Stärken genutzt und ausgebaut sowie Schwächen behoben werden können auf dem gemeinsamen Weg in eine erfolgreiche Zukunft Inhaltliche Einführung Mikrosystemtechnik Schlüsseltechnologie für Europa Die Mikrosystemtechnik (MST) ist eine der Schlüsseltechnologien der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung. Damit gilt sie als Treiber für Innovationen, vor allem in Anwendungsbereichen wie Automobil, Medizintechnik, Maschinenbau und Logistik. Die Schlüsseltechnologie MST bietet Lösungen für die Herausforderungen unserer Zeit: ohne sie gäbe es weder hochwirksame, moderne Medikamente noch wäre eine Verringerung des CO 2 -Ausstoßes im Straßenverkehr möglich. Auch auf europäischer Ebene zählt MST zu den key enabling technologies. Als Querschnittstechnologie wird die MST in zahlreichen Produkten und in unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. MST steht für die integrierte Anwendung einer oder mehrerer Mikrotechnologien (Mikroelektronik, -mechanik, -optik, -fluidik, -sensorik, Leiterplattentechnologie etc.) unter systemischen Gesichtspunkten zur Herstellung von miniaturisierten technischen Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Abmessungen im Bereich von Mikrometern bis hinunter zu Nanometern aufweisen. Durch ihren hohen Integrationsgrad hebt sie sich von der reinen Technologie dadurch ab, dass sie bis in das Produktdesign hineinwirkt und somit integraler Teil der Produktentwicklung wird. Eine weitere Ausdehnung der Aktivitäten von der Technologieebene auf die Produkte- und Anwendungsebene scheint zwingend notwendig zu sein. Ein hoher Individualisierungsgrad der Technologie scheint unausweichlich. In Mikrosystemen werden optische, mechanische, fluidische, elektronische, chemische und/oder biologische Vorgänge auf engstem Raum miteinander kombiniert, so dass sensorische, aktorische und/oder signalverarbeitende Funktionen realisiert werden können. Ab einem bestimmten Funktionalitätsgrad, wenn Mikrosysteme in der Lage sind, Situationen zu beschreiben und zu bewerten, vorausschauend zu entscheiden und mit ihrer Umgebung zu kommunizieren, werden sie auch als Smart Systems bezeichnet. Smart Systems sind zur Selbstdiagnose befähigt und können weitgehend autonom agieren. Roadmap MicroTEC Südwest

9 Zusammen mit einem speziell für den industriellen Bereich entwickelten Internet der Dinge gelingt eine sichere und standardisierte Kommunikation, welche zusammen mit der Hardware zum cyber-physikalischen System (Cyber Physical System, CPS) wird. Letztere sind die Bausteine auch der Industrie 4.0. MicroTEC Südwest Cluster mit Fokus Mikrosystemtechnik MicroTEC Südwest ist ein branchenübergreifender Technologiecluster im Südwesten Deutschlands mit einer einzigartigen Konzentration innovativer Unternehmen, exzellenter Forschungs- und Bildungseinrichtungen sowie Intermediären zur Förderung der Schlüsseltechnologie Mikrosystemtechnik. Mit den Knotenpunkten Karlsruhe, Stuttgart, Villingen-Schwenningen und Freiburg liegt MicroTEC Südwest in einer der stärksten Wissenschafts- und Industrieregionen Europas. Der Mikrosystemtechnikcluster vereinigt über 350 Firmen, Institutionen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen mit mehr als Wissenschaftlern. Damit gehört MicroTEC Südwest zu den größten Technologie-Netzwerken in Europa. Ziel der Clusterakteure ist es, die international führende Stellung Baden-Württembergs im Bereich der Mikrosystemtechnik bis zur Weltspitze auszubauen. Mit Global Playern sowie vielen innovativen mittelständischen Unternehmen bildet der Spitzencluster MicroTEC Südwest eine branchenübergreifende Basis für zukünftige Leitinnovationen und für neues Wachstum in der Region. MicroTEC Südwest hat das Potential, in allen Zukunftsfeldern der Hightech-Strategie 2020 (Klima/ Energie, Gesundheit/Ernährung, Mobilität, Sicherheit, Kommunikation) zentrale Beiträge zur Bewältigung der sich ergebenden technologischen Herausforderungen zu liefern. Diese Herausforderungen sind für MicroTEC Südwest eine große Chance, globale Zukunftsmärkte auf Basis strategisch ausgerichteter Innovationsaktivitäten zu erschließen. Clusterregion von MicroTEC Südwest im Dreiländereck Frankreich-Schweiz-Deutschland. Roadmap MicroTEC Südwest

10 Die strategische Ausrichtung von MicroTEC Südwest zielt daher insbesondere auf die Absicherung der Zukunftsfähigkeit des Clusters und der Verbesserung der gesamtwirtschaftlichen Ergebnisse in der Clusterregion ab. Der Ausbau und Erhalt der strategischen Kapazitäten im Cluster sind die Basis für die optimale Nutzung der vorhandenen Wertschöpfungspotentiale in der Clusterregion und damit zentraler Erfolgsfaktor für die langfristige Positionierung im globalen Wettbewerb Beschreibung der Ausgangssituation In der ersten Phase des Strategieprozesses wurde im Rahmen eines Cluster-Audits 2011 eine Stärken/Schwächen-Analyse entlang der Balanced Scorecard (BSC)-Dimensionen Markt & Kunden, (Technologisches) Wissen & Können, (Innovations-) Prozesse und Ressourcen zur Bestimmung der Ausgangssituation des Clusters durchgeführt. Im Folgenden sind die Ergebnisse der Stärken/Schwächen-Analyse basierend auf den Daten aus dem Jahr 2010 kurz zusammengefasst: Märkte & Kunden innovativer Produkte und Dienstleistungen der Clusterakteure Der Cluster verfügt bereits über international führende Unternehmen mit hohem Bekanntheitsgrad und einem breiten Produktportfolio insbesondere in den Anwendungsbereichen Gesundheit sowie Produktion und Automatisierung. Der Cluster besitzt damit das Potential, die globale Innovationsführerschaft zu erlangen und das Umsatzwachstum in der Clusterregion zu erhöhen. Insgesamt ist im Cluster der Blick auf die Zukunftsmärkte und kritischen Erfolgsfaktoren noch nicht hinreichend geschärft. Weiterhin ist insbesondere im internationalen Kontext der Bekanntheitsgrad des Clusters noch sehr gering. Technologisches Wissen & Können für erfolgreiche Forschung und Entwicklung bis hin zur Innovation MST Lösungen der 1. und 2. Generation werden im Cluster bereits erfolgreich entwickelt. Es existiert bereits ein breites Portfolio von Projekten zur Steigerung der Innovationsfähigkeit der Clusterakteure. Konkrete Forschungs- und Entwicklungs-Roadmaps des Clusters zur Entwicklung von MST- Lösungen der 3. Generation sind erst in Ansätzen vorhanden. Es ist bislang auch noch nicht bekannt, ob alle nötigen Kompetenzen hierfür im Cluster vorhanden sind. Roadmap MicroTEC Südwest

11 Innovations-Prozesse des Clusters Der Zusammenhalt und die Netzwerkbildung im Cluster sind bereits gut. Zwischen der Industrie und der Forschung besteht bereits eine Reihe von Kooperationen. Dadurch werden der Austausch und die Wissensbildung im Cluster gefördert, Entwicklungszeiten können verkürzt und die Kapazitätsauslastungen optimiert werden. Es besteht noch kein Wissensmanagement im Cluster, das für eine Transparenz der Kompetenzen der Akteure entlang der Wertschöpfungsketten sorgt. Die Wertschöpfungsketten im Cluster sind u.a. deswegen teilweise noch lückenhaft, clusterferne kleine und mittlere Unternehmen noch nicht erreicht und der Transfer von Forschungseinrichtungen ist noch niedrig. Die lokalen Sub-Cluster und Technologieplattformen sind noch unzureichend entwickelt und zu wenig miteinander vernetzt: die Plattform für Smart Systems Integration kurz SSI in Freiburg, die Produktionsplattform kurz PRONTO in Stuttgart, Leitthema Mobilität in Stuttgart, Leitthema Gesundheit in Mannheim. Einen gemeinsamen Strategieprozess der die Kräfte aller Akteure im Cluster bündelt sowie Prozesse für Cross-Industry Innovationen gibt es noch nicht. Ressourcen des Clusters Im Cluster besteht eine weltweit einzigartige Agglomeration herausragender Bildungsund Forschungseinrichtungen in der insgesamt Wissenschaftler beschäftigt sind. Forschungsstarke Universitäten stellen ein hohes Ausbildungsniveau für MST- Ingenieure sicher. Durch die Innovations- und Gründerförderung besteht ein großes Potential für Technologie Start-Ups. Mit einer Verknappung des technischen Personals in der Clusterregion kann in den nächsten 5 Jahren gerechnet werden. Zur Steigerung des technischen Personals werden derzeit noch zu wenige Aktivitäten unternommen. So ist die Frauenquote bei Ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen und Berufen immer noch sehr gering. Weiterhin werden noch zu wenige Aktivitäten unternommen, um internationale Fachkräfte anzuwerben und Absolventen deutscher Studiengänge in der Clusterregion zu halten. Die Anwerbung von Fachkräften in die Clusterregion wird zusätzlich dadurch erschwert, dass die Cluster-Marke sowie Cluster-Identität von MicroTEC Südwest noch nicht ausreichend etabliert ist. Fördermöglichkeiten für Start-Ups werden zwar angeboten, jedoch bislang nicht stark nachgefragt. Die Bereitstellung von Risikokapital ist noch zu gering. Roadmap MicroTEC Südwest

12 Durch welche Zielsetzungen diese Stärken genutzt und ausgebaut sowie Schwächen behoben werden können, zeigt das folgende Kapitel Ziele, Ausrichtung und Handlungsschwerpunkte bis Leitziele von MicroTEC Südwest gemäß seiner Spitzencluster-Strategie Leitziel Markt- & Wettbewerbsposition MicroTEC Südwest verbessert durch die Schärfung seines Clusterprofils und durch richtungweisende Weltneuheiten in strategischen Leitmärkten seine internationale Markt- und Wettbewerbsposition und etabliert sich so als der weltweit führende Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandort für intelligente Produkte mit integrierter MST. Leitziel Kompetenzen & Innovationskapazitäten MicroTEC Südwest entwickelt sich durch den Ausbau und die Bündelung seiner Kompetenzen, die beschleunigte Umsetzung seines Innovations- und Produktionspotentials sowie die Optimierung des Wissens- und Clustermanagements zu einem weltweit führenden, international vernetzten Kreativzentrum für Innovation und Gründungen im Bereich der intelligenten MST-basierten Lösungen. Leitziel Ausstrahlung & Attraktivität MicroTEC Südwest steigert durch den Ausbau und die Bündelung seiner Aus- und Weiterbildungsangebote, durch gezieltes Standortmarketing und internationale strategische Kooperationen seine internationale Strahlkraft und Attraktivität und entwickelt sich so zu einem der weltweit attraktivsten Standorte für kreative Köpfe und Unternehmen/Investoren im Bereich der intelligenten MST-basierten Lösungen. Nach Erreichen dieser drei Ziele bis 2020 soll die Position als Nr. 1 für intelligente MST-basierte Lösungen nachhaltig gefestigt und ausgebaut sein. Ausrichtung auf intelligente MST-basierte Lösungen für den Menschen Die Cluster-Roadmap MicroTEC Südwest zielt auf die Entwicklung, Produktion und Verbreitung von intelligenten MST-basierten Produkten bzw. Lösungen für den Menschen, und zwar in erster Linie für seine Gesundheit (Smart Health) und für die Herstellung seiner Güter (Smart Production & Automation), aber auch mit Blick auf seine persönliche Umgebung (Smart Buildings & Infrastructure) und seine Mobilität & Transporte (Smart Mobility & Transport). Mit innovativen Gesundheits- und Produktions- Roadmap MicroTEC Südwest

13 lösungen soll die Position von MicroTEC Südwest in beiden Wachstumsmärkten weltweit gefestigt und ausgebaut werden (vgl. Dimension Markt & Kunden in Abb. 2 sowie Kapitel 4 für Details). FuE-Schwerpunkte Die angestrebten vermarktungsfähigen Produkte bzw. Systemlösungen basieren im Kern auf Mikrosystemen der 3. Generation 2, die nutzer-akzeptierte/-freundliche Mensch-Technik-Umwelt-Schnittstellen aufweisen, vernetzt sind, d.h. untereinander kommunizieren und Informationen austauschen, autark sind, d.h. ihre Energie selbst aus dem Umfeld generieren, speichern und verwalten, nachhaltig sind, d.h. sparsam im Verbrauch (natürlicher) Ressourcen sind, und kundenspezifisch hergestellt und in verschiedene Produkte integriert sind. Dies sind folgerichtig die fünf Forschungs- und Entwicklungs-Schwerpunkte in der Cluster-Roadmap (vgl. Dimension Wissen & Können in Abb. 2 sowie Kapitel 5 für Details). Die Weiterentwicklung der (mikrosystemtechnologischen) Fähigkeiten und Fertigkeiten in diesen übergreifenden Themenkomplexen schaffen die Voraussetzung für die Realisierung der intelligenten (Gesundheits-, Produktions-, etc.) Lösungen. Durch die Bündelung und den gezielten Ausbau der Kompetenzen in diesen für die Entwicklung von Mikrosystemen der 3. Generation zentralen Fragestellungen soll die Position von MicroTEC Südwest als führendes Kreativ-, Innovations- und Gründerzentrum bzw. als ein führender Knotenpunkt in der weltweiten mikrosystemrelevanten Wissensproduktion gestärkt werden. Neben den Dimensionen Markt & Kunden sowie Wissen & Können (vgl. Abb. 2) wurden auch zwei Handlungsschwerpunkte in den unterstützenden Dimensionen (Innovations-) Prozesse und Ressourcen herausgearbeitet. 2 Mikrosysteme bzw. Smart Systems der 3. Generation simulieren die menschliche Wahrnehmung und bauen auf Mikrosystemen der 1. Generation (funktionale Systeme mit Sensorik, Aktorik und Signalverarbeitung) und der 2. Generation (prognostizierende und selbstlernende Systeme) auf (vgl. EPoSS 2013, S. 10; siehe auch nachfolgend Abb. 9 auf. S. 35). Roadmap MicroTEC Südwest

14 Clar/Sautter 2013, Logos MST BW Abbildung 2: Clusterroadmap MicroTEC Südwest mit den drei Leitzielen und dem Fokus auf Markt & Kunden sowie Wissen & Können, Stand Juli 2013 Roadmap MicroTEC Südwest

15 (Innovations-) Prozesse in MicroTEC Südwest Die Beschleunigung von Innovationsprozessen insbesondere über verschiedene Anwendungsfelder von intelligenten Mikrosystemlösungen hinweg (Cross-Industry) ist angesichts der starken globalen Konkurrenz für die erfolgreiche Weiterentwicklung von MicroTEC Südwest von ganz zentraler Bedeutung. Das Zusammenspiel der entsprechenden Plattformen mit dem Clustermanagement spielt dabei eine wichtige Rolle (vgl. Kap. 6 für Details). Ressourcen in MicroTEC Südwest Insbesondere die Sicherung der Nachwuchskräfte und der nachhaltige Auf- bzw. Ausbau von ganzheitlichem, transdisziplinärem und systemischem Denken und Know-how (Systems Engineering) im Cluster sind Grundvoraussetzungen für die nachhaltige Sicherung der Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit von MicroTEC Südwest. Mit der Etablierung einer MicroTEC Academy soll u.a. diese gemeinsame Herausforderung gemeistert werden (vgl. Kap. 7 für Details). Abbildung 3 zeigt zusammengefasst die Handlungsschwerpunkte zur strategischen Weiterentwicklung von MicroTEC Südwest bis in den drei zentralen Kategorien des Wissensdreiecks Aus- & Weiterbilden Forschen & Entwickeln Unternehmen & Innovieren entsprechend des Wirkungszusammenhangs Wissen generieren Wissen anwenden. Abbildung 3: Handlungsschwerpunkte für MicroTEC Südwest Roadmap MicroTEC Südwest

16 Roadmap für MicroTEC Südwest im Detail Die nachfolgenden Kapitel 3 bis 7 beschreiben die in den STRATCLU-Strategieprozessen (vgl. Kap. 2) gemeinsam erarbeiteten Erkenntnisse, geplanten Aktivitäten und Maßnahmen, gegliedert nach den Dimensionen der in Kapitel 3 vorgestellten Clusterroadmap MicroTEC Südwest (vgl. Abb. 2). 3. Gesamtwirtschaftliche Bedeutung von MicroTEC Südwest Aufgrund des universalen Anwendungsspektrums von intelligenten Mikrosystemen und den zukünftig möglichen Technologie- und Innovationssprüngen durch den Einsatz von Mikrosystemen in den verschiedensten Bereichen sind die Aktivitäten in MicroTEC Südwest von großer gesamtwirtschaftlicher Bedeutung (vgl. Abb. 4). Die Mikrosystemtechnik kann als Querschnittstechnologie wichtige Lösungsbeiträge leisten zu einer Vielzahl der großen gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. 3 Mit intelligenten MST-basierten Lösungen leistet MicroTEC Südwest somit einen wichtigen ökonomischen Beitrag zur globalen Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft in Deutschland, sowie einen bedeutenden gesellschaftlichen Beitrag zu mehr Sicherheit, Ressourceneffizienz und Lebensqualität. Prognos AG 2011 Abbildung 4: Anwendungsmärkte, in denen MST-basierte Produkte zum Einsatz kommen 3 In der Hightech-Strategie 2020 für Deutschland oder dem derzeitigen Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union (Horizon 2020) werden u.a. Klima & Energie, Gesundheit & Ernährung, Mobilität, Sicherheit oder Kommunikation genannt. Roadmap MicroTEC Südwest

