FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PROdUkTIONSTEcHNIk UNd AUTOmATISIERUNg IPA. Jahresbericht

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PROdUkTIONSTEcHNIk UNd AUTOmATISIERUNg IPA Jahresbericht 2010

2 FraunhoFer IPa JahresberIcht 2010

3 InhaltsverzeIchnIs Editorial Kuratorium Kurzprofil Versuchsfelder und Laboratorien Organigramm Das Institut in Zahlen Entwicklungsgruppe Digitale Fabrik VFF Virtual Factory Framework Trans-IND Innovationscluster»Digitale Produktion«Produkt- und Qualitäts - management Systematische Ermittlung und durchgängige Betrachtung von»besonderen Merkmalen«Schadstoff-Scout»Lean Office«Webbasierte Simulationsdienste für KMU Fabrikplanung und Produktionsoptimierung Herstellkostenreduzierung im Maschinenbau Energieeffizienz im Fabrikplanungsprozess Logistische und funktionelle Validierung einer Werksplanung als Voraussetzung zum Abschluss der Gebäudeplanung Unternehmenslogistik und Auf tragsmanagement Identifikationsmehrwertdienste mit RFID Reorganisation der Produktions - strukutur und ERP-SystemAuswahl bei Firma Memmert GmbH + Co. KG Technologie- und kompe tenz - basierte Wertschöpfungs verteilung Refabrikation Fraunhofer- Projektgruppe Prozessinnovation Ressourceneffizienz in der Produktion»M4E«Implementierung von materialeffizienten und verschwendungsarmen Produktionsprozessen in kleine und mittlere Unternehmen (KMU) CO2-Bilanzierung von Supply Chains Wettbewerbsfähige Refabrikations - unternehmen Robotersysteme IPA-Aufwälzgreifer Automatisierte Kommissionierung in der Intralogistik Bearbeiten mit dem CNC-Roboter Technisch-wirtschaftliche Analysen von Servicerobotik-Szenarien Visuelle Lokalisierung von Kleinrobotern Einsatz von Robotern zur Montage- Automatisierung Orthopädie und Bewegungs - systeme AdaptPro Ein neues System zur Prothesensteuerung Vorausschauende Steuerung von aktiven Prothesenfüßen Was hat eine Anakonda mit einer Knochenstanze gemeinsam? Produktions- und Prozess - automatisierung»modularer OP«IWS Instrumentenwechselsystem für die Minimal Invasive Chirurgie Drahtloses Endoskop Die»Tissue-Fabrik«Haut aus dem Automaten Autranomics Reinst- und Mikroproduktion Industrieverbund»Handhabung in der Photovoltaik«ManuCloud ManuCyte Reinheitskontrolle und Reinigung von Medizinprodukten Präzisionsmontage mikrotechnischer Produkte IPA.VALVE Zuverlässig Dosieren ohne Nachtropfen Technische Sauberkeit Fraunhofer IPA vertieft Kooperation mit VDA QMC Technische Informations - verarbeitung 3D4Robots Schnelle und flexible 3-D-Objektlageerkennung Transluzenzbestimmung von Vorderzähnen 3-D-Voxelplayer Organe aus dem Drucker Rapid Prototyping wird zu Additive Manufacturing Druck komplexer Biochips Digitale Drucktechniken und Dispensen Fraunhofer IPA Event-Forum»Energieeffizienz in der Produktion«Qualitätsüberwachung beim Ultraschallschweißen Prüfsysteme Alternative Nutzung der Windenergie Verfahrenskombination von aktiver Thermographie und digitaler Shearo graphie zu einem Multi - sensor system Zerstörungsfreie Prüfung von Klebeverbindungen Lackiertechnik Energieeffiziente Lackierung von Karosserien Sichere Beurteilung und Optimie - rung des Oberflächenfinishs im Schiffbau Lacke und Pigmente UV-Lacksysteme Haftfestigkeit von UV-Druckfarben auf Kunststoffoberflächen Einfluss der Durchhärtung bei UVhärtenden Klarlacken und deren Einfluss auf die mechanischen Beschichtungseigenschaften Neuartige UV-härtende Klarlacke mit hoher Chemikalienbe ständig - keit Nanotechnologie in Beschichtungen Fotokatalytisch aktive Baufarben für saubere Fassaden Nanoskalige Korrosionsschutz - pigmente für Grundierungen Restentleerbarkeit von Verpackungen Prozessengineering funktionaler Materialien Elektrochemische Herstellung von funktionalisierten Graphen- Nanoplatelets Einfluss von Nanopartikeln auf die rheologischen Eigenschaften von Polycarbonat Galvanotechnik Die Verteilung ist entscheidend Dispersionsschichten und ihre Anwendungen Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Fraunhofer Austria Research GmbH Geschäftsbereich Produktions- und Logistik - management Ganzheitliche Planung zur Produktivitätssteigerung Fraunhofer-Austria-Lernfabrik Lean-Administration Studie 2010 Fraunhofer IPA Slovakia Daten und Ereignisse 2010 Ehrungen und Preise 2010 Gremien 2010 Veranstaltungen 2010 Messen 2010 Erteilte Patente und Offenlegungsschriften 2010 Promotionen Gastwissenschaftler/Stipendiaten 2010 Fachinformation und Bibliothek Tagungen, Bücher und Dissertationen Artikel in Fachzeitschriften Peerreviewed Weitere Artikel in Fachzeitschriften Buchkapitel und Konferenzbeiträge Peer-reviewed Sonstige Artikel Zeitschriften (Herausgeberschaft) Neuplanung einer funktions - optimierten Fabrik als Grundlage für einen Architektenwettbewerb bei AEG MIS 30 Hocheffiziente Precoating- Technologie eröffnet neue Märkte für vorbeschichtetes Blech 115 Impressum

4 KuratorIum Das FraunhoFer IPa Ist spitze Durch seine Innovationskraft und die Motivation sowie Kreativität der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist es dem Fraunhofer IPA gelungen, sich wieder zu einem Spitzeninstitut der Fraunhofer-Gesellschaft zu entwickeln. Mit 38,8 Mio Jahresumsatz und 325 Mitarbeitern sind wir für die deutsche Industrie ein verlässlicher Partner im Bereich Forschung und Entwicklung. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Indikatoren, die über den Erfolg eines Forschungsinstituts Auskunft geben können. Dies sind der wirtschaftliche Erfolg, die hochwertigen Veröffentlichungen, Patente und die Teilnahme als Referent auf Kongressen und Tagungen. Ein weiteres Kriterium sind Ehrungen und Preise, die das Institut und die Wissenschaftler - innen und Wissenschaftler erhalten. Und da war das Jahr 2010 ein wahres Superjahr für das Fraunhofer IPA. Auf den Seiten können Sie mehr darüber erfahren, vor allem auch über den wichtigsten deutschen Innovationspreis: den Zukunftspreis des Bundespräsidenten. Wirtschaftshistoriker werden in ihrer Rückschau das Jahr 2010 als ein besonderes Jahr im Konjunkturverlauf und der wirtschaftlichen Entwicklung bezeichnen. Zum Ende des ersten Jahrzehnts in diesem Jahrtausend kann man sagen, dass die deutsche Wirtschaft aus einer der schlimmsten Wirtschaftskrisen seit dem zweiten Weltkrieg gestärkt hervorgegangen ist. Dies hat eine Reihe von Gründen. Natürlich bilden Nachfragen auf den nationalen und internationalen Märkten eine wichtige Voraussetzung für eine stabile Wirtschaftsentwicklung. Neben weiteren Gründen ist vor allem die Tatsache zu erwähnen, dass unsere Unternehmen auch in der Krise nicht nachlassen, ihre Kreativität und Innovationskraft beibehalten oder diese sogar ausbauen. Die deutschen Unternehmen wissen sehr genau, dass nur Innovationen und ständige Verbesserung der Produkte und Prozesse die internationale Wettbewerbsfähigkeit langfristig garantieren. Durch unsere praxisnahen und ergebnisorientierten Forschungsarbeiten tragen wir zur Stabilisierung der oben ge - nannten Entwicklungen bei. In unserem Jahresbericht 2010 erfahren Sie, auf welchen Gebieten und mit welchen Themen unsere 15 Fachabteilungen und Projektgruppen im Jahr 2010 tätig waren. Wir laden Sie zur Lektüre unseres Jahresberichts ein. Entdecken Sie das vielfältige Forschungsportfolio des Fraunhofer IPA. Mit freundlichen Grüßen Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Alexander Verl Prof. Dr.-Ing. Prof. e. h. Dr.-Ing. e. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper Vorsitzender des kuratoriums Geissinger, Jürgen Dr.-Ing. Schaeffler KG SZ/HZA Industriestr Herzogenaurach mitglieder des kuratoriums Brodtmann, Thilo Dipl.-Kfm. VDMA e. V. Geschäftsführer Lyoner Str Frankfurt am Main Buthmann, Peter Dr.-Ing. KSB AG Mitglied des Vorstands Johann-Klein-Straße Frankenthal (Pfalz) Drexel, Peter Dr.-Ing. e. h. Böblinger Str. 7/ Steinenbronn Dunkler, Olaf Dipl.-Ing. Daimler AG Werk Rastatt 054 LOG Centerleiter der Logistik Rastatt Graw, Ehrentraud MinR'in Dr. rer. pol. Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg Leiterin Referat 23 Theodor-Heuss-Str Stuttgart Liepert, Bernd Dipl.-Math. KUKA AG Chief Technology Officer CTO Zugspitzstr Augsburg Ohnheiser, Rainer Dr. Carl Zeiss AG Geschäftsführer Carl-Zeiss-Str Oberkochen Riehl, Hermann MinRat Bundesministerium für Bildung und Forschung Referatsleiter 512 Heinemannstr Bonn Siewert, Uwe Dr. Dürr Systems GmbH Geschäftsführer Aircraft and Technology Systems Carl-Benz-Str Bietigheim-Bissingen Wittenstein, Manfred Dr.-Ing. e. h. WITTENSTEIN AG Vorstandsvorsitzender Walter-Wittenstein-Str Igersheim Zahn, Erich Prof. Dr. rer. pol. Universität Stuttgart Lehrstuhl für Allg. BWL und Strategisches Management Kepplerstr Stuttgart gäste des kuratoriums Flegel, Heinrich Prof. Dr.-Ing. Daimler AG HCP 0535 Leitung Forschung Produktionstechnik Stuttgart Schraft, Rolf Dieter Prof. Dr.-Ing. Hildebrandstr Stuttgart Warnecke, Hans-Jürgen Prof. Dr.-Ing. Max-Caspar-Straße Weil der Stadt 4 5

5 KurzProFIl versuchsfelder und laboratorien organigramm Das InstItut In zahlen Organisatorische und technologische Aufgabenstellungen aus dem Produktionsbereich von Industrieunternehmen bilden die Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisie - rung IPA. Hinzu kommen auch Aufgabengebiete, die sich aus den Entwicklungen und Veränderungen im Dienstleistungs - sektor ergeben. Ziel der Forschungs- und Entwicklungsprojekte ist es, Auto ma - tisierungs- und Rationalisierungspotenziale in den Unter nehmen aufzuzeigen und auszuschöpfen, um mit kostengünstigeren und umweltfreundlichen Produktionsabläufen sowie verbesserten Produkten unsere internationale Wettbewerbsfähigkeit zu stärken und die Arbeitsplatzsituation zu verbessern. Verwirklicht wird diese Zielsetzung, indem Methoden, Kompo - nenten und Geräte bis hin zu kompletten Maschinen und An - lagen vom Fraunhofer IPA entwickelt, erprobt und exemplarisch eingesetzt werden. Dieses Engagement wird zum überwiegen - den Teil im Auftrag von Unternehmen durchgeführt. Für vorwettbewerbliche Projekte werden auch Fördermittel aus öffentlichen Forschungsprogrammen genutzt. Die langfristigen, strategischen Aspekte der Produktions for - schung, deren Umsetzung Industrieunternehmen zugute kommt, werden innerhalb der Forschungsprogramme des BMBF, der DFG und der Europäischen Gemeinschaft bearbeitet. Das Fraunhofer IPA stellt sich allen produktionstechnischen Fragestellungen mit seinem Know-how, seiner langjährigen Erfahrung und seiner personellen sowie technisch-technologischen Ausstattung. Bereichs- und fachgebietsübergreifende Lösungen werden von insgesamt fünfzehn Abteilungen multidisziplinär und mit ganzheitlicher Sicht auf die industriellen Bedarfe entwickelt. Betriebshaushalt ohne Investitionen davon Wirtschaftserträge 38,8 mio 15,2 mio Personal Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Stabstellen, Administration und Labore Wissenschaftliche Hilfskräfte Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF), Universität Stuttgart Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart

6 entwicklungsgruppe DIgItale FabrIK grid Engineering for manufacturing Fabriken sind komplexe, langlebige Einrichtungen, die zeitnah und optimal auf Veränderungen der Produkte, Märkte und Tech - nologien reagieren müssen. Zur Beschleunigung der Planungsund Veränderungsprozesse eignen sich die Werkzeuge der Digitalen Fabrik. Die Entwicklungsgruppe»Digitale Fabrik«befasst sich mit der Erforschung, Entwicklung und der Anwendung von Methoden, Verfahren und Werkzeugen zur Modellierung, Simulation und Optimierung von Produkten, Betriebsmitteln, Prozessen und Fabriken. Dafür steht eine innovative IT-Umgebung zur Verfü - gung, die die Vernetzung und Verteilung der Daten, Modelle und digitalen Werkzeuge einschließlich der Simulation und Rechnerressourcen innerhalb des»grid Engineering for Manu - facturing Laboratory GEMLab«ermöglicht. Ziel der Digitalen Fabrik sind wandlungsfähige Produktions struk turen und eine Beschleunigung der Planungsprozesse. Bereits heute entwerfen und optimieren die Mitarbeiter der Entwick lungs - gruppe Digitale Fabrik am Computer komplette Produk tions an - lagen und -abläufe vom Bestelleingang über die Material zufuhr bis hin zur Arbeitsplanung und der Montage des fertigen Pro - dukts. Simulationswerkzeuge bilden für diese Planung jeden Arbeitsschritt lückenlos ab und liefern die vir tuelle Blaupause für den realen Prozess in der Fabrikhalle. Der Vorteil liegt auf der Hand: Die so optimierte Planung führt zu schnellen und störungs - freien Abläufen, besserer Qualität und niedrigeren Kosten. Grid Engineering heißt eines der großen Zukunftsthemen, die mit Hochdruck vorangetrieben werden. Gemeint ist damit das nahtlose Ineinandergreifen von allen Daten- und Informations - quellen eines Unternehmens, um das Produktionsgeschehen von der Produktentwicklung bis zur Auslieferung mit Hilfe von Software und einer vernetzten Computerlandschaft marktgerecht und zielgenau zu steuern. Gleichzeitig ermöglicht die Grid-Technologie das Verteilen von Prozessen, um die vorhandenen Rechnerressourcen ideal auszunutzen. Beispiel ist die Integration des am Fraunhofer IPA entwickelten digitalen Planungstischs in die Planungsumgebung des GEMLabs. Jeder Fertigungsleiter weiß, wie schwierig es ist, kurzfristige Auf - tragsänderungen oder spezielle Kundenwünsche im laufenden Betrieb ohne unzumutbare Kostenbelastung umzusetzen. Hilf - reich wäre eine einfach zu handhabende Planungsumgebung, die sich nicht nur von speziell ausgebildeten Softwareexperten bedienen lässt. Stattdessen kann jeder Mitarbeiter am Planungs - tisch sein Wissen zur Verfügung stellen und mit seinem Beitrag an der Planung mitwirken. Selbst kleinere Unternehmen sind dann in der Lage, mit Hilfe digitaler Engineering-Systeme verschiedene Produktionsszenarien am Computer zu modellieren und auf ihre Machbarkeit hin zu analysieren. Unter der Leitung von Dr. Carmen Constantinescu besteht am Fraunhofer IPA das von der Entwicklungsgruppe Digitale Fabrik betreute»grid Engineering for Manufacturing Labora tory GEMLab«. Dieser innovative Ansatz einer integrierten, verteilten und auf Grid-Technologien basierten Planungsum ge bung er - möglicht es der Entwicklungsgruppe, durch die Ver wen dung von digitalen Werkzeugen die Qualität der Fabrik planung zu verbessern, ihre Dauer zu verkürzen, die Inbetriebnahme zu beschleunigen und die Anzahl der Planungsfehler deutlich zu reduzieren. Durch den Ansatz»Grid Engineering for Manu - facturing«(gem) kann hier mit Hilfe von Grid-Technologie die durchgängige und integrierte Fabrik- und Prozessplanung mit digitalen Werkzeugen weiterentwickelt und direkt im»grid Engineering for Manufacturing Lab GEMLab«eingesetzt werden. Diese einzigartige Architektur versetzt die Entwick - lungsgruppe in die Lage, die Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Grid Engineering voranzutreiben und Anwendun - gen für den Einsatz in der Industrie zu entwickeln. dr. carmen constantinescu Telefon

7 1 1 vff virtual FactorY FrameWorK (eu, FP7 nmp) trans-ind N E w I N d U S T R I A l I S E d c O N S T R U c T I O N P R O c E S S F O R T R A N S P O RT I N F R A S T R U c T U R E S B A S E d O N P O ly m E R c O m P O S I T E c O m P O N E N T S ( E U, F P 7 N m P ) Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts»Virtual Factory Framework (VFF)«wird am Fraunhofer IPA eine Plattform für die Virtuelle Fabrik der nächsten Generation entwickelt. Dabei steht die ganzheitliche Produkt-, Fabrik- und Prozessplanung im Vordergrund, welche durch die Entwicklung neuer Methoden und innovativer Werkzeuge ein effizientes Design ganzheitlicher Produktionssysteme ermöglichen soll. Mit dieser neuen Plattform sollen Produktionssysteme auf kleinen und großen Skalen in immer kürzeren Zeiträumen konzipiert und eingerichtet werden können. Unternehmen sind damit in der Lage, den Heraus - forderungen eines sich ständig ändernden Marktes besser zu begegnen sowie Wettbewerbsvorteile zu behaupten und auszubauen. Die Entwicklung einer ganzheitlichen, integrierbaren, ausbaufähigen, skalierbaren Virtuellen Fabrik kann zu großen Kostenersparnissen in der Implementierung neuer Fertigungs - einrichtungen beitragen. Das europäische Forschungsprojekt»Virtual Factory Frame - work (VFF)«besteht aus den folgenden vier Säulen (Bild 1): Referenzmodell für die Fabrik- und Prozessplanung Virtual-Factory-Manager für das Datenmanagement Neue und integrierte digitale Funktionsmodule und Werkzeuge Wissensdatenbank Gemeinsam mit den Projektpartnern entwickelte das Fraunhofer IPA ein generisches, flexibles und konfigurierbares VFF-Referenz - modell für die Fabrik- und Prozessplanung. Dabei wurden die Planungsphasen mit den dazugehörigen Ablaufschritten und Planungsobjekten systematisiert und strukturiert sowie ein Be - zug zu weiteren korrespondierenden Planungsphasen der Fabrikplanung hergestellt. Neben den Planungsaufgaben und Planungsobjekten wurden die Schnittstellen und der Informa - tionsaustausch zwischen den verschiedenen Planungsphasen untersucht und in das VFF-Referenzmodell integriert. Durch die Allgemeingültigkeit und den Empfehlungscharakter deckt das entwickelte Referenzmodell die verschiedensten Planungs - vorhaben ab und dient als Grundlage für die weitere Entwick - lung des ganzheitlichen VFF-Datenmodells. Es soll dabei die Anfor derungen an eine vollständige und skalierbare Daten - model lie rung sowie an ein ganzheitliches Datenmanagement von Produkt-, Fabrik- und Prozessplanungsdaten in kollaborativen Entwicklungsnetzwerken berücksichtigen. Das VFF-Datenmodell wird zusammen mit dem Virtual-Factory- Manager und der Wissensdatenbank die Plattform für die Virtuelle Fabrik der nächsten Generation bilden, in welche die neu entwickelten Funktionsmodule und bestehenden digitalen Werkzeuge für die schnelle, zuverlässige und optimierte Ge - staltung von wissensbasierten Produktionssystemen integriert werden. Diese Funktionsmodule sollen über die Einbindung in die VFF-Plattform eine gemeinschaftliche und interdisziplinäre Analyse und Optimierung von Fabriken und Prozessen ermöglichen. Gemeinsam mit Projektpartnern aus der Industrie werden darüber hinaus Demonstrationsszenarien definiert, an - hand derer die Anwendungs- und Nutzenpotenziale der VFF- Plattform für die Virtuelle Fabrik der nächsten Generation aufgezeigt werden. 1 VFF-Säulen Trans-IND ist ein»large-scale integrating project«des 7. For - schungsrahmenprogramms der EU. Das Hauptziel des Trans-IND- Ansatzes ist die Entwicklung eines flexiblen, kosteneffektiven, leistungs- und wissensbasierten, nachhaltigen Industrialisie rungs - systems von Bauteilen und Komponenten der Verkehrsin fra - struktur wie Straßen- und Fußgängerbrücken aus kohle faser - verstärkten Verbundwerkstoffen (CFK). Im Rahmen des Projekts sollen alle relevanten Aspekte des Projekts berücksichtigt werden, angefangen bei den Bedürfnissen von Kunden und Nutzern, der gesellschaftlichen Akzeptanz und dem Design, über die Standardisierung, die Materialbe schaffung, die industriellen Modelle, die Fertigungsprozesse, die Baustellen, die Logistik, die Montage und die Demontage bis hin zu den Anforderungen an die Informations- und Kommunika tions tech - nologien, um den gesamten Prozess managen und abwickeln zu können. Durch Verbesserung dieser Werkstoffe wird es prinzipiell möglich, Infrastrukturbauten aus diesen Werkstoffen zu fertigen. Bisher werden diese Werkstoffe hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt bzw. in der Automobilindustrie eingesetzt. Neben diesen beiden Hauptbranchen gibt es noch kleinere Zweige wie z. B. die Freizeitgüterindustrie. Um beispielsweise Brücken aus Verbundwerkstoffen günstiger produzieren zu können als konventionelle Brücken aus Stahl und Beton sollen die Brückenträger und Aufbauten in einer Fabrik gefertigt und anschließend auf die Baustelle transportiert werden. Dies ist möglich, da die Brückenbauteile aus Verbundwerkstoffen nur einen Bruchteil des Gewichts konventioneller Brücken aufweisen. Dort werden diese Module dann montiert. Innerhalb dieses EU-Forschungsprojekts sind die Aufgaben an 25 internationale Partner aus der Industrie und Forschung verteilt. Die Entwicklungsgruppe»Digitale Fabrik«befasst sich mit der Konfiguration, Planung und Optimierung von Produk tions - prozessen für eine automatisierte Pilotlinie für Großbau teile aus CFK, die sich durch Flexibilität, Neukonfigurierbarkeit und Beweglichkeit auszeichnen sowie die Anpassung an verschiedene Produktarten und -mengen bei verschiedenen Nach frage - situationen an den Märkten ermöglichen soll. Die Prozess- und Logistikplanung hat daher die Aufgabe, ein passendes Layout und einen geeigneten Produktionsprozess zur Industrialisierung solcher CFK Bauteile zu entwickeln. Dies - bezüglich müssen bestimmte Aspekte wie Kosten- und Leis - tungseffizienz, die Flexibilität, die Produktivität als auch die be - nötigten und beteiligten Produktionsprozesse berücksichtigt werden. Das Resultat soll ein hoch automatisiertes, flexibles Produktionskonzept sein, womit verschiedene Größen und Mengen solcher Verbundwerkstoffkomponenten hergestellt werden können. Ein besonderes Ziel ist dabei die Erstellung eines Referenzlayouts und eines Referenzprozesses, einschließlich der Systematisierung und Strukturierung aller Arbeitsphasen und der dazugehörigen Ablaufschritte sowie Planungs objek te. 1 Ableitung des maßstäblichen Funktionsschemas 10 11