17 Aufgrund seiner Größe und räumlichen Verortung spielt MicroTEC Südwest mit über 350 beteiligten Firmen, Forschungseinrichtungen, Instituten und unterstützenden Organisationen auch ganz unmittelbar für die Schaffung und Sicherung von Wachstum und Beschäftigung in Baden- Württemberg eine wichtige Rolle (regionale Bedeutung). Laut Spitzencluster-Antrag hat sich MicroTEC Südwest zum Ziel gesetzt, bis 2020 den Umsatz mit MST-basierten Produkten auf 46 Mrd. pro Jahr zu steigern (Verdreifachung des Umsatzes seit 2009/2010) und die Zahl der direkt in der MST Beschäftigten auf 15 Tausend bzw. der indirekt, in den nachfolgenden Wertschöpfungsstufen, Beschäftigten auf 198 Tausend zu erhöhen (Steigerung der Beschäftigtenzahl jeweils um rund ein Drittel seit 2009/2010). Über die Steigerung von Wachstum und Beschäftigung durch innovative MST-basierte Produkte hinaus kann MicroTEC Südwest auch einen wichtigen Beitrag leisten zur Weiterentwicklung der internationalen Dimension der EU Struktur- und Investitionsfonds , und der funktionalen Räume im Rahmen der neuen Strukturförderpolitik des Landes Intelligente Lösungen für den Menschen in strategischen Märkten Ein zentrales Ziel von MicroTEC Südwest ist die Verbesserung der internationalen Markt- und Wettbewerbsposition seiner Akteure und die Etablierung von MicroTEC Südwest als weltweit führender Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandort für intelligente Produkte mit integrierter Mikrosystemtechnik in strategischen Zukunftsmärkten. Bei der Vielzahl an möglichen MST-Anwendungsfeldern fokussiert sich MicroTEC Südwest auf die Entwicklung, Produktion und Verbreitung von intelligenten MST-basierten Gesundheitslösungen der Zukunft (Smart Health) und Produktionslösungen der Zukunft (Smart Production), wobei auch intelligente Lösungen für Gebäude & Infrastruktur (Smart Buildings & Infrastructure) oder für Mobilität & Transport (Smart Mobility & Transport) eine Rolle spielen. MicroTEC Südwest bündelt damit seine Kräfte auf die Anwendungsfelder mit großer regionaler Bedeutung (insbesondere für die mittelständische Wirtschaft) und internationalem Entwicklungspotential, um die angestrebten gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen (vgl. Kap. 3) zu optimieren. Wichtige Ziele von MicroTEC Südwest bis sind in diesem Zusammenhang: Steigerung der internationale Wahrnehmung als Problemlöser in den beiden Anwendungsfeldern Smart Health und Smart Production Stärkere Erschließung beider Wachstumsmärkte mit richtungsweisenden Weltneuheiten 4 Vgl. EFRE-Strategie des Landes Baden-Württemberg für die Förderperiode unter Roadmap MicroTEC Südwest

18 Clar/Sautter 2013 Abb. 5: Einbettung der Anwendungsfeld-Schwerpunkte für intelligente Lösungen in die Roadmap-Struktur Im Nachfolgenden werden für die beiden Schwerpunkte Smart Health und Smart Production zentrale Herausforderungen und Kundenbedürfnisse beschrieben und MST-basierte Lösungsmöglichkeiten einschließlich konkreter Maßnahmen zu deren Realisierung in MicroTEC Südwest vorgestellt. Ergänzend werden intelligente Mikrosystemlösungen in weiteren Anwendungsbereichen (Smart Transport & Smart Buildings) aufgezeigt Smart Production intelligente, vernetzte & ressourceneffiziente Produktion Baden-Württemberg hat mit vielen namhaften Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus eine exzellente Ausgangsposition für neue Entwicklungen im Produktionsumfeld. Dies hatte sich zuletzt in der Solarbranche in ihrer dynamischen Entwicklung der Marktdurchdringung gezeigt. Bekannte Namen unter den weltweit führenden PV-Anlagenherstellern zählen Firmen wie Centrotherm, Manz, Bürkle Technologies, Schmid, Rena, ZSW/Würth, bei den thermischen Solaranlagen z.b. Ritter Solar/Paradigma. Alle greifen wiederum auf Hidden Champions der Subsysteme und Komponenten wie Schunk, Festo, Balluff, Sick, Testo etc zurück. Leider hat die Dynamik dieser Branche auch einige der genannten Firmen in der Konsolidierungsphase überfordert, was jedoch die Fähigkeit, latent vorhandene Stärken rasch auf neue Applikation anzuwenden nicht schmälert. Zu den Fachkompetenzen im Land ergänzen sich die Vorteile der Flexibilität des legendären Mittelständlers im Land, schnell und vernetzt auf externe Veränderungen zu reagieren. Vor allem das Konzept der Industrie 4.0 zeigt mit Treibern wie bspw. Fraunhofer IPA, FESTO und Wittenstein hier auf, wie Mikrosysteme (Smart Systems, cyber-physikalische Systeme) Einfluss auf die Produktion nehmen. Industrie 4.0 umfasst alle Aspekte der 4. industriellen Revolution der vernetzten und intelligenten Welt der Produktion und adressiert dabei technische Aspekte, soziale Roadmap MicroTEC Südwest

19 Aspekte, Betriebs- und volkswirtschaftliche Aspekte, Internet der Dinge, der Dienste und der Menschen sowie Big Data. Die cyber-physikalischen Systeme (CPS, für den Produktionsbereich auch CPPS) entstehen durch die Vernetzung von hardwarebasierten mechatronischen Systemen (Smart Systems/Embedded Systems) und einem Kommunikationsnetzwerk, wie z.b. dem Internet. Die intelligente Produktion (Smart Factory, Produktion 4.0) steht für die Umsetzung einer vernetzten, interaktiven und intelligenten Wertschöpfungskette unter Berücksichtigung von: Integrierter Entwicklung von Produkten und Prozessen Fertigungsmanagement Flexibilisierung Selbst-optimierender Produktion Lagerhaltung Rückverfolgbarkeit für Produkte und Prozesse Mensch-Maschine-Interface Weltweite Vernetzung im Fertigungsverbund Recycling MicroTEC Südwest hat sich in diesem Ökosystem zum Ziel gesetzt, in den kommenden 10 Jahren intelligente, adaptive und vernetzte sowie ressourceneffiziente MST-basierte Lösungen für die Produktion und Automatisierung maßgeblich mit voran zu treiben. Dabei kommt der kooperativen Vernetzung der Akteure eine zentrale Rolle zu. Für MST-basierte Produktions- und Automationslösungen wird bis 2020 ein Wachstum von etwa 125% im Vergleich zum Bezugsjahr 2010 prognostiziert, wobei speziell für Automations-lösungen ein Wachstum von über 200% erwartet wird. 5 Für MicroTEC Südwest wird ein Umsatz-zuwachs von insgesamt 165% erwartet, was in etwa einer Umsatzverdopplung alle 6 Jahre entspricht. Im Jahr 2020 werden in MicroTEC Südwest etwa 30% des Gesamtumsatzes mit MST-basierten Produkten im Produktions- und Automationsbereich erwirtschaftet. Damit gehört dieser Bereich für MicroTEC Südwest zum zweit wichtigsten Anwendungsbereich (gemessen am Wertschöpfungsanteil mit MSTbasierten Produkten) nach dem Automobil- (ca. 41% Umsatzanteil) und vor dem Gesundheitsbereich (ca. 17%). 5 Wertschöpfungsanalyse 2011 der Prognos AG für den Spitzencluster MicroTEC Südwest Roadmap MicroTEC Südwest

20 A. Gesellschaftliche Herausforderungen & Kundenbedürfnisse der Zukunft Im Bereich der Endverbraucher wird sich der Trend zu stärker individualisierten Produkten mit noch kürzeren Lieferfristen fortsetzen. Die Bedeutung der Ressourceneffizienz wird mit dem Blick auf die graue Energie, also die zur Herstellung, Lagerung und den Transport aufzubringende Energie sowie mit Blick auf die Wertstoffe der verwendeten Materialien im Zuge der Verknappung und des damit einhergehenden Anstiegs der Preise weltweit noch stärker werden. Die kürzeren Produktezyklen bedingen immer kürzere Entwicklungszyklen, die zusammen mit der gestiegenen Komplexität der Produkte und der Märkte zu einem stark gestiegen Ressourcenbedarf innerhalb eines Projektes führen werden, die zunehmend ganz oder teilweise extern geleistet werden müssen. Dies führt wieder zu mehr Kooperationen und offeneren Innovationsprozessen. So designte Porsche das Cockpit des Airbus 380 und das Ingenieurbüro in Tübingen die Frontleuchten einer früheren Die fortschreitende Komplexität und die Beschleunigung der Innovationszyklen erfordern mehr Flexibilität Version der BMW 5er Reihe. Diskontinuitäten in diesen Projekten wiederum führen zu einem neuen Bedarf in der Hightech-Projektakquisition. Die starke Zunahme der Komplexität bei gleichzeitig kürzeren Innovationszyklen wird Auswirkungen auf die Ingenieurslandschaft haben. Eine von Systemdenkern geprägte Entwicklung mit variabler Zusammensetzung wird nötig sein. Auch werden offene Innovationsprozesse zwischen Firmen aller Größen und Forschungseinrichtungen gefordert sein bis zu einer Erweiterung des Dreibeins im strategischen Handeln (Triple Helix aus Industrie, öffentlicher Forschung und Politik). Regionale und emotionale Nähe mit einer Verflechtung auf dem Arbeitsmarkt hatten nicht nur in den Gründerjahren der Halbleitertechnik im Silicon Valley eine nicht hoch genug einzuschätzende Wirkung als fruchtbarer Boden für Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit. Diese lässt sich entlang der B27 (Industrie 4.0) oder im Raum Reutlingen/Tübingen bis Tuttlingen (Smart Health) fördern und weiter ausbauen. Der Prosumer und der Trend zu individualisierten Klein(st)serien Ein weiterer Ansatzpunkt für Mikrosystemtechnik ist das Konzept des Prosumers. Kern des Begriffs Prosumer ist seit den 80er Jahren die Idee, dass Verbraucher oder Anwender ihre maßgeschneiderten Produkte selber gestalten und/oder produzieren. Die Grenzen zwischen Produzent und Konsument weichen auf. Im Idealfall geht es um ein Produkt mit der Losgröße 1. Für intelligente MST-Lösungen stellen sich hierbei zentrale Herausforderungen einer Individualisierung der Produktion, die nicht zu Lasten der Planbarkeit im Produktionsfluss gehen. Gleichzeitig müssen eine erhöhte Ressourcen- und Kosteneffizienz von Prozessen und Komponenten sowie die Integrität Roadmap MicroTEC Südwest

21 der weltweit verteilten Produkte- und Produktionsdaten gewährleistet sein. Die zentralen Fragen sind: Wie sehen hoch flexible Automatisierungskonzepte oder dezentrale, kleine Factories of the Future mit der Möglichkeit, Fabriknetze mit kurzen Transportwegen und Lieferzeiten zu nutzen, zukünftig aus, wenn gleichzeitig Themen wie Wirtschaftlichkeit inklusive der Transportwege für die Produkte und die Angestellten, Haftung oder Kopierschutz berücksichtigt werden müssen? Sind die Probleme zu lösen, bedeuten diese Lösungen den vielleicht entscheidenden Wettbewerbsvorteil im Vergleich zu anderen Produktionsländern: Maßgeschneiderte Fertigung nahe beim Kunden, kürzere Durchlaufzyklen und kürzere und schnellere Auslieferung (z.b. 3D-Printing) Globalisierte Komponentenproduktion, hohe Standardisierung Individuelle Gestaltungsmöglichkeit / individualisierte Oberfläche, z.b. austauschbare Fahrgastzelle. Verteilte Qualitätskontrolle von Systemfunktionalität, Komponenten und Logistik. Ressourcen- & Energieeffizienz sowie Industrie 4.0 als förderpolitische Schwerpunktthemen: Gesellschaftliche Herausforderung im EU Rahmenprogramm für Forschung & Innovation Horizont 2020 Bedarfsfeld der High-Tech-Strategie 2020 für Deutschland Zukunftsprojekte im Aktionsplan des BMBF zur Hightech-Strategie Schwerpunktthema des Landes Baden- Württemberg 6 Climate Action, Resource Efficiency & Raw Materials Klima & Energie Intelligenter Umbau der Energieversorgung Umwelttechnologie & Ressourceneffizienz Kommunikation Industrie 4.0 Embedded Systems & IT-Dienstleistungen B. Innovative MST-basierte Produktionslösungen der Zukunft Der bisherige Fokus von MST-basierten Produktionslösungen liegt auf der Ebene der Hardware und der eingebetteten intelligenten Systeme. Diese Smart Systems sorgen für viele oft proprietären Echtzeit-Einzellösungen. Dem gegenüber zeigt die übliche Betrachtungsweise der IKT-Industrie in Bezug auf Industrie 4.0 einen Top-down Ansatz, der u.u. zum Trugschluss führen kann, dass die Umwälzungen in der Produktion in den Händen der Software-Programmierer liegt. Dies ist offensichtlich genauso falsch wie die Annahme, dass die Veränderungen mit ein paar Überwachungskomponenten erledigt sind. Vielmehr ist es ein ganzheitliches und koordiniertes Zusammenwirken, welches zur Lösungen führt. Auch aus politischer Sichtweise ist es als Vorteil zu verstehen, dass nur das System aus Hardware und Software und den variablen Anforderungen ein sinnvolles Ganzes gibt und somit weniger schnell in anderen Regionen dieser Welt dupliziert werden kann. 6 Technologien, Tüftler und Talente Wirtschaftliche und technologische Perspektiven der Baden-Württembergischen Landespolitik Studie im Auftrag des Staatsministeriums Baden-Württemberg Roadmap MicroTEC Südwest

22 Wertschöpfungskette MicroTEC Südwest bietet als branchenübergreifender Technologiecluster ein breites, aber gleichzeitig auch tiefes Technologiespektrum als Produktions- oder Entwicklungsdienstleister, Zulieferer oder sonstiger Dienstleister. Somit ist der Cluster und damit die Akteure gut gerüstet, kommende technologische Herausforderungen zu bewältigen mit zentralen Akteuren wie Robert Bosch, Roche Diagnostics, Festo, A. Raymond, Micronas, Sick, Testo, HSG-IMIT, IMS Chips, KIT sowie den Hochschulen im Cluster. Für Anwendungen im Bereich Cyber-Physical Systems (CPS) liefert die Mikrosystemtechnik in vielen Bereichen die Hardware. Die in MicroTEC Südwest vereinten Kompetenzen gerade im Bereich der cyber-physikalische Systeme stellen eine exzellente Basis dar für den Überbau aus externer Kommunikation, Datensicherheit und den resultierenden Diensten. Auch sind viele Partner der IKT schon heute als Partner mit an Bord. Somit ist es eine Basis für nachhaltige Wertschöpfungen im Bereich für Industrie 4.0, die Potenzial hat für weitere Innovationen und Geschäftsmodelle. Dienste, Geschäftsmodelle Intelligente Produktion IAS Echzeitvernetzung Maschinen dezentrale Vernetzung Produktion + Internet der Dienste Cyber Physical Systems Sensorik: Produkte- Zustand erfassen Vergl. Soll-Ist Umgebungs- Zustand Ort & Zeit erfassen Vorhersage Prozesssteuerung autarke Energieversorgung Datenüber tragung Aktorik Zustand ändern + Internet der Dinge (Embedded) Smart Systems + Rechner + S/W + + Vernetzung Sensoren & Aktoren + Technologien Device Design, + Prozessintegration Sensorintegration Physik & Technologie Abb. 6: Von Sensoren zu Smart Systems & zur intelligente Produktion Die nachfolgende Grafik zeigt die zentralen Themen für intelligente Produktionslösungen der Zukunft: eingebettete Systeme mit Sensoren/Aktoren & (autarker) Stromversorgung zur Steuerung und Regelung, intelligente Fertigungs-/Produktionsprozesse für Anlagen-/Produktionsflow und operative Logistik (intern, proprietär), und Vernetzungs-/Kommunikations-Interfaces in der Wertschöpfungskette (vom Materiallieferanten bis zum Endkunden) und zwischen Produktionsverbünden (extern, offen) Roadmap MicroTEC Südwest

23 Abb. 7: Zentrale Themen für intelligente Produktionslösungen der Zukunft C. FuE-Bedarf & Maßnahmen zur Realisierung innovativer Produktionslösungen Während im Themenbereich der eingebetteten Systeme zahlreiche Kompetenzen im Cluster vorhanden sind und z.b. mehrere Projekte im Zuge der Spitzencluster-Förderung durchgeführt werden bzw. wurden, wird v.a. in den beiden Themenbereichen der intelligenten Fertigungs-/ Produktionsprozesse und der Vernetzungs-/Kommunikations-Interfaces zukünftiger FuE-Bedarf gesehen. Dementsprechend sollen aufbauend auf den vorhandenen Kompetenzen zukünftig FuE- Aktivitäten verstärkt werden zu intelligenten Werkzeugen, die zusammen mit den schon als Projekt entwickelten intelligenten Werkstückträgern ein weiteres wichtiges Bindeglied zu den Maschinen und Anlagen und zu externen Knoten darstellen. Beide sind cyber-physikalische Produktionssysteme und bilden ein Sub-System, welches es den Prozess- und Produktsteuerungen entlang der Wertschöpfungskette erlaubt, alle Prozessfenster entsprechend der aktuellen Randbedingungen (Materialspezifikation, Werkstück- und Werkzeugzustand, z.b. auf Durchsatz oder Präzision zu trimmen oder neue Produkte fertigungskonform zu entwickeln. Das Wissenspaket, welches alle Kunden-, Material- Prozess- und Fertigungsdaten der gesamten Wertschöpfungskette interaktiv zusammenfasst kann vorausschauend ebenfalls den Zeitpunkt der nächsten Instandhaltung bestimmen (Smart Maintenance) und die Materialbeschaffung steuern und ist für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit eines jeden Produktes und eines Prozesses verantwortlich. Roadmap MicroTEC Südwest

24 Kommunikationsstandards sind für die offene Vernetzung mit anderen Beteiligten der Wertschöpfungskette notwendig. Generell wäre es höchst interessant, für die intelligente Fabrik zu erfahren, wie existierende Hightech-Fertiger heute schon die Fertigung vernetzen. Dabei soll auf Erfahrungen von Intel und des Verbandes SEMI (SEMI-Standards), die in der Halbleiterproduktion seit vielen Jahre Definitionen liefern und Anforderungen an Schnittstellen beschreiben aufgebaut werden. Ähnliche Lerneffekte sind von einem Vergleich mit der Automobilindustrie zu erwarten. Ausbau der Produktionsinfrastruktur zur Null- und Kleinserienfertigung: Mit der Plattform PRONTO wird der Industrie ein Instrument zur Verfügung gestellt, um branchenunabhängig die Anwendung verschiedenster Mikrosystem-Technologien für eigene Produkt-Innovationen zu erproben, einzuführen und Unterstützung beim Aufbau einer Serienfertigung zu bekommen. PRONTO bietet bereits Zugang zu: o o o o o Inspektions-, Prüf- und Handhabungstechnik für MST Massenfertigungsverfahren wie Rolle-zu-Rolle und Inkjet-Drucktechniken von Sensoren und MIDs Fertigung und Einsatz ultradünner Mikrochips Planung und Serienanlauf von MST-Fertigungsanlagen Weitere Produktionsinfrastruktur wird bedarfsgerecht ausgebaut. Roadmap MicroTEC Südwest

25 FuE-Projekte und weitere Maßnahmen zur Realisierung innovativer Produktions- & Automationslösungen bis FuE-Maßnahme Produktion von Null- und Kleinserien (PRONTO) Intelligente Werkstückträger Intelligente Werkzeuge IoT & Standards & lessons learned Status Quo => 2013 Entwicklung integrierter Kamerasysteme in der Laborautomation, Robotik und Prozesstechnik (KonKaMis) kurzfristig (2 Jahre) => 2015 Entwicklung & Test einer miniaturisierten 3D Kamera für die Service-Robotik (INSERO3D) Struktur einer Fertigung über einen ganzen Lebenszyklus (VolProd) Technologieplattform für autonome Sensormodule inkl. elektronischer Verarbeitung (ITAS), semiaktive RFID-Systeme (Minergy) sowie extern aktivierbare Datenübertragung (SmartWake) Entwicklung & Test von autarken und prozessunterstützten Werkstückträgern für die Produktion 4.0 Erster Demonstrator geplant für (smartwt) Fachgruppe zu Anforderungen von cyber-physikalischen Systemen. Eine Verbundentwicklung ist geplant. Die sachliche Nähe zu den intelligenten Werkstückträgern erlaubt eine koordinierte Vorgehensweise Intelligente Werkzeuge mit interaktiver Datenbasis zur Nutzung vernetzter Knowledge-Centers mit dem Ziel, schneller, flexibler u. somit preis-werter bzw. präziser zu produzieren Vernetzung der CPS-Roadmap für die proprietären, internen und externen Datennetze durch öffentliche, standardisierte Protokolle. Informationsverarbeitung auf verschiedenen Ebenen; Standardisierungen Level-abhängig extern IEEE 802x bis Level 2 neue Standards ab Level 3 - Zuverlässigkeit - Datensicherheit mittelfristig (5 Jahre) => 2018 längerfristig (8 Jahre) => 2021 Erprobung 3D-sehender Serviceroboter in unterschied-lichen Einsatzumfeldern (industrielle Montage, Arbeiten in gesundheitsgefährdender oder kontaminierter Umgebung, etc.) Vernetzung der exemplarisch entwickelten cyberphysikalische Systeme mit dem Ziel der flexiblen, adaptiven und intelligenten Produktion Betrieb einer Demonstrationsanlage, um die Vorteile des Verfahrens in konkreten Einzelfällen quantitativ nachzuweisen Desweiteren ist die Vernetzung der exemplarisch entwickelten cyber-physikalische Systeme mit dem Ziel der flexiblen, adaptiven und intelligenten Produktion unter besonderer Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Anlagen- und Fabriksteuerung. Ziel ist die externe Vernetzung der cyberphysikalischen Systeme zu einer flexiblen und intergierten Wertschöpfungskette bis hin zum Kunden. Entwicklung von Businessmodellen aus den Mehrwerten für die hinzugefügte Intelligenz Was lehrt uns Intel mit der existierenden, weltweiten Produktion, smart copy oder copy exact, SECS/GEM, FOUPs) Roadmap MicroTEC Südwest

26 4.2. Smart Health intelligente, individuelle & kostengünstige Gesundheitslösungen MicroTEC Südwest hat sich zum Ziel gesetzt, in den kommenden 10 Jahren ganzheitliche, intelligente MST-basierte Gesundheitslösungen maßgeblich mit voran zu treiben. Im Zentrum der Anstrengungen steht dabei der Mensch mit seinen Bedürfnissen nach raschen und genauen Diagnoseverfahren sowie individuellen Therapie- und Präventionsverfahren. Aufgrund der zunehmenden Alterung der Gesellschaft mit entsprechend steigender Zahl von Erkrankungen in den Industrieländern, dem wachsenden Gesundheitsbewusstsein in breiten Bevölkerungsschichten und der großen/wachsenden Bevölkerungszahl in aufstrebenden Nationen, wird weltweit für den Gesundheitsmarkt eine hohe Entwicklungsdynamik prognostiziert. Für MSTbasierte Gesundheitslösungen wird bis 2020 ein Wachstum von 270% im Vergleich zum Bezugsjahr 2010 prognostiziert. 7 Für MicroTEC Südwest wird in diesem Bereich ein Umsatzwachstum von 230% erwartet, was in etwa einer Umsatzverdopplung alle 4 ½ Jahre entspricht. So dynamisch entwickelt sich kein anderer Anwendungsbereich von Mikrosystemtechniklösungen. Im Jahr 2020 werden in MicroTEC Südwest etwa 17 % des Gesamtumsatzes mit MST-basierten Produkten im Gesundheitsbereich erwirtschaftet. Damit gehört der Gesundheitsbereich neben dem Automobilbereich (ca. 41 % Umsatzanteil) und dem Maschinenbau inkl. Automatisierung (30%) zu den drei wichtigsten Anwendungsbereichen in MicroTEC Südwest. A. Gesellschaftliche Herausforderungen & Kundenbedürfnisse der Zukunft Tief greifende globale Veränderungsprozesse wie z.b. der demographische Wandel bei gleichzeitig globalem Bevölkerungswachstum oder der Klimawandel mit seinen regional ganz unterschiedlich erwarteten Folgen und Auswirkungen auf den Gesundheits- und Ernährungsbereich werden national und international mit als größte gesellschaftliche Herausforderungen des 21. Jahrhunderts betrachtet. Auf den verschiedenen politischen Ebenen wird entsprechend die Gesundheits- und Ernährungsforschung besonders gefördert, um Lösungen für diese globalen Herausforderungen zu entwickeln. 8 7 Wertschöpfungsanalyse 2011 der Prognos AG für den Spitzencluster MicroTEC Südwest hat z.b. die Bundesregierung eine ressortübergreifende Forschungsagenda zum demografischen Wandel entwickelt Roadmap MicroTEC Südwest

27 Gesundheit als förderpolitisches Schwerpunktthema: Gesellschaftliche Herausforderung im EU Rahmenprogramm für Forschung & Innovation Horizont 2020 Bedarfsfeld der High-Tech-Strategie 2020 für Deutschland Zukunftsprojekte im Aktionsplan des BMBF zur Hightech-Strategie Schwerpunktthema des Landes Baden- Württemberg 9 Health, demographic change and wellbeing Gesundheit & Ernährung Krankheiten besser therapieren mit individualisierter Medizin Mehr Gesundheit durch gezielte Prävention und Ernährung Auch im Alter ein selbstbestimmtes Leben führen Gesundheit & Pflege Die Alterung der Gesellschaft und gleichzeitige Verbreitung von Volkskrankheiten sowie die damit verknüpfte Anforderung an frühe Gesundheitsvorsorge bzw. Prävention führen zusammen mit dem medizinisch-technischen Fortschritt, z.b. im Bereich der kostenintensiven Gerätemedizin, zu einem steigenden Ausgabendruck im Gesundheitssystem. Da gleichzeitig wegen der sinkenden Zahl an Beitragszahlern die Gesundheitskosten auch weiterhin gedeckelt werden, stehen die Ärzte im öffentlichen Gesundheitssystem zukünftig noch stärker vor dem Problem, dass ihnen die steigenden Kosten auf die Füße fallen. Das Dilemma zwischen der bestmöglichen medizinischen Versorgung auf der einen Seite und dem wachsenden Druck zu Kosteneinsparungen (Vergütung nach Leistungserfolg) auf der anderen Seite wird aus Sicht der Clusterakteure, die im Gesundheitsbereich aktiv sind, weiter zunehmen. Vor diesem Hintergrund wachsen u.a. die Anforderungen an kostengünstige, dezentrale aber mit einander vernetzte Gesundheitslösungen möglichst direkt beim Patienten (am Point-of-Care ). Telediagnostik und Telemedizin sowie integrierte, zielgerichtete, personalisierte Diagnostik, Therapie inklusive Monitoring sind dabei gängige Zukunftsszenarien (vgl. Promotorengruppe Gesundheit / Ernährung der Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft 2011, u.a.). Diese Entwicklung kommt auch dem zunehmenden Wissensstand der Patienten und dem Wunsch nach Selbstbestimmung und individualisierter Medizin entgegen. Durch das steigende Gesundheitsbewusstsein in breiten Bevölkerungsschichten wächst der sogenannte zweite Gesundheitsmarkt mit privat finanzierten Gesundheitsdienstleistungen und -produkten sehr stark. Dadurch werden die Anforderungen an die Produkte und Dienstleistungen in dem ohnehin hochgradig regulierten Gesundheitsmarkt weiter stark ansteigen. Die sich schnell entwickelnde Regulierung und die fehlende Normierung werden dabei als wesentliche Hindernisse im Innovationsprozess gesehen. Der demographische Wandel und der Wunsch nach einem selbst-bestimmten Leben bis ins hohe Alter wird zweifelsohne zu einer starken Zunahme von Assistenzsystemen führen ( Ambient Assisted Living ). Dabei wird je nach Wertvorstellungen und dem Umgang der Menschen mit der Technik auf den unterschiedlichen Märkten (vgl. z.b. den Einsatz von Pflegerobotern in Japan) darauf zu achten sein, dass die Technik für den Menschen entwickelt wird und nicht umgekehrt der Mensch gezwungen wird, sich der Technik anzupassen. Im gesellschaftspolitischen Bereich wird 9 Technologien, Tüftler und Talente Wirtschaftliche und technologische Perspektiven der Baden-Württembergischen Landespolitik Studie im Auftrag des Staatsministeriums Baden-Württemberg Roadmap MicroTEC Südwest

28 möglicherweise verstärkt eine Debatte zwischen technisch möglichen MST-Anwendungen für ein selbstbestimmtes, unabhängiges Altern, der ethischen Vertretbarkeit sowie den ökonomischen Zwängen im Gesundheitssystem geführt werden. Vor diesem Hintergrund investiert alleine die Bundesregierung im Zuge ihres Aktionsplanes zur Hightech-Strategie 765 Mio. Euro in die Erforschung entsprechender Gesundheitslösungen. MicroTEC Südwest hat sich dabei zum Ziel gesetzt, in drei Schwerpunktthemen intelligente, individuelle und kostengünstige Gesundheitslösungen der Zukunft zu entwickeln und zu verbreiten. Innovative MST-basierte Gesundheitslösungen der Zukunft Die Mikrosystemtechnik ist für viele Gesundheitsbereiche ein wesentlicher Innovationstreiber. Für MicroTEC Südwest stehen insbesondere die drei Bereiche Point-of-Care-Diagnostik, intelligente Implantate und intelligente Medizintechnik im Fokus der Entwicklung innovativer MST-basierter Gesundheitslösungen der Zukunft. 1. Point-of-Care Diagnostik für personalisierte Medizin Die Point-of-Care (PoC) Diagnostik als patientennahe Sofortdiagnostik ist heute in den Kliniken und Arztpraxen als ein zentraler Bestandteil der schnellen Therapieentscheidung nicht mehr wegzudenken. Einige Anwendungen wie z.b. Schwangerschaftstests oder die Blutzuckermessung durch Diabetiker werden bereits heute vom Patienten selbst vorgenommen. Entsprechende Diagnostikmethoden werden darüber hinaus auch in anderen Anwendungsbereichen verwendet wie beispielsweise in der Lebensmittel- und Umweltanalytik. Eine effiziente Diagnostik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da sie wesentlich zur Verbesserung der Lebensqualität des Patienten sowie der medizinischen Qualität und der Wirtschaftlichkeit seiner Behandlung beiträgt. Es wird geschätzt, dass eine Erhöhung der Ausgaben für (in-vitro-)diagnostik um 1% zu Einsparungen im Gesundheitssystem von 5% führen könnte. Für die Realisierung der personalisierten Medizin, nach der Patienten individuell mit dem für sie jeweils richtigen Medikament in der richtigen Dosierung behandelt werden, ist die Point-of-Care Diagnostik (Companion Diagnostics) eine wichtige Voraussetzung: Mit ihrer Hilfe können Eigenschaften (Biomarker) schnell verifiziert werden, die Hinweise auf die Wirksamkeit und Verträglichkeit eines Wirkstoffes geben. Außerdem können mit Unterstützung mobiler Geräte spezifische Parameter kontinuierlich beim Patienten erfasst und die Medikamentendosierung entsprechend justiert werden. Source: Roche Blutzucker-Messgerät Quelle: Roche Diagnostics Mikrofluidische LabDisk Quelle: HSG IMIT Ziel von MicroTEC Südwest ist, durch innovative Point-of-Care Lösungen zur Etablierung maßgeschneiderter, effektiverer und effizienter Therapien (z.b. bei HIV, Tumoren, ) beizutragen. Roadmap MicroTEC Südwest

29 Companion Diagnostics ermöglicht die individuelle dezentrale Diagnose kombiniert mit der Therapie. Durch die personalisierten Diagnoseverfahren können Therapien besser auf den Patientenbedarf abgestimmt werden. Mit PoC-Systemen kann die Patientenversorgung auch verstärkt dezentral außerhalb des Krankenhauses vorgenommen werden. Die Produktplattform (z.b. Mikrofluidische LabDisk Plattform für Zentrifugen) ermöglicht dabei die schnelle Integration von diversen Tests in PoC-Systeme. Dadurch erleichtert sie den Umgang mit PoC- Systemen und kann zur Kostenreduktion beitragen. Durch die Miniaturisierung und Kombination verschiedener Disziplinen in einer Produktplattform können hochkomplexe PoC-Systeme realisiert werden. Intelligentes Pflaster Quelle: Würth Elektronik Aber auch Smart Textiles und intelligente Pflaster zur kontinuierlichen Messung von Vitalparametern direkt am Menschen stellen einen guten Ansatz zur Frühdiagnose dar und ermöglichen damit bessere Chancen auf Heilung oder können sogar präventiv wirken. 2. Intelligente Implantate Intelligente Implantate u.a. mit Biosensoren, bioaktiven Oberflächen etc. zur Kompensation körperlicher Schwächen (z.b. durch Innenohr-, Netzhaut-Implantate), aber auch implantierbare Systeme für den therapeutischen Einsatz oder zur kontinuierlichen Diagnostik (z.b. Drug- Delivery-Systeme oder Elektrodenarray zur Nervenstimulation) profitieren enorm von der Vielfalt an Technologien und Prozessen in der Mikrosystemtechnik. Gleichzeitig öffnen sie die Tür für neue Anwendungen. Retina Implantat Quelle: Retina Implant AG Die Produktvision des langzeitstabilen intelligenten Implantats beschreibt die Eigenschaften und Anforderungen der Implantate für verschiedene Anwendungsbereiche in der Diagnostik, Therapie, Überwachung und Rehabilitation. AIMDs (active implantable medical devices) zählen zu den dynamischsten und laut Expertenmeinungen aus dem MicroTEC Südwest Roadmapping-Workshop MST-basierte Gesundheitslösungen der Zukunft zu dem am stärksten wachsenden Intelligentes Implantat Quelle: NMI Marktsegmenten der Medizintechnik, aber ohne nennenswerte deutsche Beteiligung. Innovationen werden dabei getragen durch Mikrosystem- und Informations- und Kommunikationstechniken, zusammen mit Fortschritten bei der Biologisierung der Implantate (z.b. durch Beschichtungen) und mit neuen Implantationstechniken. Die zentralen Merkmale des intelligenten Implantat von Morgen sind die Bio-Kompatibilität und Biostabilität, Energieautarkie / Vernetzungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Funktionalität trotz der rauen Umgebung, stabiles Messsignal sowie hohe dichte an Funktionalität. Roadmap MicroTEC Südwest