8 1 InnovatIonscluster»DIgItale ProDuK tion«produzierende Unternehmen greifen zunehmend auf Werk zeuge der Digitalen Fabrik zurück, um ihre Fabriken auf ein betriebstechnisches Optimum zu bringen. Die Nutzung moderner In - formationstechnologie in der Produktion ist bei großen Auto - mobilunternehmen weit verbreitet; in kleinen und mittelständischen Unternehmen werden deren Potenziale jedoch weniger ausgeschöpft. Die Zielsetzung des Innovationsclusters ist es, in enger Zusammenarbeit von Forschung und Wirtschaft neue Erkenntnisse im Forschungsfeld der Digitalen Produktion zu gewinnen, daraus Systementwicklungen zu generieren und diese für die produzierende Industrie nutzbar zu machen. Im Rahmen des Innovationsclusters bearbeitet das Fraunhofer IPA drei Teilprojekte: Smart Factory kontextbezogene Informationssysteme in der Produktion zur Verbesserung von Produktionsabläufen mit Hilfe standort- und zustandsbezogener Anwendungen Grid Manufacturing: Entwicklung eines Konzepts für ein Grid-Manufacturing-Paradigma Fabrik-Lifecycle-Management: Implementierung einer IT- Umgebung für integrierte und ganzheitliche Fabrik- und Prozessplanung Die drei Teilprojekte ermöglichten für das Jahr 2010 die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender Methoden und Werkzeuge. Total Energy Efficiency monitoring Zum Ersten wurde das Werkzeug»Total Energy Efficiency Monitoring«für das Monitoring der Energieeffizienz von Produktionssystemen mit Hilfe von digitalen Werkzeugen als Teil der bereichsübergreifenden Entwicklung»Total Energy Efficiency Management«(TEEM) entwickelt. Dieses Werkzeug zielt auf die Steigerung der Energieeffizienz und der Visualisie - rung von Energieverbrauchswerten, indem es konkrete Aussagen zu dem Energiebedarf und den -kosten trifft. Die Energie kosten lassen sich Prozessdaten zuordnen, womit eine belastbare Be - wertung von Energiesparmaßnahmen ermöglicht wird. Zur Umsetzung wurde ein Simulationsmodell konzipiert, modelliert und schließlich umgesetzt, um die Auswirkungen von Maß - nahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz zu simulieren. Diese Simulation agiert auf Basis realer Energiewerte. Als Ergebnis ergibt sich eine Energiekostenzuordnung zu einzelnen Verbrauchern. Eine permanente Visualisierung der sich in der Simulation ergebenden Energieverbräuche, der Gesamt - leistung, der folgenden Energiekosten sowie der Investitions- Amortisationszeit ermöglicht, dass Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz abgeleitet sowie die Auswirkungen verfolgt werden können. Referenzmethodik und Engineering-werkzeug zur synchronen Investitions- und Fabrikleistungsplanung (FlIP) Das Ziel von FLIP ist es, monetäre Aussagen zu Lebenszyklus - kosten, Herstellungskosten und technischer Leistung während der strategischen Fabrikplanung zu generieren. Besonders hervorzuheben sind dabei die ganzheitliche und synchrone Be trachtung von Kosten und Leistung bereits während der strate gischen Fabrikplanung sowie die schnelle und einfache Abbildung, Analyse und Evaluation der technischen und betriebswirtschaftlichen Planungsalternativen. In der Referenzmethodik wird das Vorgehen zur Investitionsund Fabrikleistungsplanung in zwei synchrone Planungsebenen sowie elf Planungsschritte unterteilt. Die Planungsebenen wer- den parallel bearbeitet und beinhalten Ebenen übergreifende Verknüpfungen der jeweiligen Planungsschritte. Für die Pla - nungsebenen werden durch die Anpassung der Leistungs kenn - zahlen verschiedene Planungsszenarien generiert, iterativ optimiert und zur Bewertung analysiert und evaluiert. Referenzmethodik und Engineering-Tool zur Auswahl des wertschöpfungsidealen Produktionsnetzwerks (vpronet) Das Engineering-Werkzeug»vProNet«zielt auf die Ermittlung des wertschöpfungsidealen Produktionsnetzwerks. Im Rahmen von sieben Phasen wird eine Simulation des Produktionsnetz - werks auf Basis von ermittelten Daten mit Hilfe einer benutzerfreundlichen Oberfläche sowie einer umfangreichen Bibliothek erstellt (Bild 5). Die Wertschöpfungsprozesse des analysierten Unternehmens lassen sich auf Basis der Simulationsergebnisse kostenoptimal verteilen, indem verschiedene Alternativen für dynamische Produktionsnetzwerke bewertet werden. Neben den Forschungsaktivitäten wird im Rahmen des Inno - vationsclusters jährlich ein Forum veranstaltet. In diesem Jahr stand es unter dem Thema:»Quo vadis Digitale Produktion?«. Das Forum diente den Referenten führender Industrieunter neh - men und Forschungsinstitute dazu, auf Basis ihrer Erfahrungen den aktuellen Stand der Digitalen Produktion aufzustellen und die Herausforderungen für die kommenden Jahre zu diskutieren. 1 vpronet-screenshot-modellierung 12 13

9 ProDuKt- und QualItätsmanagement»Life-Cycle-Management«(LCM) bietet den Unter nehmen die Chance, auf den Märkten von morgen erfolgreich zu be - stehen. Individuell auf die Unter nehmen zugeschnittene Life- Cycle-Konzepte er möglichen eine gesamtwirtschaftliche Optimierung der Produkte und Dienst leistungen hinsichtlich Kosten, Zeit, Um welt/energie und Qualität. Im Rahmen von Industrie projekten unterstützen wir Unter nehmen bei der Ent - wicklung und Optimierung der Produkte, Prozesse und Tech - no logien sowohl über den ge samten Produktlebenszyklus als auch spezifisch innerhalb einzelner Phasen. Dabei be rück sich - tigen wir aktuelle Trends und lassen neue Erkenntnisse, die wir im Rahmen von Forschungs- und Entwick lungsprojekten sammeln, bei der Ge staltung der Konzepte einfließen. Das Spektrum der Abteilung»Produkt- und Qualitäts manage - ment«umfasst zum Life-Cycle-Management folgende Themen: Innovations- und Technologie management Integrierte Produkt- und Prozess entwicklung Qualitätsmanagement Schadstoffmanagement und Produktrecycling Wissens- und Kompetenz management Methodenentwicklung und -anwendung Im Bereich Innovations manage ment stellen wir dar, wie Ent - wickler methodisch unterstützt zu marktgerechten Innovationen kommen können, die die Zukunftsfähigkeit der Unterneh men lang fristig sichern. Forschungser gebnisse aus dem Be reich Tech - nologie management zeigen, wie kleine und mittlere Unter - nehmen zukünftig in die Lage versetzt werden, mit Hilfe von Technologie-Road maps Technologie ent wick lungen zielgerichtet voranzutreiben und das zugehörige Know-how aufzu bauen. Aus dem Bereich Schadstoffmanage ment informieren wir über Ex - per tenforen, die gemeinsam mit Unter nehmen Lö sungs ansätze zum Schad stoff management er ar beiten, um neuen EU-Gesetz - gebungen zukünftig gerecht zu werden. Und last but not least präsentieren wir im Bereich Wissens- und Kom petenzmanage - ment neue Organi sa tionsformen und In stru mente zur Steue - rung und effektiven Nutzung der Res source»wissen«. Die Abteilung Produkt- und Qualitäts management hat aus diesem Themen spektrum im Jahr 2010 mehr als 100 Industrieund Forschungsprojekte in den unterschiedlichsten Branchen erfolgreich be arbeitet. Die ausgewählten und im Folgenden kurz dargestellten Referenzprojekte geben nur einen kleinen Ausschnitt aus unserem Tätig keits feld wieder. dr. Alexander Schloske Telefon

10 1 systematische ermittlung und DurchgängIge betrachtung von»besonderen merkmalen«vda-gelbdruck vom Oktober 2010 fordert systema - tische Ermittlung und durchgängige Betrachtung von»besonderen merkmalen«in der Automobilindustrie und Automobilzulieferindustrie Mit der Veröffentlichung des neuen VDA-Gelbdrucks im Oktober 2010 ist das Thema der»besonderen Merkmale«wieder stärker in den Vordergrund gerückt worden. Zur Gruppe der»besonderen Merkmale«zählen all jene Merkmale eines Produkts, die einen Einfluss auf Leib und Leben des Benutzers (BM S), die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich Zulassung (BM Z) sowie die Funktion (BM F) des Produkts haben können. Diese Merkmale gilt es im Vorfeld der Produktentstehung zu identifizieren, mit Absicherungsmaßnahmen zu belegen und während der Produktentstehung zu überwachen und zu doku - mentieren. Das Fraunhofer IPA hat zur Erfüllung der Anforde - rungen des VDA bei einem Zulieferer der Automobilindustrie ein Konzept zur systematischen und durchgängigen Behand - lung»besonderer Merkmale«entwickelt und beispielhaft umgesetzt. Systematischer Ansatz zur Identifikation von»besonderen merkmalen«als systematischer Ansatz zur Ermittlung der»besonderen Merk - male«wurde die FMEA mit der vom VDA 4 in Kapitel 3 (2006) dargestellten Vorgehensweise gewählt. Durch die Anbindung von Merkmalen über Funktions- und Fehlernetze an die Haupt - funktionen und Hauptfehlfunktionen des betrachteten Systems ergibt sich ein Ansatz, bei dem sichergestellt werden kann, dass alle Zusammenhänge betrachtet werden. Mit Hilfe dieser Funk - tions- und Fehlernetze kann eine durchgängige und systematische Betrachtung der Merkmale vom Gesamtsystem über die Komponenten bis hin auf die unterste Ebene der Prozesspara - meter erfolgen. Absicherung in der Produktentwicklung Mechanische Komponenten: Für mechanische Komponenten erfolgt die Absicherung im Rahmen der Produkt-FMEA. Darin werden Maßnahmen für ein robustes Design sowie die Überprüfung der Erreichung des - selben im Rahmen der Produktentwicklung festgelegt. In Ab - hängigkeit von den Auswirkungen im Gesamtsystem wurden Regeln für die Zielwerte in der Produktentwicklung definiert. So müssen beispielsweise Fehlfunktionen, die zu einer Gefahr für Leib und Leben führen können, im Betrieb sicher vermieden werden, d. h. das Produkt muss so robust ausgelegt werden, dass diese Fehlfunktionen bei Einhaltung der definierten Toleranzen und Materialien im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht auftreten können. Die Planung zur Verifizierung und Validierung der Funktionalitäten sowie der Nachweis dazu werden ebenfalls im Rahmen der FMEA abgehandelt. Mechatronische Komponenten: Für mechatronische Komponenten erfolgt die Absicherung im Rahmen der»funktionalen Sicherheit«gemäß der IEC bzw. der demnächst erscheinenden ISO DIS Hierzu wird einerseits das Sicherheitskonzept im Rahmen der System-FMEA entwickelt und andererseits die Zuverlässigkeit der elektrischen und elektronischen Komponenten mit Hilfe einer FMEDA nachgewiesen. Absicherung in der Produktionsplanung Die Absicherung der Prozesse erfolgte im Rahmen der Prozess- FMEA. Neben Maßnahmen zum robusten Prozessdesign (Poka- Yoke-Absicherungen) wurden die Fehlerursachen in Ursachen mit systematischem und zufälligem Auftreten unterteilt. Damit konnten die notwendigen Prüfmaßnahmen gezielt auf das Fehlerbild hin definiert werden. So wurden bei Fehlerursachen mit zufälligem Auftreten konsequent 100-Prozent-Prüfungen zugeordnet, während die Prüfmaßnahmen für systematisch auftretende Fehlerursachen in Richtung Erst- und Letztstückbzw. Stichprobenprüfung geplant wurden. Bei Merkmalen, die vom Lieferanten beeinflusst wurden, erfolgte die Weiter - gabe der»besonderen Merkmale«an den Lieferanten bzw. erfolgte eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, ob das Merkmal nicht wirtschaftlicher im Rahmen der Wareneingangs- und/ oder Montageprüfung abgefangen werden kann. durchgängige Betrachtung von»besonderen merkmalen«durch die Anbindung der Prozess-FMEA an die Produkt-FMEA konnte eine durchgängige Betrachtung der»besonderen Merkmale«von der Hauptfunktion im Gesamtsystem bis hin zu den einzelnen Prozesseinflussgrößen realisiert werden. wirtschaftliche Betrachtung Auf Basis der durchgängigen Betrachtung mit Hilfe der Fehler - netze über die Produkt-FMEA bis hin zur Prozess-FMEA konnte zudem eine Entscheidung unter gesamtwirtschaftlichen Ge - sichtspunkten getroffen werden, auf welcher Ebene die»be- sonderen Merkmale«abgesichert werden sollen (bildlich ge - sprochen: auf welcher Ebene die Ursache-Wirkungskette durchschnitten werden kann). So kann es unter Umständen günstiger sein, ein komplett produziertes Subsystem aufgrund einer Funktionsprüfung als Ausschuss zu deklarieren, als durch aufwändige Maßnahmen eine 100-Prozent-Prüfung auf Merk - malsebene durchzuführen. Bild 1 verdeutlicht den Ansatz zur Absicherung der»besonderen Merkmale«unter wirtschaft - lichen Gesichtspunkten. 1 Ansatz zur Absicherung besonderer Merkmale unter wirtschaft - lichen Gesichtspunkten 16 17