30 3. Intelligente Medizintechnik Intelligente Medizin-Instrumente & -Ausrüstung für Chirurgie, Therapie, Logistik und Labor tragen bei zur Reduktion von Kosten, Zeit und Risiko durch bessere und effektive, patientenschonende Eingriffe (z.b. multifunktionelle Herzkatheter). Die medizinische Behandlungsqualität soll gesteigert und der Nutzen der Behandlung vor allem für die Lebensqualität der Patienten erhöht werden. Mit hilfe Intelligente, multifunktionelle medizinische Instrumente werden die medizinische Eingriffe effektiver und genauer gleichzeitig Patienten schonender. Mikrosilikonspritzguß für Implantate Quelle: Osypka AG Außerdem stellt die Entwicklungen bei der Erfassung von Bild- und Vitaldaten durch immer neue sensorische Möglichkeiten während einem chirurgischen Eingriff eine wichtigen Meilenstein für die Theranostik, die Umschreibung der enge und zeitnahe Verzahnung der Phasen Therapie und Diagnostik, die im weiteren Sinne als Closed Loop betrachtet werden kann. Die Produktvision der intelligenten minimalinvasiven Instrumente (z.b. Endoskope oder Katheter) - einfach handhabbar, multifunktionell einsetzbar (z.b. Kraft-/Drehmomentsensorik zur Leistungsregelung, Analyse, Navigation, TX/RX Sensor, Plaque Analyse) entspricht der Anforderung der Ärzte nach schnelleren und sichereren Prozeduren (Eingriffen, Untersuchungen). Nach der Produktvision können Eingriffe in den menschlichen Körper dadurch verkürzt bzw. reduziert werden, indem pro Prozedur mehr Informationen als bisher gewonnen werden. Hierzu soll die Platzierung möglichst vieler Funktionen auf engstem Raum mittels Mikrosystemlösungen vorangetrieben werden (Funktionsverdichtung) B. FuE-Bedarf & Maßnahmen zur Realisierung der innovativen Gesundheitslösungen Bei eingehender Betrachtung der verschiedenen Produktvisionen und der entsprechenden Anforderungen an MST-basierte Lösungen der 3. Generation konnten einige zentrale, übergreifende Aufgabenstellungen identifiziert werden (die auch für die Produktionslösungen von grundlegender Bedeutung sind): Steigerung der Funktionalität (Multifunktionalität) von Systemen (z.b. Multisensorik) durch Sensorintegration auf kleinstem Raum an der Mensch/Umfeld-Technik/System-Schnittstelle, z.b. Herzkatheter oder allgemein PoC-Diagnosesysteme mit mehreren integrierten Sensoren für gleichzeitige Analyse mehrerer Parameter Intelligente Vernetzung & (drahtlose) Kommunikation von Mikrosystemen (z.b. Sensoren) untereinander oder mit Umfeldsystemen (z.b. Datenbanken, Internet) wie sie z.b. zur Auswertung bzw. Steuerung von implantierten Systemen oder bei der Telemedizin erforderlich ist Sicherung einer effektiven & effizienten Energieversorgung für Mikrosysteme, wie sie z.b. für die Langlebigkeit von intelligenten Implantaten notwendig ist Verwendung neuer Materialien bzw. bearbeiteter Oberflächen mit verschiedenen Eigenschaften, z.b. biegsame Systems-in-foil-Lösungen wie sie für intelligente Pflaster Roadmap MicroTEC Südwest

31 eingesetzt werden können oder biokompatible bzw. biofunktionalisierte Materialen/Oberflächen wie sie für implantierbare Mikrosysteme benötigt werden Kundenspezifische miniaturisierte Integrationstechnologien zur kostengünstigen (weil modularen) und standardisierten/zertifizierten Herstellung entsprechender (multifunktionaler) Mikrosysteme, z.b. zur Verkapselung der Mikrosysteme für raue Umgebungen (Implantate im Körper, Dampfdruck-Sterilisierung von Instrumenten im Autoklaven, etc.) Diese fünf übergreifenden Themenkomplexe werden aus der MicroTEC Südwest Plattform- Perspektive (PRONTO- und SSI-Plattform) in Kapital 5 aufgegriffen und detailliert. Roadmap MicroTEC Südwest

32 FuE-Projekte und weitere Maßnahmen zur Realisierung innovativer Gesundheitslösungen bis FuE-Maßnahme Point-of-Care Diagnostik Intelligente Implantate Intelligente Medizin In-vitro- Diagnostik (IVD) Smart Textiles Status Quo => 2013 kurzfristig (2 Jahre) => 2015 Funktionalisierter Komponenten für IVD (Diakomp), Kostengünstige Herstellung & Miniaturisierung komplexer IVD Systeme (Smart Reagent Dosing), Pipettiertechnologie für Nanoliterbereich (PipeJetTip); Miniaturisierte Chemo- und Biosensoren (CTC-Detect, VirCellChip) Analysesystem zur kontinuierlichen Überwachung physiologischer Blutparameter am Patienten (Click & Go) Bekleidungssysteme mit textilintegrierter Erfassung von Vitalparametern mit Auswertung & Übertragung in ein übergeordnetes Melde- und Informationssystem (TexVital) Entwicklung von biokompatiblen Materialien, Biofunktionalisierung von Oberflächen, Closed-Loop-Implantate Implantate mit hoher Funktionsdichte: Integration aktiver Elektronik und Biosensorik - in hermetisch dichtem, chemisch beständigem und biokompatiblem Gehäuse - in gehäusefreiem Implantat (Smart Implant) mittelfristig (5 Jahre) => 2018 längerfristig (8 Jahre) => 2021 Benutzerfreundlich für Laien - Schnelle Ergebnisauswertung - Time-to-result: < 1-15 min - Indikationsabhängige Testprofile, Prüfen einzelner/mehrerer Parameter - Adaption für mobilen und dezentralen Einsatz - Konnektivität mit dem Zentrallabor und IKT Systems des Krankenhauses Anwendungsspezifische Implementierung von Sensor-, Auswerte- und Übertragungseinheiten in Funktionsbekleidungssysteme (Sport, Wellness, Therapie/Nachsorge, Unfallverhütung, SAR-Einsatzkräfte etc.) Erarbeiten von präventiven und therapeutischen Szenarien mithilfe intelligenter Implantate für einige ausgewählte Beispiele - biostabile Bauformen gewährleisten sichere Langzeitfunktion - Miniaturisierung ermöglicht schonende Implantation - Biofunktionalisierte Oberflächen verhindern die Passivierung durch Fremdkörperreaktionen - Autarke Energieversorgung für Langzeitbetrieb macht externe Module und Batteriewechsel überflüssig - Integrierte IKT ermöglicht Patientenmonitoring, Vernetzung und Closedloop-Anwendungen - Hohe Dichte an Funktionalität - kontrollierte Gewebeintegration durch bioaktive Oberflächen; multifunktionell (viele Funktionen auf kleinstem Raum) - tastende Sensoren z.b. bei Kathetern zur direkten Gewebeanalyse - genaue Navigation im Körper - möglichst kabellos & geringes Gewicht - kostengünstig herstellbare Einweg-Komponenten oder hochwertige klavierbare Komponenten Roadmap MicroTEC Südwest

33 4.3. Smart Transport & Smart Buildings als weitere wichtige Anwendungsbereiche Neben seinem Fokus auf die oben dargestellten Bereiche Smart Production und Smart Health hat MicroTEC Südwest die Kompetenz und das Potential, in zahlreichen weiteren Anwendungsfeldern intelligente MST-basierte Lösungen zu entwickeln. Zwei Bereiche werden im Folgenden beispielhaft kurz dargestellt. Smart Mobility & Transport: Sicher, Sauber, Sparsam In der Clusterregion befinden sich zahlreiche international herausragende Unternehmen (Bosch, Daimler, etc.) und Forschungseinrichtungen (z.b. die Universitäten Karlsruhe, Ulm, Stuttgart oder das Forschungszentrum Informatik mit seinem Living Lab Automotive, etc.) sowie ein weiterer nationaler Spitzencluster (Elektromobilität Süd-West), die sich intensiv mit Fragen der sicheren und nachhaltigen Mobilität beschäftigen. MicroTEC Südwest leistet in diesem Zusammenhang wichtige technologische Beiträge z.b. durch die Entwicklung einer hochempfindlichen Raumtemperatur-Ferninfrarot-Bildsensorik für kostengünstige Nachtsichtsysteme im Auto oder von völlig neuartigen Siliciumcarbid-basierten Sensoren für den Einsatz in besonders rauen Umgebungsbedingungen, u.a. im Brennraum von Verbrennungsmotoren zur Optimierung des Verbrennungsprozesses. Auch im spezifischen Bereich der Elektromobilität, ein wichtiges Element nationaler Energie-, Verkehrs-, Industrie-, u.a. Politik (vgl. Regierungsprogramm Elektromobilität von 2011), kann MicroTEC Südwest wichtige Beiträge leisten (z.b. für das Batterie-, Thermo-, etc. Management im Auto). Brennraum-Drucksensoren in Motoren Quelle: Robert Bosch GmbH Das Thema nachhaltige Mobilität ist nicht nur in Deutschland, sondern in ganz Europa und speziell auch in Baden-Württemberg ein Schwerpunktthema der Forschungsförderpolitik. Alleine die Bundesregierung hat in ihrem Aktionsplan zur Hightech-Strategie 2020 knapp 2,2 Mrd. Euro zur Unterstützung des Zukunftsprojektes nachhaltige Mobilität eingeplant. In diesem Zusammenhang kann MicroTEC Südwest seine MST-Kompetenzen in den unterschiedlichsten Bereichen für mehr Sicherheit, Komfort und Sparsamkeit einbringen. Die für den Mobilitäts- und Transportbereich entwickelten und kostengünstigen, weil in großen Stückzahlen produzierten, Lösungen erschließen darüber hinaus ein großes Potential für Innovationen in Anwendungsbereichen auch mit geringeren Stückzahlen ( Cross-Industry-Innovation ). Roadmap MicroTEC Südwest

34 Nachhaltige Mobilität als förderpolitisches Schwerpunktthema: Gesellschaftliche Herausforderung im EU Rahmenprogramm für Forschung & Innovation Horizont 2020 Smart, Green and Integrated Transport Bedarfsfeld der High-Tech-Strategie 2020 für Deutschland Zukunftsprojekte im Aktionsplan des BMBF zur Hightech-Strategie Schwerpunktthema des Landes Baden- Württemberg 10 Mobilität Nachhaltige Mobilität Nachhaltige Mobilität Smart Buildings & Infrastructures: sichere & effiziente Bauwerke und Infrastrukturen MicroTEC Südwest sieht ein großes Zukunftspotential für intelligente MST-basierte Lösungen in Bereichen wie Smart Metering (intelligente Zähler), Smart Homes (vernetzte Geräte & Installationen) oder Building Monito-ring (z.b. Drucksensoren im Beton) zur Erhöhung der effizienten Energienutzung und Sicherheit sowie allgemein der Lebensqualität für den Menschen in seiner gebauten Umwelt. Energieeffizienz und -sicherheit sowie der Schutz des Individuums mit seinen spezifischen Bedürfnissen (z.b. nach Privatsphäre) im Kontext gesamtgesellschaftlicher Interessen (z.b. Schutz vor Terrorismus, organisierter Kriminalität aber auch vor Naturkatastrophen oder Großunfällen) wird im digitalen Zeitalter als große Herausforderung erachtet, zu der MicroTEC Südwest seinen Beitrag leisten kann. Mit dem Fraunhofer Innovationscluster Future Security BW, jetzt Future Urban Security, setzen Clusterakteure mit Partnern seit mehreren Jahren entsprechende Forschungsprojekte um. Energieeffizienz & -sicherheit sowie Sicherheit im digitalen Zeitalter als förderpolitische Themen: Gesellschaftliche Herausforderung im EU Rahmenprogramm für Forschung & Innovation Horizont 2020 Bedarfsfeld der High-Tech-Strategie 2020 für Deutschland Zukunftsprojekte im Aktionsplan des BMBF zur Hightech-Strategie Schwerpunktthema des Landes Baden- Württemberg 11 Secure, clean and efficient energy Klima & Energie Die CO 2 -neutrale, energieeffiziente und klimaangepasste Stadt Umwelttechnologie & Ressourceneffizienz Secure Societies Sicherheit Kommunikation Digitale Sicherheiten Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft Embedded Systems & IT-Dienstleistungen Technologien, Tüftler und Talente Wirtschaftliche und technologische Perspektiven der Baden-Württembergischen Landespolitik Studie im Auftrag des Staatsministeriums Baden-Württemberg Technologien, Tüftler und Talente Wirtschaftliche und technologische Perspektiven der Baden-Württembergischen Landespolitik Studie im Auftrag des Staatsministeriums Baden-Württemberg Roadmap MicroTEC Südwest

35 5. FuE-Schwerpunkte zur Realisierung intelligenter Lösungen Die Verbesserung der internationalen Markt- und Wettbewerbsposition bzw. die Etablierung von MicroTEC Südwest als weltweit führender Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandort für intelligente Produkte mit integrierter Mikrosystemtechnik (vgl. Kap. 4) erfordert die Bündelung der Kompetenzen und Kräfte auf die Lösung der zentralen Fragestellungen von Mikrosystemen der 3. Generation. Die intelligenten Lösungen der Zukunft basieren im Kern auf Mikrosystemen, die nutzer-akzeptierte/-freundliche Mensch-Technik-Umwelt-Schnittstellen aufweisen, vernetzt sind, d.h. untereinander kommunizieren und Informationen austauschen, autark sind, d.h. ihre Energie selbst aus dem Umfeld generieren, speichern und verwalten, nachhaltig sind, d.h. sparsam im Verbrauch (natürlicher) Ressourcen sind, und kundenspezifisch hergestellt und in verschiedene Produkte integriert sind. Abb. 8: Einbettung der fünf querschnittsorientierten FuE-Schwerpunkte in die Roadmap-Struktur Clar/Sautter 2013 Die fünf übergreifenden, querschnittsorientierten FuE-Schwerpunkte sind für MicroTEC Südwest von strategischer Bedeutung, da sie die vorhandenen Kompetenzen zahlreicher Akteure unabhängig von ihrer Position in der Wertschöpfungskette oder des Anwendungsbereichs einbeziehen, also ein hohes Potential für FuE-Kooperationen aufweisen, und eine entsprechend hohe Hebelkraft entfalten können. Diese fünf Schwerpunkte greifen zudem zentrale Fragestellungen auf, wie sie auch in den aktuellen Roadmaps der Europäischen Technologieplattformen für Smart Systems (EPoSS) und für Micro- and NanoManufacturing (MINAM) im Zusammenhang mit intelligenten Mikrosystemlösungen der 3. Generation behandelt werden. Durch die Bündelung und den gezielten Ausbau der Kompetenzen in diesen Themenkomplexen wird die Position von MicroTEC Südwest als führendes Roadmap MicroTEC Südwest

36 Kreativ-, Innovations- & Gründerzentrum bzw. als ein führender Knotenpunkt in der weltweiten MSTrelevanten Wissensproduktion gestärkt. Abb. 9: Intelligente Mikrosystemlösungen der 3. Generation in Anlehnung an EPoSS Im Folgenden werden die FuE-Schwerpunkte mit jeweiligem Bezug zur obigen Darstellung der intelligenten Mikrosystemlösungen der 3. Generation (Abb. 9) dargestellt und konkrete Maßnahmen zur Realisierung entsprechender Mikrosystem-Funktionen bzw. -Eigenschaften in MicroTEC Südwest aufgezeigt. Roadmap MicroTEC Südwest

37 5.1. Funktionale Systeme (Mensch-Technik-Umwelt-Schnittstellen) A. Einführung & Beschreibung des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Die Herausforderung und das strategische Ziel im Bereich der funktionalen Systeme (Mensch- Technik-Umwelt-Schnittstellen) ist, Smart Systems sinnvoll nutzbar zu machen. Mensch-Maschine-Schnittstelle Einfache Bedienoberfläche: Oberflächenfunktionalisierung Multifunktions-Geräte Produktintegration Verselbständigung der Systeme Übernahme / Steuerung mechanischer & sensorischer Funktionen Zielgruppenspezifische Reduktion von Komplexität notwendig Bedienkomfort / Usability Einschränkung von Entscheidungsmöglichkeiten Abbildung 10: Stichwort-Wolke zu Mensch-Technik-Interaktion Kern des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Mensch-Technik-Interaktion ist die technische, semantische und ergonomische Gestaltung von intelligenten MST-basierten Lösungen für den Menschen. Eine zentrale Frage ist dabei: Wie können intelligente Lösungen in Bereichen wie Gesundheit, Mobilität, Energie, Kommunikation und Sicherheit so gestaltet werden, dass sie für den Menschen einfach verständlich und komfortabel in der Bedienung sind? (Mikro-)Optische Schnittstellen wie z.b. bei Head-Up-Displays, die dem Menschen wichtige Informationen in sein Hauptsichtfeld projizieren (im Flugzeugcockpit, auf die Frontscheibe im Auto oder auf Brillengläser), spielen dabei eine wichtige Rolle. Die von Google entwickelte Datenbrille Google Glass, die Anfang 2014 offiziell auf den Markt kommen soll, zeigt die Richtung der zukünftigen Entwicklung zur computergestützten Erweiterung der Realitätswahrnehmung für den Menschen (Augmented Reality). In den kommenden Jahren ist mit dramatischen Fortschritten im Bereich der unterstützten situativen Wahrnehmung des Umfelds (z.b. Situation in Blickrichtung) mit konvergierenden Informationsschnittstellen (z.b. über Kontaktlinsen, Bio-Chips,...) zu rechnen. Intelligente Mikrosystemlösungen der Zukunft unterstützen nicht nur die visuelle Wahrnehmung. Sie besitzen Schnittstellen, die alle menschlichen Sinne ansprechen bzw. abbilden können (Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Tasten, aber auch Temperatursinn, Gleichgewichtssinn etc.). So können z.b. bereits heute blinde und sehbehinderte Menschen über interaktive Braille-Displays (berührungsempfindliche Stiftplatte), wie sie in MicroTEC Südwest hergestellt werden, mit dem Computer kommunizieren und Grafiken erkennen bzw. bearbeiten. Interaktives Braille-Display Quelle: metec AG Roadmap MicroTEC Südwest

38 Die Integration unterschiedlicher Mensch-(Umfeld)-Technik- Schnittstellen (z.b. optische, akustische, Beschleunigungssensoren) auf kleinstem Raum ist eine wichtige technologische Herausforderung für die Mikrosystemtechnik (s.u.). Bei der Entwicklung solcher intelligenter Schnittstellen und insbesondere bei deren Integration in die eigentlichen Produkte bzw. Maschinen (z.b. intelligente Kleidung oder bionische Handling-Assistenten) sind die entsprechenden Bedürfniswelten der jeweiligen Zielgruppe zu berücksichtigen (gerade vor dem Hintergrund der alternden Gesellschaft). Für den Menschen bzw. den Nutzer steht der Bionischer Handling-Assistent Quelle: FESTO AG Mehrwert und die Benutzerfreundlichkeit von intelligenten mikrosystemunterstützten Lösungen im Vordergrund, die eigentliche Technik steht dabei im Hintergrund. Die Mikrosystemtechnik liefert hier sozusagen die Hardware, die eingebettet in übergeordnete Systeme und verknüpft z.b. mit Datenbanken erst den intelligenten Mehrwert für die Nutzer ermöglicht. B. Beitrag von Mikrosystem-Technologien zum FuE-Schwerpunkt Die Mikrosystemtechnik schafft mit Technologien an der Schnittstelle Mensch-(Umwelt)-Technik die Voraussetzung für funktionale, sinnvoll nutzbare Systeme und intelligente Mensch-Technik- Interaktion. Sensoren (Beschleunigungs-, Neigungs-, Drehraten-, Strömungs-, Differenzdruck-, Temperatur-, Taupunkt-, etc. Sensoren) ermöglichen die Wahrnehmung von unterschiedlichsten Reizen bzw. Signalen aus dem Umfeld von Mikrosystemen. Diese in der Regel analogen Eingangssignale werden über Analog-Digital-Schnittstellen (Interfaces) für die digitale Datenverarbeitung in Mikroprozessoren umgewandelt. Häufig befinden sich dabei Sensoren und integrierte elektronische Schaltkreise auf einem Halbleiter (System-on-a-Chip: vergleiche dazu auch die MEMS-/MOEMS- Sensoren Datenempfänger Intelligente Mikrosysteme analysieren komplexe Situationen reagieren autonom und intelligent Schnittstellen Datenverarbeitung Aktoren Datensender Energiegewinnung Energiespeicherung Energiemanagement Clar/Sautter 2013 /CMOS-Technologien). Über solche Mikrocontroller und Signalprozessoren können Mikrosysteme komplexe Situationen in ihrem Umfeld analysieren. Über spezifische Aktoren (wie z.b. Mikro- Motoren, -Pumpen, -Ventile) können sie entsprechend autonom und intelligent reagieren und auf ihr Umfeld einwirken. Im FuE-Schwerpunkt Mensch-(Umwelt)-Technik-Interaktion spielen demnach alle Aspekte der elektronischen Mess-, Steuer- und Regelungstechnik eine zentrale Rolle. Weitere sehr wichtige Roadmap MicroTEC Südwest

39 Aspekte für eine bessere Mensch-(Umwelt-)Technik-Interaktion sind daneben auch die Weiterentwicklung ultradünner, flexibler Sensorik/Elektronik oder die Funktionalisierung von Oberflächen, um die Sensorik/Elektronik noch besser mit Gegenständen bzw. Geräten verschmelzen zu können bzw. sie mit einer Art zweiten intelligenten Haut überziehen zu können und möglichst viele Funktionen auf kleinstem Raum unterbringen zu können (s. Abschnitt 6.4 zu neuen Materialien & Oberflächen). Drahtlose Signal-/Datenübertragung sowie die Verknüpfung mit Datenbanken bzw. die Einbettung in übergeordneten Systeme (vgl. Abschnitt 5.2 zu vernetzten Systemen), eine dezentrale, mobile Energieversorgung der Mikrosysteme (vgl. Abschnitt 5.3 zu autarken Systemen) sowie eine kostengünstige Herstellung und Integration solcher Mikrosysteme (vgl. Abschnitt 5.5 zu kostengünstiger, modularer Mikrosystemtechnik) sind weitere wichtige Aspekte, die für die zukünftige weite Verbreitung von funktionalen MST-basierten Lösungen von grundsätzlicher Bedeutung sind. C. Spezifische Kompetenzen in MicroTEC Südwest MicroTEC Südwest verfügt über ein ausgesprochen tiefes wie gleichermaßen breites Kompetenzspektrum im Bereich der Mikro-Sensorik, Aktorik, Elektronik, etc., also im Bereich der Basistechnologien für intelligente Mikrosysteme der 3. Generation. Bereits die Mikrosysteme der 1. Generation wurden maßgeblich durch Entwicklungen in MicroTEC Südwest geprägt und verbreitet. So wurden z.b. mikromechanische Drehratensensoren als Herzstück des Elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) von Bosch 1995 erstmalig für die Mercedes S-Klasse in Serie gefertigt. Aber auch zahlreiche mittelständisch geprägte, international erfolgreiche Unternehmen (z.b. Endress+Hauser, Sick, Testo, aber auch efm-systems, Binder Elektronik, Würth Eletronik, etc.) produzieren z.t. bereits seit Jahrzehnten Mikro-Sensoren/Aktoren bzw. verwenden diese kombiniert mit mikroelektronischen Komponenten in Produkten z.b. für die Mess-, Steuer- & Regelungstechnik. Aus der langen feinwerktechnischen, mikromechanischen Tradition heraus entwickelte sich auch eine herausragende Hochschul- und Forschungslandschaft in MicroTEC Südwest. Bereits 1955 wurde z.b. die Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.v. gegründet, die heute mit dem Institut für Mikro- und Informationstechnik (HSG-IMIT) und dem Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT) zwei international renommierte Mikrosystemtechnik-Forschungseinrichtungen trägt. Gemeinsam mit dem Institut für Mikroelektronik IMS-Chips, das z.b. über besonderes Know-how im Bereich der CMOS Bildsensorik verfügt, sowie weiteren Instituten der Innovationsallianz Baden- Württemberg bilden diese Einrichtungen das Rückgrat der wirtschaftsnahen MST-Forschung. Die Fraunhofer-Institute sowie die Hochschulen und Universitäten ergänzen und vertiefen das regionale Kompetenzprofil im Bereich der Mikro-Sensorik, Aktorik, Elektronik, etc. Beispielhaft für Kompetenzen im unmittelbaren Bereich der Mensch-Technik-Interaktion sind z.b. zwei Ausgründungen zu nennen: Die Metec AG (ausgegründet 1974 aus der Universität Stuttgart) fertigt Braille Displays für Blinde und die Retina Implant AG (ausgegründet 2003 aus dem Institut NMI in Reutlingen) entwickelt Netzhaut-Implantate mit dem Ziel, bei blinden Menschen mittels mikroelektronischem Retinaimplantat wieder ein brauchbares Sehvermögen herzustellen. Roadmap MicroTEC Südwest

40 D. FuE-Maßnahmen zur Realisierung funktionaler Mikrosystemlösungen In nachfolgender Tabelle werden die FuE-Maßnahmen stichwortartig aufgeführt, die bislang im Rahmen der Spitzencluster-Förderung des BMBF durchgeführt wurden und die zukünftig in diesem übergreifenden FuE-Schwerpunkt Mensch-(Umwelt-)Technik-Interaktion bis in MicroTEC Südwest durchgeführt werden bzw. zur Durchführung geplant sind. Dabei spielen die Beiträge der einzelnen Maßnahmen zur Realisierung von innovativen, intelligenten Lösungen im Gesundheits- und Produktionsbereich (vgl. Kap. 4), aber auch in anderen Anwendungsbereichen eine zentrale Rolle. Drei wesentliche Themenkomplexe lassen sich hierbei zusammenfassen: Weiterentwicklung und Verbreitung von optische Sensoren (Mini-Kameras) Vorantreiben der Sensorintegration Entwicklung von Sensoren/Aktoren direkt am/im Menschen (Bekleidung & Implantate) Roadmap MicroTEC Südwest

41 FuE-Projekte und weitere Maßnahmen zur Realisierung funktionaler Mikrosystemlösungen bis FuE-Maßnahme Optische Sensoren Sensorintegration Sensoren direkt am Menschen (Bekleidung, ) Sensoren im menschlichen Körper (Implantate) Status Quo => 2013 Entwicklung einer Serie von miniaturisierten konfigurierbaren Kameras unterschiedl. Baugröße für vielfältige Einsatzbereiche (KonKaMis) u.a. für automat. Werkstück-Prüfung in der Automatisierungstechnik kurzfristig (2 Jahre) => 2015 Entwicklung einer steuerbaren 3D- Bilderfassung und -verarbeitung zur miniaturisierten Positionserfassung (INSERO3D) u.a. für bionische Handling Assistenten, automatisierte Fahrzeuge, etc. Entwicklung von Sensor- Submodulen (Akkustik-, Beschleunigungs-, Druck-, Temperatur- und optischer Sensor) für Sensor-Integration (ITAS) für Home Monitoring (Security), Industrial Monitoring (Safety), etc. Entwicklung eines textilintegrierten Sensorsystems zur Erfassung von Vitalparametern bei Patienten (TexVital) Entwicklung & Erprobung einer Biosensorik für Messungen von Stromstärken, Widerständen und Impedenzen und Stimulationen im menschlichen Körper (Smart Implant) mittelfristig (5 Jahre) => 2018 Vgl. Tabelle auf Seite 24 Sensorintegration u. -kombination (Drucksensoren etc.) auf engstem Raum & unter rauen Bedingungen u.a. für intelligentere Medizininstrumente, z.b. Herzkatheter mit tastender Sensorik. Integration flexibler u. dehnbarer Sensoren in Textilien Vgl. Tabelle auf Seite 31 Biokompatible vernetzte Chemische & Biosensoren für intelligente Implantate als nano labs längerfristig (8 Jahre) => 2021 Sensorintegration (Thermische, optische etc. Sensoren) im komplexen Umfeld, Sensoren die unsichtbar, autark, autonom und vernetzt sind. u.a. für bionische Handling Assistenten mit integriertem eye-tracking & Temperaturerfassung beim Menschen Künstliche Nerven / neuronale Schnittstellen u. Bioimplantate für regenerative Medizin; Mensch-Machine-Schnittstelle: Steuerung von Geräten über neuronale Interface. Roadmap MicroTEC Südwest

42 5.2. Vernetzte Systeme (Systems of Systems) A. Einführung & Beschreibung des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Die Herausforderung und das strategische Ziel im Bereich der vernetzten Systeme (Systems of Systems) ist, die steigende Komplexität zu handhaben. Smart Systems Integration der (2. &) 3. Generation Internet of Things / Cyber Physical Systems Sensorfusion / Aktorintegration, Netzwerke Integration in Smart Grid überlappende Systeme, z.b. Mobilität und Energie Software und Künstliche Intelligenz Lernfähigkeit des Systems Steigende Komplexität Standardisierung von Schnittstellen Steuerbarkeit, Protokolle und Standards Fehleranfälligkeit Redundanzen in Netzwerken Systemische Risiken Plausibilitätsprüfung 2. Ordnung Gläserner Mensch Abbildung 11: Stichwort-Wolke zu Systems of Systems Kern des FuE-Schwerpunktes Systems of Systems sind vernetzte, sich überlappende, Multi- Ebenen-Systeme von intelligenten Mikrosystemlösungen. Produkte, Geräte und Objekte mit eingebetteter Hardware und Software interagieren z.b. in den Bereichen Mobilität, Energie, Produzieren & Konsumieren, Wohnen und Gesundheit über die klassischen Anwendungsgrenzen hinweg. Zentrale Frage ist: Wie lässt sich die steigende Komplexität der Systeme sinnvoll steuern unter Berücksichtigung von Themen wie Fehleranfälligkeit, Verletzlichkeit und systemische Risiken, Vernetzung und Aufbau notwendiger Redundanzen, Interoperabilität sowie Plausibilitätsprüfungen zweiter Ordnung. Während der im vorangegangenen Abschnitt beschriebene FuE-Schwerpunkt zur Mensch(Umfeld)- Maschine(Technik)-Interaktion die grundlegenden Elemente von Mikrosystemen der 1. Generation adressiert (Fokus auf Hardware: Sensoren, Aktoren, Analog-Digital-Schnittstellen & Mikroprozessoren), beschreibt der FuE-Schwerpunkt Systems of Systems mit der intelligenten Vernetzung (Machine-to-Machine-Kommunikation) und der intelligenten Aufwertung von Mikrosystemen den Übergang zu Mikrosystemen der dritten Generation (cyber-physikalische Systeme CPS). 12 Die Bedeutung von künstlicher Intelligenz und softwaregestützter Lösungen für selbstlernende und autonom agierende Systeme wächst dabei deutlich. 12 Vgl. Geisberger/Broy (2012): agendacps - Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems Roadmap MicroTEC Südwest

43 Im FuE-Schwerpunkt Systems-of-Systems sind demnach sowohl technische Fragen der (drahtlosen) Datenübertragung/Kommunikation z.b. zwischen Mikrosystemen in Sensornetzen zu klären als auch inhaltliche Fragen der Datenverarbeitung und Einbindung in übergeordnete komplexe Systeme wie z.b. in Verkehrsleitsysteme oder in Prozesssteuerungssysteme der Industrie (vgl. Schichtenmodell unten). In den kommenden 10 Jahren ist getrieben durch den rasanten Fortschritt der Informations- und Kommunikationstechnologien mit einer wachsenden Konvergenz verschiedener Meta-Systeme, wie z.b. Energie-, Verkehrs-, Produktions-, Kommunikations-, etc. Systeme im Internet der Dinge zu rechnen. Funk-Sensor-Knoten für Sensornetze Quelle: IMTEK Schichtenmodell Machine-2-Machine Lösungen nach Dietmar Urban & Prof. Leonhard Reindl 2012 Roadmap MicroTEC Südwest

44 B. Beitrag von Mikrosystem-Technologien zum FuE-Schwerpunk Die Mikrosystemtechnik stellt mit ihren Technologien die Grundlagen für intelligent vernetzte und eingebettete Systeme: Signalübertragungstechnologien, mit deren Hilfe Daten entweder über Kabel (z.b. leitungsgebundene serielle Bussysteme) oder kabellos über Funktechnik (z.b. RFID, SAW-Tags, IWLAN, etc. im Nearfield-Bereich oder LTE, UMTS, GSM etc. im Long Range Bereich) empfangen und gesendet werden sowie die entsprechenden Schnittstellen-/Netzwerk-Protokolle und Standards (z.b. ZigBee, Wireless M-Bus, WirelessHART) stellen wesentliche Komponenten dar für die Kommunikation mit anderen Systemen. Über die reine Datenübertragung (Empfangen und Senden) hinaus, spielt gerade die Verarbeitung von vielfältigen und möglicherweise auch widersprüchlichen Informationen wie sie z.b. in großen Sensornetzwerken vorkommen können eine herausragende Rolle (Sensor-/Informationsfusion). Neben statistischen Verfahren kommen hierbei z.b. die Fuzzy- Logik oder künstliche neuronale Netze zum Einsatz. Unabhängig ob die Daten dezentral oder zentral (remote evaluation) verarbeitet werden, ist die eingebettete Software mit der kompletten System- Architektur (inkl. System-Design & Simulation) dabei von zentraler Bedeutung. Intelligente Mikrosysteme Sensoren Schnittstellen Aktoren Kommunikation Datenempfänger Datenverarbeitung Datensender Kommunikation kommunizieren mit anderen Systemen Energiegewinnung Energiespeicherung Energiemanagement Clar/Sautter 2013 Zur breiten Etablierung von intelligent vernetzten Systemen sind darüber hinaus die Fragen der dezentralen, mobilen Energieversorgung der Mikrosystemen (vgl. Abschnitt 5.3 zu autarken Systemen) sowie der kostengünstigen Herstellung und Integration solcher Mikrosysteme (industrielle Sensoraufwertung zur Reduzierung der Cost per Function ) (vgl. Abschnitt 5.5 zu kostengünstiger, modularer Mikrosystemtechnik) zu klären. C. Spezifische Kompetenzen in MicroTEC Südwest Das IMTEK Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg forscht seit Jahren erfolgreich in den Bereichen der drahtlosen RFID-Sensoren, der Sensornetzwerke oder der drahtlosen, energieeffizienten Ausleseverfahren von Sensoren. Unter anderem ist daraus die Ausgründung Smart Exergy WMS GmbH entstanden, die drahtlose Monitoringlösungen anbietet. Am IMTEK ist darüber hinaus das Graduiertenkolleg Eingebettete Mikrosysteme angesiedelt, das die Bereiche Sensorik, Mikroelektronik und Informatik miteinander kombiniert und vom HSG-IMIT Institut für Mikro- und Informationstechnik und den regionalen Unternehmen Sick AG, Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG und Micronas AG unterstützt wird. Roadmap MicroTEC Südwest