11 schadstoff-scout A U T O m AT I S c H E S I d E N T I F I z I E R E N V O N S c H A d S T O F F H A lt I g E N B A U T E I l E N d U R c H A U T O - m AT I S c H E S A N A ly S I E R E N d E R z E I c H N U N g E N m I T O P T I c A l c H A R A c T E R R E c O g N I T I O N ( O c R ) U N d k l A S S I F I z I E R E N m I T H I l F E V O N S U P P O RT V E c T O R m A c H I N E S Steigende Umweltanforderungen erfordern zunehmende kenntnisse über die materialdaten In den letzten Jahren haben die gesetzlichen Beschränkungen von Schadstoffen weiter zugenommen. Die Unternehmen dürfen aufgrund dieser Gesetze etliche Substanzen nur noch eingeschränkt nutzen. Beispielsweise gilt seit der Einführung der RoHS in mechanischen Komponenten von Elektro- und Elek - tronikgeräten ein Grenzwert für den Bleigehalt in Alumini um - legierungen von 0,35 Gewichtsprozenten. Betroffen sind hierbei auch Produkte oder Bauteile, die bereits entwickelt worden sind. Komponenten, die schon seit Jahrzehnten eingesetzt wurden, sind somit gegebenenfalls neu zu konstruieren. Aus diesem Grund benötigt das Unternehmen zunächst die Werk - stoffinformationen aller Bauteile, um die schadstoffhaltigen Bauteile zu identifizieren. Bei der Identifikation sind die vorhandenen Daten und Doku - mente zu analysieren. Während die neueren CAx-Systeme die notwendigen Werkstoffinformationen leicht identifizierbar be - inhalten, werden die alten Zeichnungsteile höchstens als TIFFoder PDF-Datei abgelegt. Die Information über den Werkstoff kann aus diesen alten Zeichnungen nur schwer ausgelesen werden. Die Zeichnungen müssen detailliert geöffnet werden, um den Werkstoff manuell auf die Schadstoffkonformität hin überprüfen zu können. Dieser Prozess erfordert enorme Res - sourcen und stellt die Unternehmen vor erhebliche Probleme. Aus diesem Grund wurde der gesamte Prozess mit neuesten IT-technischen Methoden automatisiert. Die Zeichnungen werden automatisch eingelesen und die Schrift durch Optical Character Recognition (OCR) erkannt. Anschließend werden alle zur Verfügung stehenden Informationen der Bauteile (Text aus Zeichnungen, Warengruppen, Materialkurztext etc.) aufbereitet. Die Trennung einiger Bauteile in zwei kleine Beispiel - mengen (schadstoffhaltig/schadstofffrei) ermöglicht die Be - rechnung einer Trennebene innerhalb des mehrdimensionalen Raums der Ausprägungen (Support Vector Machines). Weitere Zeichnungen werden somit aufgrund ihrer Ausprägung auf einer Seite der Trennebene platziert und können dadurch zu - geordnet werden. Weil der Prozess automatisch erfolgt, kann von einer manuellen Durchsicht aller Bauteile abgesehen werden. Bei Unternehmen mit mehreren tausend Teilen spart dies erhebliche Ressourcen. Das Einhalten der Schadstoffrestrik tionen ist für die Unternehmen zwingend erforderlich, um weiterhin Produkte entsprechend der gesetzlichen Vorgaben auf den Markt bringen zu dürfen. Der Schadstoff-Scout ermöglicht es, diesen Anforderungen mit minimalen Ressourcen gerecht zu werden. wissenschaftlicher Ansatz und Vorgehen zur lösung der Problemstellungen im Schadstoffmanagement Der Ansatz der Projektlösung basiert auf zwei Lösungsprinzipien: Klassifizieren der Zeichnungen mit Hilfe von Support Vector Machines im Zuge eines Data-Mining-Prozesses Automatisieren des kompletten Prozesses von dem Konvertieren der Zeichnungen über das Auslesen mit Optical Character Recognition durch ein IT-Programm Der Industriekunde hatte aufgrund der gesetzlichen Lage die Verpflichtung, seine Produkte schadstoffkonform zu entwickeln. Die von ihm in den Verkehr gebrachten und entwickelten Pro - dukte (Messgeräte) fallen ab 2012 unter die gesetzlichen Res - triktionen des ElektroG. Das ElektroG beschränkt den Ein satz von Blei, Quecksilber, Chrom VI, PBDE und Cadmium. Diese Substanzen sind innerhalb der Zeichnungsteile häufig in Legie - rungen und Oberflächenbeschichtungen anzutreffen. Auf grund des gesetzlich vorgegebenen geringen Grenzwerts für Blei wird dieser, beispielsweise in Stahllegierungen, oftmals überschritten. Der Kunde bat das Fraunhofer IPA wegen seiner Kompetenz auf diesem Gebiet um Unterstützung. Das daraus folgende Industrieprojekt sah die Umstellung der Geschäftsprozesse anhand von drei Pilotprodukten vor. Im Rahmen dieses und vorheriger Projekte wurde die Zeichnungs - sichtung erneut als kritischer Punkt identifiziert. Die Zeichnungen lagen in SAP als TIFF-Datei vor, wobei der Werkstoff ausschließ - lich auf den Zeichnungen ersichtlich war. Bei 400 Produkten mit jeweils ungefähr 1600 Zeichnungsteilen wäre ein hoher Ressourcenaufwand nötig gewesen, um diese Zeichnungen zu sichten. Aus diesem Grund wurde die Vorgehensweise aus eigenem Antrieb zum Nutzen für die Unternehmen entwickelt. Vorteile durch die Nutzung des Schadstoff-Scouts Der Kunde war durch den Einsatz des Schadstoff-Scouts in der Lage, mit minimalem Aufwand die Schadstoffe in seinen Produkten zu identifizieren. Statt alle Bauteilzeichnungen manuell öffnen und den Schadstoff abgleichen zu müssen, kann nun eine automatische Analyse erfolgen. Dadurch, dass die Produkte erkannt und umgestellt werden, entsteht indirekt der Nutzen der Schadstoffkonformität. Diese bietet den Unternehmen folgende Vorteile: Das Unternehmen darf auch künftig Geräte mit in den Verkehr bringen. Lieferantenanfragen, ob ein Produkt Schadstoffe enthält, können beantwortet werden. Das Unternehmen kann mit umweltfreundlichen Produkten werben. Vorgehensweise bei dem Einsatz des Schadstoff-Scouts Bei der Nutzung des Schadstoff-Scouts wird das interessierte Unternehmen in der Regel ganzheitlich in Bezug auf seinen Umweltstatus betrachtet. (Schritt 1 und Schritt 4 sind dafür erforderlich.) Akquise und Umweltstatus: Während eines ersten Gesprächs wird der Stand des Unter - nehmens bezüglich der Umweltrichtlinien und der Daten aufgenommen. In der Regel beachten Unternehmen die umweltorientierten Richtlinien zu spät. Ineffiziente Umkon - struktionen werden dadurch erforderlich. Ein Abgleich aller umweltorientierten Richtlinien mit den jeweiligen Unter - nehmen ermöglicht die Erstellung einer Maßnahmenliste. Datenanalyse und Testphase: Die vorhanden Daten und Dokumente werden analysiert. Anschließend erfolgt die Aufbereitung der Daten und erste Tests an kleineren Beispielmengen. Durchführung und Verbesserungsphase: Nachdem überprüft wurde, ob das Verfahren in dem Unter - nehmen einsatzfähig ist, kann eine Ausbreitung auf den gesamten Datenbestand erfolgen. Kritische Punkte bilden die Schriftqualität und weiterführende Informationen wie Warengruppen. Begleitung (allgemeiner Schritt): Das Unternehmen wird bezüglich weiterer Umweltrichtlinien im Rahmen unseres Expertenforums informiert und begleitet. Dieses Expertenforum findet seit 1994 jährlich in sechs Arbeitskreissitzungen mit Unternehmen statt. Inner - halb dieser Treffen werden neueste Richtlinien durch Fach - referenten vorgestellt und die Unternehmen erhalten die Möglichkeit, sich auszutauschen

12 1 2»lean office«d I E E R F O l g R E I c H E I m P l E m E N T I E R U N g F Ü H RT Ü B E R E I N S T I m m I g E S g E S A m T k O N z E P T Die Frage, ob sich Unternehmen mit»lean«-methoden in in - direkten Bereichen auseinandersetzen sollten, ist in den letzten Jahren zunehmend dem»wie«der sinnvollen Umsetzung ge - wichen. Meist gehen Unternehmen die Lean-Umsetzung in den administrativen Bereichen lediglich sehr funktionsspezifisch und über einzelne Methoden an. Solche Initiativen erreichen jedoch nur punktuelle Verbesserungen. Eigene Projekterfahrungen des Fraunhofer IPA zeigen, dass erfolgreiche, abteilungsübergreifende Optimierungsvorhaben im Sinne des Lean-Ansatzes nur über ein abgestimmtes Gesamtkonzept für die indirekten Bereiche möglich ist. Um diese Erfahrungen zu überprüfen, wurde in der aktuellen Studie»LeanOffice 2010«des Fraunhofer IPA und des Fraunhofer Austria beleuchtet, welche Wege er - folgreiche Unternehmen bei der Optimierung der administrativen Prozesse beschreiten und welche Faktoren eine nachhal - tige Umsetzung sichern. Insgesamt 350 Unternehmen aus dem Produktions- und Dienstleistungsbereich im deutschsprachigen Raum stellten sich den Fragen. Unternehmen haben kein Erkenntnis-, sondern ein Umsetzungsproblem! Mit durchschnittlich 27 Prozent Verschwendung der reinen Arbeitszeit sehen die Teilnehmer der Studie nach wie vor ein hohes Verbesserungspotenzial in den indirekten Bereichen. Nach Meinung der Unternehmen liegen die Ursachen dabei größtenteils in den schlecht abgestimmten, abteilungsübergreifenden Prozessen. Die Studie bestätigt, dass es vielen Unternehmen an einem schlüssigen Gesamtsystem für die Lean-Initiative und an methodischem Know-how innerhalb der Administration fehlt, um diese Potenziale zu heben. Wirk - lich drängende Probleme werden dadurch unsystematisch oder gar nicht angegangen. Auf der Tagesordnung stehen eher Feuerwehraktionen unter hohem Zeit- und Erfolgsdruck. Erhoffte Produktivitätssteigerungen bleiben entsprechend auf der Strecke. Top-Unternehmen, die durchdachte Programme aufsetzen, konnten hingegen alleine in den letzten drei Jahren Produktivitätssteigerungen von mehr als 15 Prozent realisieren. Das bedeutet ein Plus an 15 Prozent freier Kapazität für Verbesserung im Kundenservice, für Weiterentwicklung oder Innovation.»lean«ist auch im indirekten Bereich kein Projekt, wichtig ist die langfristige Ausrichtung! In puncto Produktivitätsentwicklung, Erfolg und Nachhaltig keit von Lean-Aktivitäten setzen erfolgreiche Unternehmen auf Programme, die über das gesamte Unternehmen wirken. Ein - zelne, punktuelle Verbesserungen werden als wenig erfolgreich und nachhaltig eingeschätzt. Dies gilt für große wie für kleine Unternehmen. Eine intensive Auseinandersetzung mit der Konzeption:»Wo fange ich mit den Verbesserungen an und wo will ich hin?«, der Struktur:»Wer trägt die Aktivitäten und wer führt/begleitet diese?«und dem Methodenbaukasten:»Wie und mit welchen Werkzeugen gehe ich die Verbesse - rungen an?«ist daher bereits im Vorfeld der Lean-Aktivitäten lohnenswert. Erfolgreiche Unternehmen räumen den Erfolgsfaktoren schlanker Prozesse wie Prozesstransparenz, komplexi täts - reduktion und Standardisierung einen hohen Stellen - wert ein! Außer auf die geeignete Organisation der Aktivitäten setzen die Top-Performer stärker auf die konsequente Erfüllung der Kriterien schlanker Prozesse: Die Anforderungen der jeweiligen Kunden (extern/intern) an die Prozesse werden durchgängig identifiziert. Die Mitarbeiter wissen, welche Ergebnisse erwartet werden. Die Prozesse sowie deren Varianten, die zum Ergebnis führen, sind geregelt und die Mitarbeiter wissen, was auf welche Weise getan werden muss. EDV-Systeme unterstützen die Prozesse durch Workflows optimal, Trampelpfade und Not be - helfe, z. B. über Excel, sind nicht erforderlich. Die Steuerung der Prozesse erfolgt anhand von Prioritätsregeln (bspw. FIFO, ABC-Kunden etc.), die festlegen, in welcher Reihenfolge Vor - gänge abgearbeitet werden. Zudem erlauben es aussagekräftige und detaillierte Kennzahlen, aktuelle Engpässe und Schwach - stellen aufzudecken. Dies sind nur einige Beispiele, bei denen sich weniger erfolgreiche Initiativen von den erfolgreichen deutlich abheben. Das Wichtigste jedoch zum Schluss. Die Unternehmen mit den höchsten Produktivitätssteigerungen setzen alle konsequent auf die Einbindung der (operativen) Mitarbeiter nach dem Motto:»Mitarbeiter als Mitgestalter«! 1 Studienergebnisse 2010 Welches Potenzial liegt in der Administration? ( Fraunhofer IPA) 2 Studienergebnisse 2010 Erfolgsfaktoren Auszug ( Fraunhofer IPA) 20 21

13 WebbasIerte simulationsdienste FÜr Kmu Ausgangssituation müssten Simulationshersteller Anschaffungs- und Betriebs - kosten senken, modulare passgenaue Lösungen geringer Die Anforderungen an deutsche Unternehmen sind nach der Komplexität schaffen und damit bedarfsgerechte Angebote Krise gewachsen. Kunden erwarten gerade vom High-Tech- für KMU platzieren. Standort Deutschland höchste Qualität bei immer kleineren Losen und kürzeren Lieferzeiten. Der daraus resultierende Druck Verbundvorhaben»simkmU«zur ständigen Veränderung trifft gerade kleine und mittlere Unternehmen (KMU) aufgrund ihrer begrenzten Ressourcen Durch das Fortschreiten von Webtechnologien eröffnet sich bei der Planung ihrer Produktion und Logistik hart. Häufig ist ein neuer Weg, den hohen Wissens- und Erfahrungsschatz es ihnen nur schwer möglich, die Konse quenzen von Ver än de - deutscher Simulationsanbieter zu bündeln und für KMU zu - rungen vor ihrer Implementierung abzuschätzen. gänglich zu machen. In dem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Verbund vor - Simulation ist ein leistungsfähiges Instrument, um Verbesse - haben»simkmu«verfolgte das Fraunhofer IPA in einem rungspotenziale zu identifizieren und zu heben: Konsortium mit Industriepartnern folgende Zielsetzungen: Optimierung von Produktions- und Logistikprozessen Entwicklung einer internetbasierten Simulations- und Be - Verkürzung von Forschungs- und Entwicklungsprozessen ratungsplattform zur Anbindung von Simulationsanwendungen Unterstützung von Lernprozessen und Wissensverteilung im Entwicklung modularer webbasierter Simulationslösungen Unternehmen für die Bereiche Produktion, Logistik und Geschäftsprozesse Transfer von Hintergrund- und Handlungswissen in den Die im Markt befindlichen Simulationswerkzeuge kommen Themenfeldern jedoch fast ausschließlich in Großunternehmen zur Anwen - dung. Aus diesem Grund untersuchte das Fraunhofer IPA in Die Möglichkeit, einzelne Simulationswerkzeuge»on einer Studie (Breitenbefragung, Stand der Digitalen Fabrik bei demand«testen und einsetzen zu können, eröffnet neue KMU, Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag, 2005) die Hemmnisse Geschäfts stra tegien und erhöht direkt den Nutzen für die zur Einführung von Simulation in KMU. Dabei gaben die be - Anwender unter nehmen. fragten KMU folgende zentrale Einstiegshürden an: Einführungskosten (48 % der befragten Unternehmen) und Anbieterneutrale Online-Plattform» (46 %) Fehlendes Know-how (35 %) und unklarer Nutzen (30 %) Über die anbieterneutrale Online-Plattform» völlig unterschiedliche Simulationsdienste durch Soft - Stellt man dem gegenüber, dass 99 Prozent aller Unternehmen ware-anbieter bereitgestellt und abgerechnet werden. Um KMU in Deutschland nach Definition der Europäischen Kommission den Einstieg zu erleichtern, sind Fallstudien (Best-Practices) ein als KMU zu bezeichnen sind und diese einen Anteil von 39 Pro - zentrales Element der Plattform: Textbasierte und damit direkt zent am Gesamtumsatz erwirtschaften und 55 Prozent aller von Suchmaschinen auffindbare Dokumente werden mit Arbeitnehmer beschäftigen, wird das riesige Potenzial für fallbezogenen Simulationsmodellen verknüpft. Somit werden Verbesserungen erkennbar. Um diesen Markt anzusprechen, interaktive Lösungen zu konkreten Fragestellungen in Internet- Recherchen für Suchende unmittelbar zugänglich. Innerhalb des Teilvorhabens»Intralogistik«steuerte das Fraunhofer IPA zusammen mit seinen Unterauftragnehmern, der KORION GmbH und der Universität Stuttgart (IFF), zwei eigenständige Werk - zeuge bei, die direkt im Browser ausgeführt werden können. webbasierte Fabrikdaten-Simulation»SimwebApp«Das Fraunhofer IPA realisierte eine vollwertige und für Einsteiger geeignete webbasierte Fabrikdaten-Simulation. Mit Hilfe des Werkzeugs»SimWebApp«können Problemstellungen aus den Bereichen Produktionsplanung und -steuerung und innerbetrieblicher Materialfluss schnell modelliert und online analysiert werden. Hierbei bilden die gemeinsam mit Industrie unter neh - men entwickelten Simulationsmodelle den Kern der Anwen - dung und bieten aussagekräftige Antworten auf praxisrelevante Fragestellungen. Ein umfassendes Kennzahlensystem ermöglicht Simulationsneulingen die zielgerichtete Auswer tung konkreter Szenarien. Die Leistung eines Produktionssystems wird in den Bereichen Durchlaufzeit, Bestand, Ausbringung, Liefer - treue und Auslastung analysiert. Die in Kooperation mit dem IFF entwickelten generischen Simu - lationsalgorithmen ermöglichen eine flexible Abbildung verschiedener Problemstellungen der Intralogistik. Um eine hohe Verbreitung im Markt zu ermöglichen, wurde die Webanwendung frei von Plug-Ins und auf einem skalierbaren Datenbanksystem realisiert. Die Anwendung steht ohne jeglichen Installationsaufwand unter für alle Interessierten bereit. Video-Seminar»logistiksimulation für kmu«ergänzt wird das Angebot durch das integrierte Video-Seminar»Einführung in die Logistiksimulation für KMU«. In elf Kapiteln wird der Anwender gezielt an die Fabrikdaten-Simulation herangeführt. Insgesamt stehen zweieinhalb Stunden Filmmaterial und zahlreiche Graphiken bereit. Die Kernfrage, die der Online-Kurs zu beantworten sucht, lautet: Wie modelliere ich meine Realität? Flash-basierte Intralogistik-Simulation:»simPEl«Im Unterauftrag des Fraunhofer IPA entwickelte die KORION GmbH aus Ludwigsburg die browserbasierte Simulations lösung»simpel«. Die Software (Flash) besticht durch eine ansprechen - de 3-D-Oberfläche und ermöglicht eine spielerisch zugängliche Simulation für spezielle intralogistische Fragestellungen wie z. B. die Maschinenverkettung. Inhaltlich ergänzen sich die beiden Software-Werkzeuge zu einem mächtigen Gesamtkonzept. Nutzen und mehrwert Für KMU wird Simulation über das simkmu-portal erstmalig kostengünstig erfahrbar. Praxisgerechte Lösungen werden auf einem Online-Marktplatz sichtbar und können bedarfsgerecht gebucht werden. Fallstudien ermöglichen den einfachen Ein - stieg in die Technologie. Für Simulationsanbieter bietet der Netzwerkcharakter des sim - KMU-Portals Synergien in den Bereichen Marktzugang, Markt - kommunikation, Wissensvermittlung, Internettechnologien u. a. Die Fraunhofer Fabrikdaten-Simulation»SimWebApp«ist als Software-as-a-Service leicht zugänglich und von Einsteigern und Fortgeschrittenen sofort anwendbar. Ohne in die echte Produk - tion eingreifen zu müssen, liefert das Werkzeug konkrete Aus - sagen zu vielfältigen Fragestellungen, z. B. für Kapazitäts anpas - sungen, Losgrößen, Milkrun versus On-Demand-Transport, Ver - packungskonsolidierung, Steuerungsverfahren (Push/Pull) u. a. Das Portal ist zu erreichen unter die Fraunhofer-Simulationslösung direkt unter

14 FabrIKPlanung und ProDuKtIonsoPtImIerung Wettbewerbsfähige Unternehmen müssen ihre Fabriken und Produktionen im Grenzbereich der technischen, logistischen und organisatorischen Möglichkeiten betreiben. Dabei sind einerseits kontinuierliche Verbesserungen sowie andererseits auch grundlegende Anpassungen und Wandlungen die Vor - aussetzungen für den dauerhaften Erfolg einer Fabrik. Mit unserem Leistungsangebot zur»fabrikplanung und Pro - duktionsoptimierung«unterstützen wir Sie bei der Verfolgung der wesentlichen Fabrikziele. Zur Bewältigung der vielfältigen Herausforderungen an ein produzierendes Unternehmen stehen insbesondere die folgenden Aufgaben an: Gestaltung von zukunftsfähigen und wandlungsfähigen Fabriken Steigerung der Flächeneffizienz Validierung von Fabrikplanungsprojekten Fabrikbewertung und Standortvergleich Steigerung der Gesamtproduktivität im Wertstrom Reduktion von Durchlaufzeiten und Beständen Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion Einführung von Lean Production in komplexen Produktionen Planung von Fließmontagen im richtigen Automatisierungsgrad Reduktion der Fertigungskosten durch Leistungssteigerung in der Fertigung Anlagendimensionierung mit Simulation Unsere Leistungen umfassen damit sowohl die Planung und Gestaltung von Werkgeländen und Fabriken als auch die Optimierung des laufenden Fabrikbetriebs. Mit unseren neu entwickelten Methoden haben Sie die Gewährleistung, dass Ihre Fabrik nach den neuesten Erkenntnissen gestaltet wird, um den Wettbewerbsvorsprung Ihrer Produktion nachhaltig zu sichern. Mit unserer wertstromorientierten Fabrikplanung erhalten Sie eine effiziente, schlanke und schnelle Fabrik. Mit unserer technologieorientierten Fabrikplanung stellen Sie die Integration kosteneffizienter, innovativer und energieeffizienter Produk - tionstechnologien sicher. Mit beidem sichern Sie sich einen logistischen und technischen Innovationsvorsprung. Mit unserem methodischen Vorgehen unterstützen wir insbesondere auch kleine und mittelständische Unternehmen, die auf keinen eigenen Planungsstab zurückgreifen können. michael lickefett Telefon