45 Auch in Karlsruhe beschäftigen sich zahlreiche Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Forschungszentrum für Informatik (FZI) mit eingebetteten bzw. vernetzten Systemen und künstlicher Intelligenz. Am FZI sind z.b. verschiedene Living Labs u.a. zu smarthome/aal, smartautomation, mobileit/mobilebusiness eingerichtet, um intelligente und miteinander vernetzte Systeme in ihrer Alltagsumgebung zu testen und weiter zu entwickeln. Allein schon aufgrund der großen Zahl an innovativen Maschinenbau- und Automatisierungsunternehmen aber auch wegen der entsprechenden Forschungseinrichtungen verfügt MicroTEC Südwest über herausragende Kompetenzen im Bereich der intelligent vernetzten Automatisierungsund Produktionstechnik (Industrie4.0). So wird z.b. in Stuttgart am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und an der Universität Stuttgart intensiv an Technologien für die intelligente Fabrik der Zukunft geforscht. Umliegende Hochschulen wie z.b. die Hochschule Esslingen bieten entsprechende Studiengänge wie Mechatronik / Systems Engineering an (ebenso wie die Hochschule Ulm). Maßnahmen zur stärkeren Einbindung der regionalen IT- Kompetenzen und zum Ausbau bzw. zur Verbreitung von ganzheitlichem, transdisziplinär systemischem Wissen in MicroTEC Südwest sind geplant bzw. wurden bereits begonnen (vgl. Kap. 6 zur Vernetzung & Bündelung von Kompetenzen und Kap. 7 zu Ausbau & Bündelung der Aus-/Weiterbildungsangebote). D. FuE-Maßnahmen zur Realisierung vernetzter Mikrosystemlösungen In nachfolgender Tabelle werden die FuE-Maßnahmen stichwortartig aufgeführt, die bislang im Rahmen der Spitzencluster-Förderung des BMBF durchgeführt wurden und die zukünftig in diesem übergreifenden FuE-Schwerpunkt Systems of Systems bis in MicroTEC Südwest durchgeführt werden bzw. zur Durchführung geplant sind. Dabei spielen die Beiträge der einzelnen Maßnahmen zur Realisierung von innovativen, intelligenten Lösungen im Gesundheits- und Produktionsbereich (vgl. Kap. 4) aber auch in anderen Anwendungsbereichen eine zentrale Rolle. Drei zentrale Themenkomplexe lassen sich hierbei zusammenfassen: Optimierung der drahtlosen Datenübertragung (low power wireless condition monitoring & Datensicherheit) Sensorfusion & intelligente Datenverarbeitung (Algorithmen, Agenten, ) (Standardisierte) Schnittstellen für Einbettung in übergeordnete Systeme Die Bearbeitung dieser Themenkomplexe findet derzeit in der Fachgruppe Smart Systems von MST BW und sowie in gemeinsamen Workshops mit Baden-Württemberg Connected e.v. (bwcon) statt. Diese Aktivitäten liefern die Grundlagen für weitere, zukünftige Pilotanwendungen insbesondere im Industrie-/ Automationsbereich sowie im Gesundheitswesen. Roadmap MicroTEC Südwest

46 parallel zu laufenden Projekten: anwendungsübergreifende Arbeitsgruppe Sensornetzwerke meet IT zur Ausarbeitung von Lösungen zu Fragen der Daten- & Konfigurationssicherheit,, Plattform- & Systemarchitektur, Topologien & Schnittstellen (Interface Definition Language), System-Partitionierung, lokaler vs. zentraler Intelligenz, Quervernetzung zu Energiemanagement, Kommunikation, etc. FuE-Projekte und weitere Maßnahmen bis im Bereich vernetzte Systeme (Systems of Systems) FuE-Maßnahme Pilotanwendungen im Industrie-/ Automationsbereich & Gesundheitswesen (vgl. auch Kap. 5) Optimierung der drahtlosen Datenübertragung in Sensornetzwerken (low power wireless monitoring & Datensicherheit) Sensorfusion & intelligente Datenverarbeitung (Algorithmen, Agenten, ) (Standardisierte) Schnittstellen für Einbettung in übergeordnete Systeme Status Quo => 2013 Industrie/Automation: siehe unten: Easy-WSN, Sens- RFID, TorqueSENS Gesundheitswesen: siehe unten: TexVital synchronisiertes High- Speed Wireless Sensor- Netzwerk (Easy-WSN) RFID-basiertes Sensorsystem (Sens-RFID) SAW-Technologie mit intelligenter Datenverarbeitung (TorqueSENS) Sensorfusion bei drahtloser Erfassung von Vitalparametern (TexVital kurzfristig (2 Jahre) => 2015 Industrie/Automation: siehe unten: Smart Wake, ecults, SmartWT, Minergy, ITAS Gesundheitswesen: siehe unten: Smart Implant, TexVital, ITAS echtzeitfähiges ultra low power Funksensornetzwerk mit energiesparender Aufwecksystematik (Smart Wake) Ultraschall-Trackingsysteme für mobile Objekte (ecults) energieautarkes RFID-Sensorsystem (Minergy) Intelligentes & prozessunterstützendes Werkstückträgersystem (SmartWT) drahtlose Datenübertragung medizininscher Parameter (Smart Implant) Datenschnittstelle zu Smartphone/Tablet/PC für autonome Sensor Systeme (ITAS) Integration in telemetrische Plattform (Notruf-zentrale, etc.) (TexVital) CPS Kompetenzzentrum Baden- Württemberg mittelfristig (5 Jahre) => 2018 längerfristig (8 Jahre) => 2021 Industrie/Automation: drahtlose Übertragung von Parametern z.b. zur Überwachung/ Steuerung von Anlagen, Gebäuden etc. mittels App; Anbindung ans Internet & Einbettung in übergeordnete Informations-/ Managementsysteme (z.b.erp) Gesundheitswesen: Telemedizin, Telemetrie z.b. für drahtlose Übertragung von Vitalparametern bei Implantaten (Herzschrittmacher, ) oder von Bilddaten bei Endoskopen, etc. Anbindung ans Internet & Einbettung in übergeordnete Informationssysteme (z.b. Notrufzentrale, etc.) Roadmap MicroTEC Südwest

47 5.3. Autarke Systeme (Mikroenergie aus der Umgebung) A. Einführung & Beschreibung des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Die Herausforderung und das strategische Ziel im Bereich der autarken Systeme (Mikroenergie aus der Umgebung) ist, Energiewandler und autarke Systeme zu etablieren. Energieautarkie: Energy-Harvesting Energiespeicherung sensorgesteuerte Funktionen Unbegrenzte Nutzungsdauer Energie-unabhängige Datenübermittlung Spezialisierung Formfaktor Miniaturisierung Zentrale Energiedistribution Energieeffizienz: Energieverbrauch reduzieren Auswirkungen auf die Umwelt abschätzen Plausibilitätsprüfung Problem der Lebensdauer, Robustheit MST braucht Funktionalisierungs- & Passivierungsmöglichkeit Standardisierung Platzbedarf / Physikalische Grenzen / Skalierungseffekte Kosten- / Markt- / Kundenaspekte Dezentrale Energiedistribution Abbildung 12: Stichwort-Wolke zu Mikroenergie aus der Umgebung Kern des FuE-Schwerpunktes Mikroenergie aus der Umgebung ist die Entwicklung hochgradig energieeffizienter oder sogar energieautarker Systeme und Energiewandler, die aus ihrem Umfeld Energie erzeugen (Energy-Harvesting) und speichern können (Energy-Storage). Licht, Wärme oder Bewegung sind die Ressourcen dieser intelligenten MST-Lösungen, die in mobilen, kabel- und batterielosen Endprodukten, im Bereich Smart Buildings, Logistik oder Smart Health einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten sollen. Zentrale Frage ist hier: Wie können eine langfristige Standardisierung sowie eine ausreichende Lebensdauer und Robustheit der MST-Lösungen erreicht werden unter Berücksichtigung des Platzbedarfs, der physikalischen Grenzen, von Skalierungseffekten sowie von Funktionalisierungs und Passivierungsmöglichkeiten. Hochgradig energieeffiziente (low power electronics) oder möglichst energieautarke Mikrosysteme, sind die Grundvoraussetzung für die weite Verbreitung von drahtlosen intelligenten Sensornetzen bzw. cyber-physikalische Systeme und die Realisierung des Internets der Dinge im täglichen Leben. Dabei geht es je nach Anwendung zunächst einmal um elektrische Leistungen im Milli-Watt-Bereich (Mikro-Energie), wobei energieautarke wireless Monitoring-Lösungen einen wichtigen Beitrag zu Energieeinsparungen in Höhe von Terra-Wattstunden pro Jahr leisten können, wenn sie z.b. für die Optimierung der Energieerzeugung und -verteilung (Smart Grids) bzw. des Energieverbrauchs in Gebäuden (Smart Buildings) oder Produktionsanlagen (Smart Factories) eingesetzt werden. Thermogenerator Quelle: Micropelt GmbH Roadmap MicroTEC Südwest

48 B. Beitrag von Mikrosystem-Technologien zum FuE-Schwerpunkt Verschiedene Technologieansätze spielen für die Etablierung von energieeffizienten bzw. energie-autarken Mikrosystemen eine wichtige Rolle. Neben der Gewinnung von Mikroenergie aus der Umgebung sind dabei auch Fragen zur Speicherung und zum Management der Energie zu berücksichtigen. Sensoren Zur Energiegewinnung ( harvesting ) steht grundsätzlich eine Vielzahl an miniaturisierten Wandlertechnologien mit unterschiedlichen Reifegraden zur Verfügung, die verschiedene Formen von Energie für die Versorgung von Mikrosystemen wandeln also nutzbar machen können. 13 Darunter gehört z.b. die Wandlung von Datenempfänger Intelligente Mikrosysteme Schnittstellen Datenverarbeitung Aktoren Datensender Energiegewinnung Energiespeicherung Energiemanagement sind energieeffizient oder sogar energieautark Clar/Sautter 2013 kinetischer Energie (z.b. bei mechanischen Schwingungen, Rotationsbewegungen, Strömungen von Flüssigkeiten bzw. Gas, etc.) über Induktion, Piezotechnologie, etc., kurzwelliger Strahlung (Sonnen-/Kunstlicht) über Photovoltaik, Temperaturdifferenzen über thermoelektrische Technologien/Generatoren, elektromagnetischer Strahlung (Transformatoren, Stromleitern, Antennen) über elektrostatische Technologien in elektrische Energie oder die Energiegewinnung aus chemischen oder biologischen Prozessen wie z.b. über Mikro- oder Biobrennstoffzellen. Die Energiespeicherung kann über verschiedene Speicher- bzw. Batterietechnologien erfolgen wie z.b. über Knopfzellen, flexible Dünnschichtbatterien, Supercaps, Hybridspeicher, Brennstoffzellen, Lithium-Silicon-Komposite etc. 14 Spezifische Technologien für Energiemanagement & -distribution wie z.b. die Wake-Up Technologie für intelligentes Ein- und Ausschalten von Mikrosystemen bzw. einzelnen Funktionen oder spezifische Lösungen für die Hardware-Architektur (z.b. Ultra Low Power Systems, Subthreshold Operation, Active Rectification, Maximum Power Point Tracking oder auch Pulsed Operation) sind geeignet, um den Energieverbrauch möglichst soweit zu senken dass die benötigte Energie tatsächlich über miniaturisierte Wandlertechnologien zur Verfügung gestellt werden kann. Als Beispiel seien die von FESTO, HSG-IMIT und ihren Partnern im Projekt MIKOA realisierten Sensorknoten genannt, die Je nach Einsatzgebiet gibt es verschiedene technologische Ansätze zur Energiegewinnung, wobei sich die einzelnen Technologien z.t. deutlich hinsichtlich ihres Entwicklungsstandes und -potentials unterscheiden. Während z.b. die Photovoltaik als weit fortgeschritten betrachtet werden kann, bieten piezoelektrische, thermo-elektrische oder elektrostatische Technologieansätze noch sehr große Entwicklungspotentiale. Während die Knopfzellen schon lange etabliert sind weisen die Dünnschichtbatterien sowie v.a. die Hybridspeicher längerfristig ein hohes Entwicklungspotential mit breiten Anwendungsspektrum auf. Roadmap MicroTEC Südwest

49 energieeffiziente Schaltungsarchitektur mit entsprechendem Power Management und Energy- Harvesting verbinden. Eine wichtige Rolle spielen im Zusammenhang mit Energiewandlern und autarken Systemen auch Integrationstechnologien z.b. zur Integration von Mikro-Brennstoffzellen (vgl. Abschnitt 5.5 zu kostengünstiger, modularer Mikrosystemtechnik) sowie Materialtechnologien wie z.b. Formgedächtnislegierungen oder thermoelektrische Kristalle (vgl. Abschnitt 5.4 zu neuen Materialien & Oberflächen). C. Spezifische Kompetenzen in MicroTEC Südwest MicroTEC Südwest besitzt hervorragende Kompetenzen im Bereich der Mikro-Energie. Spezialisierte Firmen wie Micronas GmbH, Micropelt GmbH oder Smart Exergy WMS GmbH verfügen über spezifisches technologisches Wissen und bieten z.b. energieeffiziente Sensorik, energieautarke wireless Condition Monitoring Lösungen oder miniaturisierte Thermogeneratoren an. Diese Firmen sitzen im Umfeld des IMTEK Institut für Mikrosystemtechnik und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Beide Einrichtungen forschen intensiv in den Bereichen der Mikro- Energiegewinnung aus der Umgebung und der energieeffizienten Versorgung (z.b. energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik). Gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und unterstützt von den führenden Sensor- und Messtechnik-Herstellern Sick AG und Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG arbeiten sie u.a. im Graduiertenkolleg Micro Energy Harvesting zusammen. Das HSG-IMIT bietet industrierelevante Harvesterlösungen für Bewegungsenergie an, die u.a. in Nutzfahrzeugen (Überwachung der Hydraulikflüssigkeiten), Maschinen und Getrieben (Condition Monitoring) sowie in Haushaltsgeräten (Detektion von Leckagen in Wasch- und Spülmaschinen) oder für batterielose Notfallalarmsysteme (Risikopatienten, AAL) eingesetzt werden. Im weltweiten Vergleich sind aber noch weitere Investitionen, insbesondere in den Auf- und Ausbau von übergreifendem Know-how im Bereich autarke Systeme, erforderlich, um mit den USA (z.b. Massachusetts Institute of Technology oder Stanford University) und Japan gleichziehen zu können. D. FuE-Maßnahmen zur Realisierung autarker Mikrosystemlösungen MicroTEC Südwest hat sich zum Ziel gesetzt, autarke Mikrosystemlösungen für zahlreiche Anwendungsfelder zu entwickeln und sich als Trendsetter und Technologieführer im Bereich Mikro- Energie zu etablieren, wobei neben der Weiterentwicklung von Einzeltechnologien mittel- bis längerfristig Fortschritte in der Integration von Batterien in energieautarke Mikrosysteme sowie im Energiemanagement von Mikrosystemen zu erzielen sind. Bei der Weiterentwicklung von Einzeltechnologien sind das künftige Wertschöpfungspotenzial z.b. unter Berücksichtigung der jeweiligen Technologiekurve und alternative Technologie-pfade bzw. mögliche substituierende oder komplementäre Technologieansätze zu berücksichtigen. Grundsätzlich sollen in MicroTEC Südwest die Flexibilität in der Weiterentwicklung technologischer Lösungen erhöht und ggfs. auch alternative Lösungswege in den Fokus gerückt werden. Roadmap MicroTEC Südwest

50 In nachfolgender Tabelle werden die FuE-Maßnahmen stichwortartig aufgeführt, die bislang im Rahmen der Spitzencluster-Förderung des BMBF durchgeführt wurden und die zukünftig in diesem übergreifenden FuE-Schwerpunkt bis in MicroTEC Südwest durchgeführt werden bzw. zur Durchführung geplant sind. Dabei spielen die Beiträge der einzelnen Maßnahmen zur Realisierung von innovativen, intelligenten Lösungen im Gesundheits- und Produktionsbereich (vgl. Kap. 4) aber auch in anderen Anwendungsbereichen eine zentrale Rolle. Roadmap MicroTEC Südwest

51 FuE-Projekte und weitere Maßnahmen bis im Bereich autarke Systeme (Mikro-Energie aus der Umgebung) FuE-Maßnahme Energiewandler weiterentwickeln für breites Anwendungsspektrum Fortschritte in der Integration von Energiespeichern in Mikrosysteme Weiterentwicklung von Lösungen im Energiemanagement für low power Elektronik als Voraussetzung für weite Verbreitung von Funk-Sensornetzwerken bzw. Cyber-Physical Systems Status Quo => 2013 energieautarke textilintegrierte Sensorsysteme zur Erfassung von Vitalparametern (TexVital) RFID-basierte energieautarke Gassensorik für die Logistik (Sens-RFID) Chipintegrierte Energieversorgung mittels Brennstoffzellen (BSZ)-Akkumulatoren (Chip-BSZ) kurzfristig (2 Jahre) => 2015 mittelfristig (5 Jahre) => 2018 längerfristig (8 Jahre) => 2021 Fachgruppe Mikro-Energie : - Markt-/Bedarfsanalysen (welche Energiequellen für welche Applikationen) - Entwicklung von Quasi-Standards und Skalierung der Stückzahlen & Leistungsbereiche anstreben grober Überblick Arbeitsgruppe Energiegewinnung am / im menschlichen Körper energieautarkes Ultraschall- Trackingsystem für mobile Objekte (Logistik) (ecults) energieautarkes RFID Sensorsystem mit integrierter Mini-BSZ (Minergy) Ultra low power Funk- Sensornetzwerk (Smart Wake) Details zu Medizin-, Fertigungs- & Automatisierungstechnik Details zu allen Branchen in der Clusterregion Energiegewinnung aus Herzschlag, Atmung bzw. bio-chem. Energiegewinnung aus Glucose für autarke lebenslang funktionierende Implantate, z.b. Harvester in Kontaktlinse für Energieversorgung für Retina-Implantate energieeffiziente/autarke Mikrosystemlösungen für intelligente Produktions- und Automatisierungsprozesse (Logistik, etc.) weite Verbreitung von energieautarken Funk-Sensornetzwerken für Condition Monitoring, Smart Metering etc. wie z.b. in Smart Grids, Smart Buildings, Smart Infrastructures Roadmap MicroTEC Südwest