15 herstellkostenreduzierung Im maschinenbau energieeffizienz Im FabrIKPlanungs- Prozess Ausgangssituation Der Kunde, ein etabliertes Unternehmen im Maschinen- und An - lagenbau, betreibt in West-Europa mehrere Produktions werke mit vergleichbar hoher Eigenfertigungstiefe. Die Fabriken verfügten bereits bei Projektbeginn alle über ausgereifte Produk - tionssysteme nach Lean-Production-Aspekten und sind gekenn - zeichnet von moderner Anlagen- und Gebäudetechnik sowie einem hohen Qualifikationsniveau der Mitarbeiter. Im weltweiten Krisenjahr 2009 ließen sich aufgrund des Rückgangs in allen Absatzmärkten die Strukturen jedoch nicht mehr aufrechter - halten. Dem Kostendruck musste verstärkt aber nicht ausschließlich in der Produktion Rechnung getragen werden. So wurde für eine Fabrik im Standortverbund ein neues und inno - vatives Konzept für die mechanische Fertigung und Maschinen - montage entwickelt, welches dem Kunden die Herstellung der Maschinen mit deutlich geringeren Betriebskosten ermöglicht. Projektziele Ziel des Projekts war es, neu entwickelte und junge Maschinen - bauraureihen mit um 20 Prozent geringeren Herstellkosten, be reits etablierte, ältere Baureihen mit um 5 Prozent geringeren Her stell kosten zu produzieren. Das ambitionierte Projekt - ziel war nur zu erreichen, indem alle an der Produktion beteiligten Funk tionen (mechanische Fertigung, Lackierung, Montage, Inbetrieb nahme) sowie Nebenbereiche im Projekt einen ge - meinsamen Beitrag zum neuen Produktionskonzept leisteten. Bereits zu Projektbeginn stand jedoch fest, dass traditionelle Ansätze des Lean Production und eine reine Optimierung logistischer Ab läufe allein nicht zum Projekterfolg führen würden. Vorgehen In einem ersten Schritt wurden die ergebnis- bzw. kostenwirksamen Potenziale in einer kompakten Analysephase identifiziert. Es stellte sich heraus, dass trotz des modernen Anlagenparks und vergleichsweise guter Anlageneffektivität (OEE) die größten Kostenpotenziale in der mechanischen Vorfertigung existierten. Darüber hinaus ergaben sich weitere Einsparpotenziale durch die Anpassung einer bestehenden Fließmontagelinie an einen neuen Produktmix. Im Projekt wurden mit dem Kunden zusammen in einem nächsten Schritt die Bausteine des Produktionskonzepts entwickelt und anhand von Referenzmaschinen, Arbeitsplätzen und Teilen getestet. So wurden bspw. in der mechanischen Fertigung neue Ansätze zur Reduzierung steuerungsbedingter Nebenzeiten während der Bearbeitung an CNC-Anlagen einge - führt, Handbedien- und Stillstandzeiten in der Mehrmaschinen - bedienung reduziert sowie insbesondere der Aufwand für das Einfahren neuer NC-Programme an Engpassmaschinen minimiert. In einer dritten Projektphase sind alle Konzept-Bausteine bewertet und in ein Gesamtkonzept für den kompletten Standort integriert worden. Nutzen Mit dem Projekt wurde es dem Kunden ermöglicht, seine Maschinen zu geringeren Betriebskosten als in 2009 herzustellen. In Kombination mit einer Neuausrichtung des Anlagen - parks und des Automatisierungsgrads sowie der teilebezogenen Optimierung der Fertigungskette ließen sich somit die Kosten - ziele insbesondere für neue Baureihen erreichen. Der vom Fraunhofer IPA eingesetzte Fabrikplanungsprozess sichert eine strukturierte und systematische Gestaltung effizienter Fabrikstrukturen. Basierend auf dem Vorgehensmodell der VDI-Richtlinie 5200 zur Fabrikplanung, wird dabei seit vielen Jahren erfolgreich die Planung mit einer Produktionsoptimie rung nach Prinzipien des Lean Production verbunden. Aspekte zur Sicherung eines optimalen Energieeinsatzes werden erst seit neuerer Zeit eigens berücksichtigt. Insbesondere im Fall einer Neuplanung von Fabriken liegen enorme Potenziale zur Steige - rung der Energieeffizienz sowie zur Sicherung der Nachhaltig - keit und Wettbewerbsfähigkeit vor. Dies soll hier anhand eines Industrieprojekts zur Fabrikneuplanung gezeigt werden. Ausgangssituation und Anforderungen des kunden im Planungsprojekt Die Firma Haager GmbH & Co. KG mit Sitz in Pforzheim ist spezialisiert auf Dreh- und Frästechnik und produziert exklusive Mikro-Mechaniken und Schmuck. Als gleichermaßen traditions - reiches als auch innovatives und zukunftsorientiertes Unter - nehmen legt die Firma Haager größten Wert auf nachhaltiges Wirtschaften. Daher beabsichtigt die Firma Haager, im Zuge eines Fabrikneubaus auch hinsichtlich der Energieeffizienz eine vorbildliche Lösung umzusetzen. Ein wesentliches Ziel der vorgelagerten Fabrikplanung war somit die Gestaltung einer ener - gieeffizienten Fabrik. In diesem Zusammenhang sollten sowohl prozess- als auch gebäudetechnische Einsparpotenziale er - schlossen werden. Integration von energetischen Aspekten in die Teilbereiche des Fabrikplanungsprozesses Zur Lösung dieser Planungsaufgabe wurde der bereits in zahlreichen Industrieprojekten angewandte Fabrikplanungsprozess um Bereiche der Energieversorgung und Nutzung erweitert. In den Planungsphasen wurden hierbei neue Methoden eingesetzt, um bereits während der Fabrikplanung eine Steigerung der Energieeffizienz zu berücksichtigen. Beginnend bei der Zielfestlegung, wurden die üblichen Ziele um energierelevante Planungsziele erweitert. Festgelegte Anforderungen hierbei waren beispielsweise die Reduzierung der Energiekosten so wie der Abhängigkeit von externer Ver sorgung. Bei der Grund lagen - ermittlung kam der am Fraunhofer IPA neu entwickelten Me - thode der Energiewertstrom-Analyse eine zentrale Bedeu tung zu. Mit ihr gelang es, die energetische Situation auf Prozess - ebene am aktuellen Standort zu erfassen und zu bewerten sowie die entsprechenden Anforderungen an den Neubau abzuleiten. Hierzu gehörten die Bewertung der aktuellen Druckluftversorgung, die Ermittlung von Strom verbräuchen der Produktionsanlagen zu unterschiedlichen Be triebszu ständen und die Bewertung von prozesstechnischer Abwärme. Im Rahmen der Idealplanung wurde auf Basis der ermittelten Planungsgrundlagen ein Energieversorgungskonzept entwickelt, welches gleichermaßen prozesstechnische als auch gebäudetechnische Ansatzpunkte berücksichtigt. Auf prozesstechnischer Ebene konnte beispielsweise durch eine zentrale Anlagenküh - lung die Wärmelast innerhalb der Fertigung reduziert werden, wodurch sich der Klimatisierungsbedarf im Sommer deutlich reduzieren lässt. Die ausgewählten Konzepte ermöglichen darüber hinaus eine Nutzung der prozessbedingten Abwärme. Neben der Maschinenabwärme, die sich über Wärmetauscher nutzen lässt, wurde die Abwärmenutzung der Drucklufter - zeugung berücksichtigt. Das Planungsprojekt zeigte somit, dass sich durch die systematische und integrative Betrachtung energierelevanter Größen im Fabrikplanungsprozess Potenziale zur Energieeffizienzsteigerung optimal realisieren lassen

16 logistische und FunKtIonelle validierung einer WerKPlanung als voraussetzung zum abschluss Der gebäudeplanung Ausgangssituation Die Otto Bock HealthCare GmbH, ein Global Player mit lokalen Wurzeln im niedersächsischen Duderstadt und in Wien, er mög - licht durch ihre qualitativ hochwertigen und technologisch her - ausragenden Produkte in der Orthobionic und Bionicmobility weltweit vielen Menschen ein Höchstmaß an Mobilität und Un - abhängigkeit. Durch ein positives Marktwachstum ergab sich für Otto Bock die Chance, den Standort Wien auszubauen und mit einem mehrstöckigen Gebäude den Rahmen für zukünftiges Wachstum zu schaffen. Diese Erweiterung beinhaltet gleichzeitig die große Chance, die historisch gewachsenen Material - flüsse fabrikplanungstechnisch neu zu strukturieren und in transparente, gerichtete Strukturen zu überführen. Der erste Gebäudeabschnitt wurde in den letzten Monaten vor Projekt - beginn intensiv geplant und stand kurz vor den behördlichen Genehmigungsverfahren. Aufgabenstellung und zielsetzung Das Automati - sierung IPA in Stuttgart erhielt in Kooperation mit Fraunhofer Austria den Auftrag, den erarbeiteten Planungszustand des Gebäudes bezüglich Integration der Produktionsinfrastruktur zu überprüfen, hinsichtlich der bevorstehenden Genehmigungs - verfahren zu validieren und eine logistische Optimierung der Materialflüsse innerhalb des Neubaus vorzunehmen. Außerdem war die gravierende Veränderung der Unternehmensstruktur aus fabrikplanungstechnischer Sicht genau der richtige Zeit - punkt, um mit der Einführung bewährter Lean-Prinzipien einen ersten Schritt vom handwerklichen Hightech-Unternehmen zum Industriebetrieb zu gehen. Zusammenfassend wurden folgende Schwerpunkte gesetzt: Überprüfung der vorliegenden Gebäudeplanung aus material - flusstechnischer Perspektive Integration von gebäudetechnischen Verbesserungsideen in die abschließende Festlegung der Umsetzungsvariante Untersuchung des aktuellen Produktionsprozesses aus der Wertstromperspektive Identifizierung anwendbarer Lean-Ansätze zur»industriali- sierung«der handwerklichen Strukturen Validierung der gebäudeplanung Die Gebäudeplanung ließ trotz langer und intensiver Planungs - phase noch wichtige Fragen offen, die einen Abschluss der Planung mehrfach hinauszögerten, z. B. die Positionierung des Personen- und Lastenaufzugs, die homogene Gestaltung der Hauptverkehrswege pro Stockwerk sowie ein schlüssiges Kon - zept einer Logistikebene. Durch eine sehr konstruktive Weiter - entwick lung weniger Verbesserungsansätze wie der zentralen Positio nierung der Aufzüge oder eines identischen Verkehrs weg - enetzes über sämtliche Stockwerke konnte der Weg durch die be hördlichen Genehmigungsverfahren frei gemacht werden. Weitere zum Abschluss der Planung erreichte Verbesserungen sind: Eine Vereinfachung der Konstruktion für die Versorgungs - schächte Eine deutliche Vergrößerung der Fläche für Montagearbeiten Neue Möglichkeiten zur Gestaltung von abteilungsüber - greifenden Kommunikationsflächen Einführung von lean-ansätzen Ein Großteil der untersuchten Produktionsprozesse bewegt sich an der Grenze des technologisch Machbaren. Gleichzeitig treffen in diesen Produktionsprozessen logistisch ein extrem hoher Anteil an Fremdteilen und eine erstaunliche Kom ponenten viel - falt zusammen, die ein entsprechend ausgebildetes internes Fachpersonal koordiniert. Diesen kostenintensiven Fak toren steht ein steigender Kostendruck gegenüber. Die Überlegungen nach weniger kostenintensiven Produktions - möglichkeiten führten zu einer Fließfertigung. In diese wurde der Anteil des Fertigungsprozesses, der den Einbau der letzten fremdbezogenen Teile beinhaltet, integriert. Dadurch eröffneten sich weitere Möglichkeiten zur Einführung kostensparender Maßnahmen sowie Standardisierungen, die zukünftig die Wett - bewerbsfähigkeit unterstützen können. Nutzen Trotz des späten Einstiegs des Fraunhofer Teams in die Ge bäude - planung konnten durch die eingebrachten und konstruktiv weiterentwickelten Ideen zur Gebäudeplanung unter Be teili - gung von Architekten und internen Produktionsplanern eine Reihe von kostensparenden baulichen Maßnahmen sowie eine Optimierung der Materialflussstrukturen realisiert werden. Durch die Einführung erster Lean-Ansätze wird der Weg für weitere Standardisierungen sowie kosteneinsparende Maß - nahmen geebnet. An deren Ende sollte ein kosteneffizientes Industrieunternehmen stehen. Neben der Sachebene sichert der maximale Integrationsgrad der Otto-Bock-Mitarbeiter bei der Erarbeitung der Projekter - gebnisse die hohe Akzeptanz der Planungsergebnisse und die Implementierung zukünftiger Veränderungsprozesse