52 5.4. Nachhaltige Systeme (Cradle-2-Cradle) A. Einführung & Beschreibung des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Die Herausforderung und das strategische Ziel im Bereich der nachhaltigen Systeme (Cradle 2 Cradle) ist, die Ressourceneffizienz zu steigern und Wertstoffkreisläufe zu unterstützen. MST überwacht die Kreislaufwirtschaft Rohstoffmanagement Materialsubstitution / Entwicklung nachhaltiger Materialien Nutzen statt Besitzen Langlebigkeit und Robustheit MST ist selbst Teil des Kreislaufes Rohstoffverknappung Recycling oder biologische Abbaubarkeit Ganzheitliche Bilanzierung notwendig (Life Cycle Assessment) Abbildung 13: Stichwort-Wolke zu Cradle-2-Cradle Kern des FuE-Schwerpunktes Cradle-2-Cradle ist das ressourceneffiziente Produzieren und Konsumieren, bei dem möglichst nachhaltige und geschlossene Wertstoffkreisläufe realisiert werden sollen. Cradle-2-Cradle Konzepte haben in zwei Dimensionen Auswirkungen auf intelligente Mikrosystemlösungen: Im Sinne der Rückverfolgbarkeit und Überwachung von Prozessen und Warenströmen (Traceability) sowie der eigenen Recyclierbarkeit, Verwendung von nachwachsenden und/oder biologisch abbaubaren Rohstoffen, oder von Produkten mit sehr langer Nutzungsdauer. Zentrale Frage ist hier: Mit welchen neuen, nachhaltigen Materialien lassen sich die verschiedenen Anforderungen vor dem Hintergrund einer ganzheitlichen Bilanzierung (Life-Cycle-Assessment) abdecken? 15 Moderne Materialien ermöglichen in Kombination mit neuen Verfahren (z.b. Druckverfahren mit elektrisch leitfähigen Tinten) die einfache und vor allem kostengünstige sowie flexible Herstellung von elektronischen Komponenten und Systemen in großen Stückzahlen für Alltagsprodukte und Verpackungen. So können kostengünstig hergestellte bzw. direkt in Alltagsprodukte oder Verpackungen integrierte Mikrosystemlösungen wie z.b. RFID- Tags einen wichtigen Beitrag leisten zur Überwachung (tracking) und Rückverfolgung (tracing) von Waren und damit zum Management bzw. zur Überprüfung von Versorgungsketten (z.b. Food-Chain Management) oder von nachhaltigen Wertstoffkreisläufen (z.b. Recycling von wertvollen Rohstoffen). Flexibles RFID-Label Quelle: Fraunhofer IPM 15 Die Aktivitäten von Fairphone zur Entwicklung eines nach Fair-Trade-Grundsätzen nachhaltig hergestellten Smartphones sind ein Beispiel für den Versuch, in der Elektronik Aspekte der Nachhaltigkeit zu verankern ( Roadmap MicroTEC Südwest

53 Damit leistet dieser Forschungsschwerpunkt einen wichtigen Beitrag zur globalen Herausforderung der Ressourceneffizienz und zum sparsamen, nachhaltigen Umgang mit knappen Rohstoffen. 16 Bei der zukünftigen massenhaften Verbreitung von elektronischen Komponenten und Systemen sind die nachhaltige Herstellung und ganzheitliche Bilanzierung der Mikrosysteme selbst über ihren kompletten Lebenszyklus hinweg wichtige Aufgabenstellungen, selbst wenn im einzelnen Mikrosystem nur geringe Mengen an wertvollen Rohstoffen wie z.b. Edelmetalle oder Seltene Erden enthalten sind. Gedruckte Elektronik mit Silbertinte Quelle: HSG-IMAT Ein weiterer, mit neuen Materialien und funktionalisierten Oberflächen in Verbindung stehender Aspekt, ist die Entwicklung von biokompatiblen bzw. biofunktionalisierten Beschichtungen und MEMS-Bauteilen. Dieser Aspekt ist insbesondere in der Medizintechnik von großer Bedeutung, wo möglichst langlebige und bioverträgliche Implantate entwickelt werden sollen. B. Beitrag von Mikrosystem-Technologien zum FuE-Schwerpunkt Wichtige Schlüsseltechnologien wie Mikro-/Nanoelektronik, Nanotechnologien und neue Werkstoffe leisten einen wichtigen Beitrag zum FuE-Schwerpunkt nachhaltige Systeme (Cradle-2-Cradle). 17 Technologien der organischen und gedruckten Elektronik und Folientechnologien zur Herstellung von ultradünnen, flexiblen Chips (Systems in foil) sind für die kostengünstige und flexible Fertigung von funktionalen Mikrosystemen der 3. Generation wie z.b. intelligente Sensorsysteme als zweite Haut von Sensoren Intelligente Mikrosysteme Datenempfänger Schnittstellen Datenverarbeitung Aktoren Datensender Energiegewinnung Energiespeicherung Energiemanagement sind möglichst nachhaltig über den gesamten Lebenszyklus Clar/Sautter 2013 Produkten mit organischen Displays, Solarzellen etc. oder als sensorisch aktive RFID-Tags für die intelligente Warenbegleitung von großer Bedeutung. Die Grundlagen für die organische und gedruckte Elektronik werden dabei in der Material- und Oberflächenforschung gelegt. In den Materialwissenschaften werden moderne (Bio)Polymere, Nanomaterialien (z.b. Nano-Metall-Tinten), Verbundwerkstoffe etc. mit neuen Eigenschaften (z.b. selbstheilende Kunststoffe, Materialien mit Formgedächtnis, Leichtbaumaterialien) entwickelt. 18 Mit Hilfe moderner Technologien zur Oberflächenbearbeitung/-funktionalisierung (Inkjet-Verfahren, Vgl. die im Europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 formulierte globale Herausforderung Waste: a resource to recycle, reuse and recover raw materials. Vgl. die im Europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 aufgelisteten sogenannten key enabling technologies micro-/nanoelectronics, nanotechnologies & advanced materials. Vgl. MINAM Roadmap 2012, S. 32ff. zu wichtigen Materialien für Mikrosysteme wie Metalle, Polymere bzw. Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe und Nanomaterialien bzw. (nano)funktionalisierte Verbundwerkstoffe Roadmap MicroTEC Südwest

54 Laserstrukturierung etc.) können z.b. leitfähige, hydrophobe/hydrophile, antibakterielle oder biokompatible Oberflächen erstellt werden. 19 So ermöglicht die Oberflächenfunktionalisierung über kolorimetrische Metalle beispielsweise die Herstellung von Gassensoren, die bereits bei Raumtemperatur reagieren. C. Spezifische Kompetenzen in MicroTEC Südwest MicroTEC Südwest verfügt über herausragende wissenschaftliche Kompetenzen im Bereich neuer Materialien & Oberflächen und deren Einsatz in der Mikrosystemtechnik. So besitzt das Karlsruher Institut für Technologie KIT mit dem Netzwerk für Materialien der Nanotechnologie (NanoMat) und dem Forschungsprogramm für Nano- und Mikrotechnologien (Science and Technology of Nanosystems STN, vormals NANOMIKRO) Kompetenzen im weiten Bereich der Strukturierung, Funktionalisierung und Charakterisierung von Materialien und Oberflächen. Gemeinsam mit der Universität und den Max-Planck Instituten Stuttgart sowie den Universitäten in Ulm und Konstanz bildet das KIT das Kompetenznetz funktionelle Nanostrukturen Baden-Württemberg, das von der Baden-Württemberg Stiftung gefördert wird. Das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) an der Universität Tübingen forscht intensiv im Bereich der Oberflächen- und Grenzflächentechnologien, die sich mit der Herstellung und Strukturierung von Schichten, Mikro- und Nanosystemen sowie der Analyse von Werkstoffen und deren Oberflächen befassen und leistet dabei wichtige Entwicklungsarbeit u.a. für den medizinischen Einsatz von Mikrosystemen. So hat das NMI beispielsweise an der Entwicklung eines Sehimplantats gearbeitet, das von dem ausgegründeten Unternehmen Retina Implant AG weiterentwickelt und auf den Markt gebracht wird. Weitere Institute der Innovationsallianz Baden-Württemberg wie das HSG- IMAT und das HSG-IMIT sowie ITV Denkendorf beschäftigen sich ebenfalls mit dem Einsatz neuer Materialien und Oberflächen für die Mikrosystemtechnik. Das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM arbeitet im Bereich der Entwicklung, Konzeptionierung, Charakterisierung und Herstellung funktionaler Oberflächen mittels Dünn- und Dickschichttechnologien für miniaturisierte Gassensoren wie sie in der Transportgüterüberwachung (z.b. im Lebensmittel- oder Pharmaziebereich) aber auch in der Klima- & Gebäudetechnik sowie im Umweltmonitoring eingesetzt werden. 19 Vgl. MINAM Roadmap 2012, S. 45ff. zu Mikrostrukturierungs- bzw. Oberflächenbearbeitungsverfahren wie z.b. laserbasierte Verfahren Roadmap MicroTEC Südwest

55 D. FuE-Maßnahmen zur Realisierung nachhaltiger Mikrosystemlösungen MicroTEC Südwest hat sich zum Ziel gesetzt, die Technologien für gedruckte Elektronik und Systems-in-Foil weiterzuentwickeln und dabei u.a. die Tinten entsprechend zu optimieren, biokompatible & -funktionalisierte Beschichtungen und MEMS-Bauteile für den medizinischen Einsatz weiterzuentwickeln, und funktionalisierte Oberflächen für einen breiten Einsatz von Cradle 2 Cradle -Anwendungen zu etablieren (z.b. durch Einrichtung eines entsprechenden Anwenderforums zu RFIDbasiertem Tracking & Tracing). Roadmap MicroTEC Südwest

56 FuE-Projekte und weitere Maßnahmen bis im Bereich nachhaltige Systeme (Cradle 2 Cradle bzw. Oberflächen & Materialien) FuE-Maßnahme Tinten & Substrate für gedruckte Elektronik Folientechnologien für ultradünne flexible Chips biokompatible, biofunktionalisierte Beschichtungen & MEMS-Bauteile funktionalisierte Oberflächen für Cradle-2-Cradle Anwendungen (RFID-basiertes Tracking & Tracing) Status Quo => 2013 Druckbare Sensoren (Drusym) Ultradünne flexible Chips & Schaltungsträger zum Einsatz in Mikrosystemen (Ultimum) RFID-basierte, energieautarke Gassensorik für die Logistik (Sens-RFID) kurzfristig (2 Jahre) => 2015 mittelfristig (5 Jahre) => 2018 Fachgruppe Oberflächen & neue Materialien : - Evaluierung von geeigneter Tinten für druckbare Elektronik => Kooperation mit Tintenherstellern anstreben - Aufbau eines Kompetenzzentrums für biokompatible Schichten (mit Erstellung von Kompendien u.ä.) gedruckte Sensoren mit maßgeschneiderten Oberflächen, Sensitivität, Selektivität z.b. für Umweltsensorik Komplexe Systeme in Folie (Integration von dünnen Si-Chips, Dünnfilmkomponenten & organischer Elektronik auf gemeinsamem Foliensubstrat) (KoSiF) Implantierbare Elektronik für komplexe, aktive medizinische Mikroimplantate (SMART Implant) längerfristig (8 Jahre) => 2021 Optimierung der Tinten für gedruckte Elektronik (u.a. unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit) Komplexe Systeme in Folie als zweite Haut z.b. bei bionischen Handlungsassistenten, bei Sicherungssystemen, etc. sowie zum Einsatz im Textil-/Medizinbereich Nano-Oberflächen für bioverträgliche langlebige Implantate (nano labs) breiter Einsatz von RFID-basierten Tracking- & Tracing-Ansätzen, u.a. in der Logistik, im Food-Chain Management und bei der Unterstützung/Überwachung nachhaltiger Wertstoffkreisläufe Roadmap MicroTEC Südwest

57 5.5. Systeme günstig & kundenspezifisch hergestellt & integriert (Prosumer 2.0) A. Einführung & Beschreibung des übergreifenden FuE-Schwerpunktes Die Herausforderung und das strategische Ziel im Bereich der kostengünstig & kundespezifisch hergestellten und integrierten Systeme (Prosumer 2.0) ist, hochwertige Mikrosysteme für maßgeschneiderte Produkte in vielfältigen Anwendungsbereichen zu wettbewerbsfähigen Preisen zur Verfügung zu stellen. Die kostenintensive Herstellung und Integration von (insbesondere hochwertigen, robusten) Mikrosystemen verhindert eine weite Verbreitung von intelligenten Mikrosystemlösungen. Über die Herstellung großer Stückzahlen und die Integration von Mikrosystemen in Massen- Anwendungen lässt sich der Stückkostenpreis drastisch reduzieren, so dass die Mikrosysteme dann auch für weitere Anwendungsbereiche interessant werden. So wurde z.b. der Beschleunigungssensor zunächst für die Automobilindustrie in großen Stückzahlen produziert (z.b. für Airbags), bevor er dann weitere u.a. auch preissensitive Anwendungsbereiche (Unterhaltungselektronik, Gebäudeüberwachung, Medizintechnik etc.) eroberte (vgl. Dickerhof et al. 2009). Die Senkung der Produktionskosten über hohe Stückzahlen und Prozessoptimierung schränkt allerdings die Flexibilität im Hinblick auf individuelle Produkteigenschaften ein. Maßgeschneiderte Produkte: Kunden gestalten ihre Produkte selbst, individuell Individualisierung der Produktion Problemlösung / Produktion nahe beim Kunden Dezentrale Minifabriknetze für kurze Transportwege, Lieferzeiten, etc. (Factories of the Future) Flexibel skalierbare Produktion (Modularität) Kostengünstige Module/Komponenten aus der Großserienproduktion, standardisiert Globalisierung der Wertschöpfungskette Produktion an billigen Standorten Gemeinsame (zentrale) Plattformen Abgrenzung von Funktionen Haftungsfragen Kopierschutz Abb. 14: Stichwort-Wolke zu maßgeschneiderte Mikrosysteme für intelligente Produkte (Prosumer 2.0) Im Kern des FuE-Schwerpunktes Prosumer 2.0 geht es darum, skalierbare Design-, Produktionsund Integrationsprozesse sowie modulare MST-Ansätze zu etablieren, um im Sinne von kundenindividueller Massenproduktion (mass customization) vielfältige anwendungs- und kundenspezifische Mikrosystemlösungen zu wettbewerbsfähigen Preisen anbieten zu können. Eine schnelle, flexible und kostengünstige Produktentwicklung sichert zum einen die globale Wettbewerbsfähigkeit insbesondere des deutschen Mittelstands und führt zum anderen zu einer rascheren und weiteren Verbreitung von intelligenten Lösungen für den Menschen. Der FuE-Schwerpunkt Prosumer 2.0 besitzt eine gewisse Sonderstellung innerhalb der insgesamt fünf übergreifenden, querschnitts-orientierten FuE-Schwerpunkte, da auch bei den anderen vier Roadmap MicroTEC Südwest

58 Schwerpunktthemen immer der Aspekt der tatsächlichen Realisierung - im Sinne von Herstellung und Integration - des Mikrosystems mitgedacht werden muss. So sind z.b. Fragen der Herstellung kostengünstiger Sensoren für funktionale Systeme, der Integration von Mikrobrennstoffzellen auf der Leiterplatte für autarke Systeme oder der Kombination neuer Druck- und Folientechnologien für ultradünne, flexible und nachhaltige Systeme auch immer Fragen eines effizienten und flexiblen Design-, Produktions- und Integrationsprozesses. Im Zusammenhang mit der platz- und materialsparenden Integration mehrerer Funktionen auf kleinstem Raum (Trend zur Miniaturisierung und Funktionsverdichtung) gewinnt insbesondere bei größeren Stückzahlen die Herstellung von Spritzgegossenen Schaltungsträgern (Molded Interconnect Devices, MID) in 3D zunehmend an Bedeutung. 20 Für die wirtschaftliche und möglichst effiziente Herstellung solcher Mikrosysteme sind neue Produktions- und Intergrationsverfahren wie z.b. die Rolle-zu- Rolle-Fertigung (R2R) in wieder verwendbaren bzw. verwertbaren, standardisierten Trägerbändern erforderlich. Flexibler Schaltungsträger mit integriertem, ultradünnem und flexiblem Chip Quelle: Würth Sensor mit 3D MID Quelle: 2E mechatronic GmbH & Co. KG Gerade der Übergang von der Prototypen- und Kleinserienfertigung in die Produktion größerer Stückzahlen ist für die mittelständischen Unternehmen noch mit größeren Hürden verbunden. Aber auch umgekehrt, die Herstellung von spezifischen Mikrosystemen in sehr kleiner Losgröße z.b. für spezielle medizinische Anwendungen ist mit hohen Innovationshürden verbunden. Die Weiterentwicklung von möglichst standardisierten und dennoch flexiblen Verfahren zur Entwicklung, Herstellung und Integration von Mikrosystemen muss letztlich beiden Trends entsprechend Rechnung tragen. R2R-Transportband für 3D MID Quelle: A.Raymond GmbH 20 Vgl. MINAM Roadmap 2012, S. 39ff. zu Mikrofertigungsverfahren wie z.b. 3D MID-Verfahren Roadmap MicroTEC Südwest