17 neuplanung einer FunKtIonsoPtImIerten FabrIK als grundlage FÜr einen architektenwettbewerb bei aeg mis Die Konzeption einer neuen Werkstruktur bietet die seltene Chance, eine Optimierung der mittel- bis langfristigen fabrikplanungstechnischen Grundordnung vorzunehmen und gleich - zeitig kurzfristige operative Ziele (z. B. Reduzierung der Be - stände, Verkürzung der Durchlaufzeiten und Optimierung von Informations- und Materialflüssen) anzustreben. Aufgabenstellung und zielsetzung Die momentan genutzte Betriebsfläche im Industriepark Ulm West ist mit den entsprechend negativen Auswirkungen für Logistik und Kommunikation über mehrere Gebäude und Etagen verteilt. Die drei Hauptproduktionsbereiche Front-End, Rear-End und Tafelproduktion stellen innerhalb der Gesamt - struktur drei autarke Inseln dar, die über mit der Zeit gewachsene Übergangsbereiche verbunden sind. Um die Rahmenbedingungen für die Zukunftsfähigkeit des System- und Softwarehauses AEG MIS Gesellschaft für moderne Informationssysteme mbh sicherzustellen, hat sich die Unternehmensführung zu einer Konsolidierung sämtlicher Produktions- und Logistikstrukturen in einem neu zu planenden Werk zur Entwicklung und Produktion energiesparender Anzeigensysteme auf der Basis von Flüssigkristallanzeigen auf der»grünen Wiese«entschieden. Der Rahmen des ersten Teils des Projekts erstreckte sich von der Grobplanung der Werkstruktur über die Unterstützung bei der Architektenauswahl bis zur Gestaltung von Ideal- und Reallayout. konzeption des Ideallayouts Ein Ideallayout ist durch mindestens vier Eigenschaften gekennzeichnet: Es ist wertstromorientiert, d. h. Verschwendung durch logistische Abläufe wird weitgehend vermieden. Es ist flächenoptimiert, d. h. über das ideale Längen-Breiten - verhältnis des Grundrisses wird nur die kleinste benötigte Fläche beansprucht. Es ist wandlungsfähig, d. h. auf unerwartete Störungen von außen kann sehr schnell reagiert werden. Es ist erweiterbar, d. h. zukünftige Erweiterungen erfolgen ohne großen Planungs- und Umbauaufwand. Für die drei erwähnten Produktionsbereiche mit grundsätzlich sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Betriebsmittel mussten separate Bereichideallayouts erarbeitet werden. Die Konsolidierung dieser autarken Einzelteile zu einer geschlossenen Produktionsstruktur und die Integration in die Unter neh - mensstruktur erfolgten durch die Konzeption mehrerer neuer Bereiche: Integration sämtlicher Prozessschritte zwischen Front- und Rear-End in einen geschlossenen Übergangsbereich Enge Vernetzung der Tafelproduktion mit dem integrierten Logistikbereich Zusammenfassung produktionsunterstützender Aktivitäten der Entwicklung und Qualitätssicherung zu einem produktionsnahen Technikum Fabrikplanung als Startbasis eines Architektengutachtens Das oben beschriebene Ideallayout diente als Basis für die Unterlagen zur Ausschreibung eines Architektengutachtens. Durch die detaillierte Planung des Ideallayouts, inklusive der genauen Kenntnisse der einzelnen Produktionsstrukturen und Materialflüsse, war das Vorgehensprinzip des Fraunhofer IPA von innen nach außen erfüllt. Der Abschluss der Fabrikplanungs - aufgabe vor dem Start der Gebäudekonzeption beinhaltet mehrere Vorteile an der Schnittstelle Fabrikplaner Architekt: Einfache, schnelle Projektintegration für Architekten durch die externe Sicht der Fabrikplaner Reduzierung der Variablen in der Architektenarbeit durch Abschluss der Idealplanung Hohe Geschwindigkeit der Erarbeitung der Realvarianten Nutzen Mit dem oben beschriebenen Nutzen der Schnittstelle Fabrik - planung Architektur, durch die Methode der Planung von innen nach außen verbanden sich weitere Effekte. Der frühe Zeitpunkt des Starts der Fabrikplanungsaufgabe ermöglichte es AEG MIS, sämtliche Ergebnisse der Konzeptionsphase von ihrem internen Fachpersonal überprüfen zu lassen. Diese iterative Vorgehensweise führte direkt zu umsetzungsfähigen Ergebnissen

18 unternehmenslogistik und auftragsmanagement Die Mission der Abteilung»Unter neh mens logistik und Auftrags - management«heißt: Fertigung und Montage produzierender Unternehmen durch Logistikexzellenz sowohl methodisch als auch organisatorisch auf den Spitzenstand bringen. Das be - deutet, die Logistik prozesse sollen mög lichst einfach, aber gleich zeitig stabil und kostengünstig auslegt werden, die In - formations systeme optimal darauf abgestimmt und das Ganze soll nicht nur innerhalb einer Fabrik, sondern im Netzwerk, also unter Einbeziehung anderer Produktionsstätten, der Liefe - ranten und nicht zuletzt der Kunden, optimiert werden. Die Integrationsleistung dazu bietet die Abteilung Unter nehmens logistik: Netzwerklogistik Beschaffungslogistik Produktionslogistik Innovative Werkzeuge zur Logistikoptimierung Partielle Lösungen bringen zwar Ver bes serungen, echter substanzieller Mehr wert wird jedoch nur durch integrierte Lösungen erreicht dort, wo Auftragsabwicklungskonzepte nicht an der Schnittstelle zu Lieferanten aufhören. Die Anbin dung an Kunden und Lieferanten entscheidet mit über den Erfolg der Fabrik, wenn neu gestaltete Supply Chains durch optimierte Wertschöpfungsprozesse führen oder neue, innovative Produkte schnell und stabil in der Serie anlaufen und somit auch früh die Produktivi täts zone erreichen. Um diese Ziele zu erreichen, werden leider oft die Grenzen der Überschaubar keit überschritten. Neue und systema tische Vorgehensweisen, Methoden und Verfahren, die Transparenz in die komplexen Aufgaben bringen, sind hier gefordert. Genau an dieser Stelle sehen wir unsere Kompetenz, um Ihre Poten ziale, Ihre hochproduktiven Fabriken ständig zu verbessern. Anja Schatz Telefon

19 1 2 IDentIFIKatIonsmehrWertDIenste mit rfid m E H Rw E RT d I E N S T E F Ü R d I E I d E N T I F I k AT I O N U N d V E R F O l g U N g E l E k T R O N I S c H E R k O m P O N E N T E N I m z U l I E F E R N E T z w E R k Die Effizienz in Unternehmensprozessen hängt unter anderem von der Echtzeitfähigkeit der Systeme und somit der Aktualität der In - formationen ab, die in Produktions- und Logistikprozessen benötigt werden. Die Identifikationstechnologien wie Barcode, RFID unterstützen in diesem Kontext die Prozesse der Informationsbe - reitstellung- und -gewinnung in unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens. Der Einsatzumfang dieser Technologien beschränkt sich bei vielen Industriebetrieben auf Teileerkennung bei Ein- und Auslagerungs - prozessen. Jedoch bietet die RFID-Technologie aufgrund ihrer technischen Eigenschaften deutlich mehr Potenziale. Die Zahl der Firmen, die sich aktiv mit der Entwicklung und der Vermarktung von RFID-Systemen befassen, nimmt seit Jahren zu. Der weltweite geschätzte Umsatz für RFID-Systeme lag im Jahr 2005 bei etwa 2,65 Milliarden US$ (nach D. Krebs: Venture Development Corp; Ins be sondere in den Bereichen Logistik, Sicherheit und Supply Chain Management verzeichnet die Technologie eine rasante Ent wick lung. Die Einführung eines RFID-Systems ist aber im Ver gleich mit der Verwendung von Barcodes als etablierter Auto-ID-Technologie mit höheren Investitions- und Betriebs - kosten sowie möglichem Widerstand auf der Seite der Liefe - ranten und Kunden verbunden. Diese Faktoren gelten als Hürden für kleine und mittlere Unter nehmen (KMU), die möglicherweise nicht über die notwendigen Finanzmittel und personellen Kapazitäten sowie ausreichende Marktmacht verfügen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts, gefördert durch das Bundes - ministerium für Bildung und Forschung (BMBF), wurden die Ein - satzmöglichkeiten der Identifikationstechnologien (Schwerpunkt: RFID), die über die klassischen Teileerkennung hinausgehen, in Bezug auf den Zusatznutzen untersucht. Im Rahmen dieses Projekts sind mehrere Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichen Funktionsbereichen wie in der Fertigung, Montage, dem Lager, Versand etc. in Szenarien beschrieben und die erwarteten Potenziale bewertet worden. Die Einsatz - möglichkeiten und den erwarteten Nutzen haben Partner aus der Industrie ein Möbelher steller und ein Elektronikkompo - nentenhersteller sowie die For schungsinstitute Fraunhofer IPA, Fraunhofer IML und die Tech nische Universität Darmstadt ge - meinsam untersucht und hinsicht lich der technischen und finanziellen An forderungen überprüft. Bei der Bewertung der Szenarien werden neben konventionellen Kriterien wie Kosten, Zeit und Produktqualität auch weitere nicht monetäre bzw. schwer messbare Nutzenkriterien wie z. B. Rückver - folgbarkeit bei Fehlern, Kundenbindung, Datenqualität, Trans pa - renz etc. bewertet. Die Erkenntnisse sind vielversprechend. Es können viele administrative Wiederholaktivitäten, wie z. B. automatische Rückmeldung der Arbeitsinhalte in der Produktion, durch die RFID-Technologie unterstützt und somit Nebenzeiten in den Prozessen reduziert werden. Für viele KMU-Betriebe rentiert sich die Technologie nur durch diese erweiterte Einsatzbreite. Auch ein kombinierter Ein - satz der Barcode- und RFID-Technologie für bestimmte Einsatz - szenarien ist dank bedruckbarer RFID-Chips möglich. Das erarbeitete Vorgehens- und Bewertungsmodell ermöglicht, Einsatz und erwarteten Nutzen sowie Kosten systematisch zu er - mitteln und die Entscheidungsprozesse auf solider Basis zu unterstützen. Durch die Erweiterung der Nutzenbewertung um nichtmonetäre Faktoren werden viele Zusatznutzen in der Bewertung berücksichtigt, die bei einer monetären Bewertung in der Regel nicht oder nicht ausreichend beachtet werden. Identifikationstechnologien bieten viele Potenziale im Logistik- sowie Produktionsumfeld. Durch die gezielte Analyse der Einsatz mög lich - keiten und der Potenziale lässt sich die Einsatzbreite der Techno - logie deutlich erweitern und die Amortisationszeiten stark verkürzen. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, Aufwände in direkten und indirekten Bereichen eines Unternehmens zu reduzieren. 1 Vorgehensmodell: Szenariendefinition und -priorisierung 2 Vorgehensmodell: Sollkonzept und Bewertung 34 35