59 B. Beitrag von Mikrosystem-Technologien zum FuE-Schwerpunkt Die MINAM Roadmap 2012 listet eine Vielzahl an Mikro- und Nanofertigungsverfahren auf, die als enabling technologies weit über 2020 hinaus eine wichtige Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie übernehmen werden. Die kostengünstige und kundenspezifische Herstellung und Integration von Mikro-Sensoren & -Aktoren, von RFID & Transpondern und von Mikroenergie-Elementen für intelligente, d.h. funktionale, vernetzte und autarke Mikrosystemlösungen der 3. Generation werden als Sensoren Intelligente Mikrosysteme Datenempfänger Schnittstellen Datenverarbeitung Aktoren Datensender Energiegewinnung Energiespeicherung Energiemanagement werden kostengünstig & kundenspezifisch hergestellt und in viele Produkte integriert Clar/Sautter 2013 erfolgskritisch betrachtet. Die Entwicklung neuer Materialien (vgl. Abschnitt 5.4) eröffnet dabei ganz neue Möglichkeiten u.a. bei der Erschließung weiterer Anwendungsbereiche, stellt gleichzeitig aber auch neue Herausforderungen an die Mikro- und Nano- Fertigungsverfahren, z.b. wenn es um die einfach handhabbare und zuverlässige Herstellung von hybriden Produkten (Kombination organischer, gedruckter Elektronik mit Silizium-Chips in Folie) oder die Montage ultradünner Siliziumchips (Chipfilm Patch) und Komponenten geht. Die MINAM Community sieht hauptsächlich in den Replikationstechnologien (v.a. Mikrospritzguss- und Präge- Technologien), den Beschichtungsverfahren (v.a. chemische & physikalische Gasphasenabscheide- Verfahren) sowie den Aufbau- & Verbindungstechnologien großen FuE-Bedarf für die Zukunft. Ein Schlüssel zu flexiblen, kosten- und ressourceneffizienten Mikrosystemlösungen ist die monolitisch modulare Mikrosystemtechnik, die über bestehende bzw. weiterentwickelte Technologien zur Mikrostrukturierung wie z.b. LIGA-Verfahren, Laserverfahren, 3D-Druckverfahren, Systems-in-Foil-Verfahren, MID-Verfahren etc. realisiert werden kann. Mit der Schaffung von übergreifenden Standards können flexible skalierbare Prozesstechnologien (Rapid-Prototyping- Verfahren, R2R-Produktionstechnologien, etc.) die wirtschaftliche Herstellung von Mikrosystemen von der Kleinserie bis zur Volumenproduktion ermöglichen. Kundenspezifische Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT) sowie anforderungsbasierte Designtools für die Modellierung, Simulation und Qualitätssicherung sind für den Entwurf und die Herstellung von hochwertigen und maßgeschneiderten Mikrosystemen zu wettbewerbsfähigen Preisen ebenfalls unerlässlich. 21 C. Kompetenzen in MicroTEC Südwest MicroTEC Südwest verfügt über herausragende Kompetenzen im Bereich der Entwicklung, Herstellung und Integration von Mikrosystemen. So wurde z.b. bereits Anfang der 1980er Jahre am heutigen KIT das LIGA-Verfahren entwickelt. Dieses Verfahren, das auf einer Kombination von Tiefenfotolithographie, Galvanik und Mikroabformung basiert, wird heute international zur Herstellung von Mikrostrukturen verwendet. Die Institute IMS-Chips, HSG-IMAT und HSG-IMIT 21 Vgl. MINAM Roadmap 2012, S. 47ff. zu Aufbau-, Verbindungs- und Integrationstechnologien sowie zur Produktionsplanung und -überwachung Roadmap MicroTEC Südwest

60 bringen ihr Know-how u.a. in den Bereichen Design, Prototyping, Prozess-Entwicklung, Chipfertigung, Gehäuse-, Aufbau- und Verbindungstechniken etc. in die PRONTO-Plattform zur Produktion von Nullund Kleinserien technologisch komplexer Mikrosysteme ein. 22 Unternehmen wie 2E mechatronic oder A.Raymond haben spezifische Kompetenzen im Bereich industrieller Präzisionsspritzguss- und MID-Verfahren z.b. zur Herstellung von Mikrosystemen für die Automobilindustrie entwickelt. Würth Elektronik GmbH & Co. KG verfügt über Kompetenzen zur industriellen Fertigung von Halbleitern und elektronischen Bauelementen mittel innovativer Druck- und Verbindungstechnologien. Forschungsinstitute wie das Fraunhofer Institut IPA besitzen langjährige Erfahrung im Bereich der modularen Produktionstechnik, wie sie z.b. für den Übergang zur wirtschaftlichen Serienfertigung von mikrotechnischen Produkten genutzt werden kann. D. FuE-Maßnahmen zur Herstellung & Integration von Mikrosystemlösungen In nachfolgender Tabelle werden die FuE-Maßnahmen stichwortartig aufgeführt, die bislang im Rahmen der Spitzencluster-Förderung des BMBF durchgeführt wurden und die zukünftig in diesem übergreifenden FuE-Schwerpunkt Herstellung & Integration von Mikrosystemlösungen bis in MicroTEC Südwest durchgeführt werden bzw. zur Durchführung geplant sind. Dabei spielen die Beiträge der einzelnen Maßnahmen zur Realisierung von innovativen, intelligenten Lösungen im Gesundheits- und Produktionsbereich (vgl. Kap. 4) aber auch in anderen Anwendungsbereichen eine zentrale Rolle. 22 Vgl. Roadmap MicroTEC Südwest

61 FuE-Projekte u. weitere Maßnahmen bis im Bereich günstig & kundenspezifisch hergestellte/integrierte Systeme (Prosumer 2.0) FuE-Maßnahme Mikromontage & Verkapselung (AVT) von Mikrosystemen für langfristigen Einsatz in rauen Umgebungen Weiterentwicklung der Drucktechnologien Skalierung von Fertigungsprozessen (Rapid Protopying, Rapid Manufacturing, ) Status Quo => 2013 Drucktechniken für Sensoren (Drusym) Serienstart komplexer Systeme (SeSkom) Neue Produkte durch Rolle-zu-Rolle Fertigung von MID-basierten Mikrosystemen (R2R-MID) Modulare Produktionstechnik für die wirtschaftliche Serienfertigung mikrotechnischer Produkte (VolProd) kurzfristig (2 Jahre) => 2015 Implantierbare Elektronik (mit entsprechender Verkapselung ) für medizinische Mikroimplantate (Smart Implant) gedruckte Elektronik, industriell bearbeitbar, kleiner spezifischer Widerstand (vgl. zu Drucker- Tinten auch Abschnitt 5.4) mittelfristig (5 Jahre) => 2018 längerfristig (8 Jahre) => 2021 Optimierung von Packaging-Verfahren in Zusammenhang mit neuen Materialien und Oberflächenbearbeitungs-Verfahren (siehe Abschnitt 5.4) für vielfältigen und langfristigen Einsatz von Mikrosystemen unter rauen Bedingungen AVT für gedruckte organische Halbleiter- Schichten, OLED, etc. Druck von ganzen Bau-/Funktionselementen z.b. für Zustandsüberwachung von Steckverbindungen Personalisierte MST durch Rapid Manufacturing (Auflösung, Materialmix, Integrationstechnologien) Roadmap MicroTEC Südwest

62 6. (Innovations-) Prozesse in MicroTEC Südwest Rückblick und Ausblick Zur raschen Erschließung neuer Wachstumsmärkte mit innovativen intelligenten Produkten und zum nachhaltigen Ausbau der Innovationskapazitäten in MicroTEC Südwest gilt es, kooperative Innovationsprozesse - über klassische Anwendungsgrenzen hinweg (Cross-Industry) - zu unterstützen und zu beschleunigen. Das Zusammenspiel der im Rahmen der Spitzencluster-Förderung aufgebauten MicroTEC Plattformen für Technologie, Integration und Produktion mit den Aktivitäten und Dienstleistungen des Clustermanagements ist dabei von zentraler Bedeutung. Clar/Sautter 2013 Abb. 15: Einbettung des Handlungsschwerpunkts (Cross-Industry) Innovationsbeschleunigung in die Roadmap-Struktur Im Rahmen der Absicherung der Nachhaltigkeit des Clusters und seiner Strukturen sowie des Clustermanagements über die Spitzenclusterphase hinaus, werden im BMBF-Förderprojekt Pro- Excellence zentrale Verbesserungsmaßnahmen umgesetzt. Im nachfolgenden werden drei davon näher erläutert: Vernetzung & Bündelung von Kompetenzen Unterstützung & Beschleunigung von kooperativen Innovationsprozessen Vermarktung bzw. Interessensvertretung der Clusterakteure Roadmap MicroTEC Südwest

63 Vernetzung & Bündelung von Kompetenzen In der ersten Förderphase wurden Prozesse und Strukturen zur besseren Vernetzung der Kompetenzen in MicroTEC Südwest aufgebaut. So wurde u.a. ein Kooperations- und Wissensmanagementsystem eingeführt, das im Wesentlichen aus einer webbasierten Informationsplattform und einer personenbezogenen Lotsenstruktur besteht. Während der interaktive Kompetenzatlas auf der Internetseite von MicroTEC Südwest 23 eine gezielte Suche in den Kompetenzprofilen der Clusterakteure ermöglicht, unterstützen die im Cluster verteilten Lotsen im persönlichen Gespräch konkrete Partnersuchen. Auf den Ergebnissen der Roadmap aufbauend, und unter Nutzung der Netzwerke, die sich im Verlaufe der Strategieprozesse herausgebildet hatten, entwickelten sich zum Abschluss des Stratclu Projektes unter Beteiligung des Clustermanagements folgende neun Fachgruppen zur Erörterung von anwendungs- und technologiebezogenen sowie strukturellen Fragestellungen. Im März 2014 waren rund 140 Personen in 7 Fachgruppen aktiv. Abb. 16: Fachgruppen zu anwendungs- und technologiebezogenen sowie strukturellen Prioritäten 23 Roadmap MicroTEC Südwest

64 Die Fachgruppen arbeiten ergebnisorientiert an der Entwicklung von Positionspapieren für den Politikdialog (Agenda Setting) und an der Konkretisierung relevanter Forschungs- und Entwicklungsthemen der Mikrosystemtechnik zur Umsetzung in Kooperationsprojekten und Verbundprojekten. Hierfür wird zu Beginn ein Roadmapping in den Fachgruppen durchgeführt und ein Maßnahmenplan verabschiedet. Nach einem Jahr wird im Rahmen eines Audits die Umsetzung der Maßnahmen überprüft. Die Arbeitsergebnisse der Fachgruppen werden laufend über die Internetseite von MicroTEC Südwest präsentiert und im Rahmen der Clusterkonferenz mit einem internationalen Publikum diskutiert. Das Clustermanagement organisiert die Fachgruppensitzungen und baut strategische Kooperationen zu Clustern und Netzwerken auf, um die Wertschöpfungsketten zu stärken und auszubauen. Abb. 17: Fachgruppenprozess und Strategie-Update Ein Update der Clusterstrategie findet jährlich durch das Strategiepanel statt. Dabei werden die Arbeitsergebnisse aus den technologie- und anwendungsorientierten Fachgruppen sowie den laufenden strukturellen Projekten vorgestellt. Aus dieser Zusammenschau der Arbeitsergebnisse werden neue technologische und strukturelle Herausforderungen für den Cluster diskutiert, mit denen die Roadmap fortgeschrieben wird. Für neue bzw. angepasste strategische Ziele wird überprüft, ob sie durch die bestehen Projekte (Fachgruppen, strukturelle Förderprojekte, Aktivitäten des Clustermanagements) erreicht werden können oder ob hierzu neue Projekte erforderlich sind. Roadmap MicroTEC Südwest

65 Im Zuge der Strategieentwicklung konnten insbesondere folgende Anforderungen an zukünftige Maßnahmen zur Vernetzung & Bündelung von Kompetenzen identifiziert werden Optimierung & Verstetigung der Wissensflüsse und der strategischen Zusammenarbeit an den Schnittstellen zwischen den verschiedenen Arbeitsgruppen, insbesondere zwischen anwendungs- und technologieorientierten Fachgruppen, sowie zwischen den Lotsen und den Cluster-Botschaftern bzw. den Partnerorganisationen des Clustermanagements, die die Vernetzung mit internationalen Spitzenpartnern vorantreiben sollen. Im Rahmen des Projektes Pro-Excellence werden konkrete Prozesse und Strukturen zur Kopplung der verschiedenen Strategieprozesse in MicroTEC Südwest und darüber hinaus erarbeitet. Stärkere Einbindung von (potentiellen) Anwendern intelligenter Mikrosystemlösungen z.b. durch die Initiierung von Anwenderforen (vgl. Anforderungen an Lobbying weiter unten) Stärkere Einbindung der regional vorhandenen IT-Kompetenzen. Durch die strategische Kooperation mit Baden-Württemberg Connected e.v. (bwcon) hat das Clustermanagement bereits erste Schritte in diese Richtung unternommen. Außerdem unterstützt MST BW die neu gegründete IKT-Allianz Baden-Württemberg ( FORWARD IT ) mit dem Ziel, die Zusammenarbeit zwischen Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) und der Mikrosystemtechnik, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie weiteren Branchen im Bereich der Cyber-Physical Systems (CPS) zu stärken, und damit das Land zu einem international führenden Standort für Informations- und Kommunikationstechnologien zu machen. Unterstützung & Beschleunigung von Innovationsprozessen Über das reine Networking hinaus gilt es, aktiv kooperative Innovationsprozesse über spezifische Services zu unterstützen und zu beschleunigen. Im Rahmen der Spitzencluster-Förderung entwickelten und erprobten die Forschungsinstitute IMS Chips, HSG-IMAT, HSG-IMIT sowie IMTEK Schnittstellen und Standards im Bereich der Null- und Kleinserienfertigung von Mikrosystemen (Produktionsplattform PRONTO) sowie in der Entwicklung von Mikrosystemen der 3. Generation, z.b. im Bereich Cyber-Physical Systems (Integrationsplattform SSI). Zudem wurden Prozess- und Methodenstandards für Kooperationen in der Produktentwicklung geschaffen (Projekt OPTIMUS-SC). In der zweiten Förderphase von 2013 bis 2015 werden im Rahmen des Projektes Pro Excellence Prozesse und Methoden entwickelt, mit denen kooperative Innovationsprozesse im Cluster weiter beschleunigt werden sollen: Cluster-Excellence Modell: Entwicklung eines Cluster-Excellence-Konzeptes inkl. Kriterienmodells und Selbstbewertungssystematik zur Beurteilung des Excellence-Niveaus des Clusters bzw. Clustermanagements, Identifikation von Handlungsbedarfen und Ableitung sowie Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen. Trendmining: Entwicklung eines Prozesses zur Identifikation und Erfassung der Aktivitäten/Innovationen Entlang der Wertschöpfungsketten zur Ableitung von Trends. Internationales Marktscreening: Konzeption eines Marktbeobachtungssystems zur Selektion von Wissensträgern über MST-Anwenderbranchen und Technologiemärkte im internationalen Umfeld. Roadmap MicroTEC Südwest

66 Strategie-Routinen und Module: Entwicklung von Excellence-orientierten Strategie-Routinen und Modulen z.b. zur Identifikation von Trends und Entwicklung von Szenarien. Business Opportunity Management für Cluster: Entwicklung von Prozessen und Routinen zur systematischen Identifikation von neuen Geschäftsmöglichkeiten für den Cluster. Kooperative Geschäftsmodelle im Clusterkontext: Entwicklung von Prozessen und Methoden zur Generierung von kooperativen Geschäftsmodellen für neu identifizierte Geschäftsmöglichkeiten Abb. 18: Innovationsprozess MicroTEC Südwest Mit der sukzessiven Weiterentwicklung von MicroTEC Services werden anwenderübergreifende Kompetenzen und Dienstleistungen der Plattformen gebündelt und in einer Art One-Stop-Shop den Clusterakteuren zur Verfügung gestellt. Diese Unterstützungsleistungen, z.b. zur raschen Entwicklung von chancenreichen Demonstratoren und Pilotanwendungen, sollen umfassen: - Erstellung von Markt-Analysen und Machbarkeitsstudien - Bildung von schlagkräftigen Konsortien (Nutzung kooperativer Schwarmintelligenz ) - MST-fähiges Projekt- und Kooperationsmanagement (für Design, Modellierung und Herstellung intelligenter Mikrosystemlösungen) - Rechtliche Beratung & Patentberatung - Technologie- und Innovationsprozessberatung Finanzierungsmöglichkeiten zur Weiterentwicklung der kooperativen Innovationsprozesse des Clusters sollen durch das Clustermanagement identifiziert werden. Für 2015 wird hierfür vom Clustermanagement ein konkretes Projekt zur Managementunterstützung von kooperativen Innovationsprozessen angestrebt. Im Rahmen von MicroTEC Services soll der Zugang zu Risikokapitel und Fördergeldern zur Umsetzung kooperativer Geschäftsmodelle und innovativer Forschungs- und Entwicklungsprojekte erleichtert werden. Roadmap MicroTEC Südwest