20 1 2 reorganisation Der ProDuKtIons - strukutur und erp-systemauswahl bei FIrma memmert gmbh + co. Kg Ausgangssituation Die Firma Memmert GmbH + Co. KG entwickelt, produziert und vertreibt Temperiergeräte für verschiedenste branchenüber - greifende Anwendungen. Die Produktpalette umfasst neben Universaltemperierschränken, Sterilisatoren, Vakuum- und Brut - schränken auch Konstantklima-Kammern, Feuchtekammern so - wie Wasser- und Ölbäder. Diese Geräte werden zu Forschungs-, Analyse-, Prüf- und Testzwecken eingesetzt. Der Vertrieb der Produkte erfolgt weltweit entweder über Distributoren oder über den eigenen Außendienst bzw. Tochtergesellschaften. Aufgabe Im Zuge der Neustrukturierung der Fertigung von Serien- auf kundenspezifische Fertigung fiel der Firma Memmert auf, dass die tangierenden Geschäftsprozesse (z. B. Auftragsabwicklung) sowie die betriebliche IT-Unterstützung die Vorteile der neuen Produktionsstruktur nicht voll ausschöpfen. So wurde das Fraunhofer IPA beauftragt, bei der Ausgestaltung und Reali sie - rung von Maßnahmen zur Reorganisation des Auftrags mana - gements sowie bei der Auswahl einer neuen ERP-Software zu helfen. Die neue Software sollte unternehmensweit die optimierten Geschäftsprozesse in den Bereichen Vertrieb, Logistik - manage ment, Mengen- und Terminplanung, Beschaffung, Kunden- und Fertigungsauftragsabwicklung sowie in den administrativen Bereichen Finanzbuchhaltung, Anlagen buch - haltung, Rechnungswesen etc. unterstützen. Vorgehensweise und Ergebnis Entsprechend der standardisierten Vorgehensweise des Fraunhofer IPA gliederte sich der Projektablauf in folgende Schritte (vgl. Bild 1): Projektinitialisierung (Projektziele verabschieden, Unter - nehmensziele auditieren etc.) Erheben der betrieblichen Kernprozesse, Identifikation von Schwachpunkten und Ableiten von Anforderungen an die neue ERP-Software Erarbeiten von Sollprozessen unter Einbeziehung der neuen Produktionsstruktur und Ableiten von Anforderungen an die neue ERP-Software Erstellen des Anforderungskatalogs für die neue Software Unterstützung bei der Ausschreibung und beim Auswahlprozess Die Erhebung der Ausgangssituation erfolgte auf Basis der Analyse ausgewählter Geschäftsprozesse und unter Einbe - ziehung der zukünftigen Anforderungen, insbesondere aus der neuen Produktionsstruktur. Betrachtet wurden dabei die Mengen- und Zeitgerüste (Anzahl Kunden-/Fertigungs - aufträge, Artikelstämme, Stücklisten, Durchlaufzeiten etc.), der ablauforganisatorische Ist-Zustand für die ausgewählten Geschäftsprozesse sowie für die tangierenden Prozesse (In- formations- und Materialflüsse) mit den zugehörigen Infor - mationsflüssen und Belegen, den ausführenden Personen/ Organisationseinheiten sowie den jeweils eingesetzten EDV- Werkzeugen und Methoden, die Ausführungshäufigkeit, Zeitpunkte und Zeitdauern der einzelnen Ablaufschritte. Die identifizierten Schwachstellen lagen dabei hauptsächlich im Bereich des Informationsflusses sowohl intern als auch extern zu den Kunden und den Vertriebsstellen. Dies war vor allem durch das nicht den Anforderungen entsprechende ERP- System bedingt. Das Erheben der Geschäftsprozesse und das Ableiten der An - forderungen an die neue Anwendersoftware erfolgten durch die Analyse vorhandener Dokumentationen sowie durch Inter - views und Workshops mit den Repräsentanten der von der neuen ERP-Lösung zu unterstützenden Unternehmensbereiche. Da mit der neuen ERP-Software nicht nur die Ist-Situation im Unternehmen unterstützt, sondern eine zukunftsorientierte Lö - sung für das Unternehmen geschaffen werden sollte, wurden die aus der Ist-Situation abgeleiteten Anforderungen an den Anforderungen der neuen Produktionsstruktur sowie den Unter - nehmenszielen gespiegelt und, wo erforderlich, modifiziert bzw. ergänzt. Die Vorgehensweise stellt die Konzeption einer zukunfts - orientierten Lösung sicher. Dies ist außerordentlich wichtig, da eine ERP-Lösung als Unternehmenssoftware alle wesentlichen Geschäftsprozesse unterstützen soll und somit das informations - technische»rückgrat«eines jeden Unternehmens darstellt. Die aus der Erhebung der Ist-Situation sowie den Soll-Prozessen und den Unternehmenszielen abgeleiteten Anforderungen wurden in einem Anforderungskatalog zusammengefasst. Dieser Anforderungskatalog umfasste neben den funktionalen An - forderungen an die neue Software auch Informationen zum Unternehmen (Geschäftsfelder, Mengengerüst, EDV-Landschaft etc.), um den Softwareanbietern einen ersten Einblick in das Unternehmensumfeld zu geben und die aus ihrer Sicht am besten geeignete Softwarelösung anbieten zu können. Aus der Vielzahl der am Markt angebotenen ERP-Lösungen wählte das Fraunhofer IPA im Rahmen einer Grobauswahl zwölf Anbieter aus, die gebeten wurden, einen Anforderungskatalog zu beantworten. Grundlage für diese Grobauswahl waren eine Reihe vom Projektteam festgelegter, kritischer Anforderungen (z. B. Hardware). Die Auswertung der von den Anbietern ausgefüllten Anfor de - rungskataloge diente dem Projektteam als Grundlage für die Entscheidung, welche fünf Systeme in die engere Wahl kommen sollten (Feinauswahl). Diese Lösungen und ihre Anbieter wurden dann mittels Anbieterpräsentationen, Referenz kunden - besuchen etc. auf Herz und Nieren geprüft, was die Erfüllung der Memmert-Anforderungen anbelangte. Folgende Bewertungskriterien sind, wie Bild 2 zu entnehmen ist, herangezogen worden: Systemfunktionalität, bezogen auf die Memmert-spezifischen Anforderungen Kosten für Software, Hardware, Wartung etc. (TCO) Software-Konzeption/-Philosophie Allgemeine Anbieterinformationen (z. B. Systemhausgröße, Zielmärkte des Anbieters, Kontinuität der Produktpalette, Produktalter, Anzahl Installationen etc.) Einen wichtigen Aspekt sowohl bei der Auswertung der An - bieterantworten als auch bei der Bewertung der System präsen - tationen stellt die Erfüllung der funktionalen Anforderungen dar. Hier wurde darauf geachtet, dass die in die engere Wahl gezogenen Standardsysteme eine möglichst große Anzahl der im Anforderungskatalog festgelegten Funktionsumfänge ab - deckten. Des Weiteren sollten diese Systeme einfach um die nicht im Standard enthaltenen Funktionen erweiterbar sein ein wesentliches Kriterium zur Sicherstellung des langfristigen Einsatzes der neuen Softwarelösung. Ein weiteres wichtiges Kriterium hinsichtlich der Investitions - sicherheit bilden die Unternehmensdaten und die Geschäfts - entwicklung des Anbieters. Die Bewertung der in die engere Wahl gezogenen Anbieter erfolgte auf Basis von Börsen- und Presseinformationen. Unter den Aspekten der Flexibilität der Lösung, Kosten (TCO), Anbieterkompetenz und Funktionserfüllung fiel nach reiflicher Überlegung die Entscheidung für das System»Pro Alpha«mit dem Implementierungspartner Alpha Business Solutions GmbH

21 technologie- und KomPe tenz basierte WertschöPFungs verteilung Mit dem Ziel eine langfristige Produktionsstrategie zu entwickeln, wurde das Fraunhofer IPA Anfang 2010 von einem Welt markt - führer in der Energiewirtschaft beauftragt. Der Konzern fertigt an fünf global verteilten Standorten komplexe Maschinen kom - ponenten, wobei fast jedes ausgelieferte Produkt ein Unikat ist. Um das Unternehmen für die Zukunft richtig aufzustellen, mussten die vorhandenen Ressourcen und Kompetenzen inner - halb des eigenen Produktionsnetzwerks optimal ausgenutzt und verteilt werden. Hierbei spielten Aspekte wie die klare De finition der eigenen Kernkompetenzen bei gleichzeitiger Bedienung globaler Märkte eine besondere Rolle. Anhand folgender leitender Fragestellungen wurde eine Produktions - strategie aufgebaut: Welche Produkte werden an einzelnen Standorten und im Produktionsverbund gefertigt? Welche Konzepte des Supply Chain Managements sind zu berücksichtigen? Welche Maßnahmen tragen dazu bei, strategische Entscheidungen systematisch anzugehen? Welche Szenarien sind vorstellbar, d. h. wie erfolgt die Wertschöpfungserstellung und deren Verteilung im Netzwerk? Transparente Abbildung des Leistungsaustauschs zwischen Standorten Nachvollziehbare Gegenüberstellung der internen und externen Wertschöpfung Minimaler Aufwand zur Erfassung von Inputdaten Darstellung von Standortprofilen mit Fertigungs- und Montagekompetenzen Das Projektteam des Fraunhofer IPA konnte so innerhalb weniger Workshop-Sessions mit Experten des Maschinenbauers das notwenige Datengerüst zusammenstellen und in enger Ab - stimmung eine individuelle, für den Kunden erarbeitete Wert - schöpfungsstrecke für repräsentative Produkttypen erstellen. Das Prinzip wurde in einem Schaubild dargestellt. Es zeigt von links nach rechts den Wertzuwachs eines Produkts über Tech - no lo giegruppen wie Metall, Kunststoff und Elektronik. Dabei wird zwischen interner und zugekaufter Leistung unterschieden. Die Analyse kann u. a. Antworten auf drei Fragen liefern: Wo können Optimierungsprojekte sinnvoll ansetzen? Welche Schritte bieten sich für eine Neuauslegung des Netzwerks an? Wo entstehen Problemfelder bei der Verlagerung der Produktion an einen anderen Standort? Eine wichtige Voraussetzung bei der Entwicklung bildete die Prämisse, dass ein funktionierendes Produktionsnetzwerk leis - tungsfähiger ist als die Summe seiner einzelnen Standorte. In einem weiteren Schritt wurde für die Produktionsstrategie nach aussagefähigen Analysewerkzeugen zur Darstellung der Wertschöpfungsverteilung im eigenen Produktionsverbund gesucht. Unter anderen waren folgende Leistungsmerkmale gefordert, die auch die entscheidenden Kriterien für das Produktionsnetzwerk bildeten: Die Methode dient nach dem Projekt zur anschaulichen Kom - munikation der komplexen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Unternehmensbereichen und einer kontinuierlichen strategischen Neuausrichtung des Produktionsverbunds

22 refabrikation FraunhoFer-ProJeKtgruPPe ProzessInnovatIon Standort Industrie- und Forschungsprojekte Die Abteilung»Refabrikation«sowie die Fraunhofer-Projekt - gruppe»prozessinnovation«sind am Lehrstuhl Umweltge - rechte Produk tionstechnik der Universität Bayreuth angesiedelt. Prof. Dr.-Ing. Steinhilper, Inhaber dieses Lehrstuhls an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften, leitet die Ab teilung und die Projektgruppe. Infrastruktur Durch die sehr enge Kooperation mit der Universität Bayreuth können die Abteilung und die Projektgruppe neben ihrer eigenen Ausstattung und ihren innovativen Verfahren auch die sehr moderne Infrastruktur des Lehrstuhls Umweltgerechte Produk - tionstechnik nutzen: 2-D-/3-D-Fabrikplanungsinfastruktur Materialflusssimulation Produktionstechnikum inkl. 5-Achs-Bearbeitungszentrum und Dreh-Fräs-Zentrum CAD-/CAM-/CMM-Prozesskette, basierend auf Pro/Engineer Maschinenkinematik- und Zerspanungssimulation Reinigungstechnikum Prüf- und Diagnosetechnikum inkl. Koordinatenmesstechnik, Rauheitsmesstechnik, thermographische Diagnosetechnik CAN-Bus-Software von Vector Im Folgenden werden stellvertretend für die zahlreichen Industrieund Forschungsprojekte der Abteilung Refabrikation sowie der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation folgende vier Projekte dargestellt: Ressourceneffizienz in der Produktion (M4E) Implementierung von materialeffizienten und verschwendungsarmen Produktionsprozessen in KMU CO 2 -Bilanzierung von Supply Chains Wettbewerbsfähige Refabrikationsunternehmen Prof. dr. Rolf Steinhilper Telefon

23 1 2 ressourceneffizienz In Der ProDuKtIon»m4e«Ziel des Gesamtvorhabens ist es, in einem zweijährigen Projekt mit drei Forschungseinrichtungen und neun Industrieunter neh - men (davon 6 kleine und mittlere Unternehmen (KMU)) eine ganzheitliche Methodik zur integrierten Erfassung, Darstellung, Bewertung und Optimierung von Strukturen, Abläufen, Technik und Ressourcenverschwendungen in der Produktion mit speziellem Fokus auf die Bedingungen in KMU zu entwickeln. Die Methodik wird systematische Vorgehensweisen für verschiedene Produktionstechnologien (Spanende Bearbeitung, Spritzgießen, Tiefziehen usw.) und Prozessarten (Fertigung, Montage, Logistik usw.) beinhalten, um Verschwendungen der Ressourcen (Mensch, Maschine, Management, Material und Energie M4E) in der Produktion zu reduzieren. Besondere Schwerpunkte des Projekts liegen in den Bereichen des Materialund Energieeinsatzes, für welche praktikable Vorgehens weisen zur Ermittlung von Potenzialen sowie deren Optimierung entwickelt werden sollen. Die Methodenentwicklung zur Steigerung der Materialeffizienz beginnt mit der Bestimmung von Material- und Stoffströmen in den beteiligten Unternehmen, welche als Basis für die Er - mittlung der Ursachen für Ausschuss und Verschnitt dienen. Anschließend werden die jeweiligen Verschwendungen quanti - fiziert und für die Verschwendungstreiber systematische Me - thoden entwickelt, um die Materialeffizienz in unterschiedlichen Unternehmen zu erhöhen. Zur effizienten Bearbeitung kann die Fraunhofer-Projektgruppe auf die Erfahrung aus 25 In - dustrieprojekten zur Materialeffizienzsteigerung zurückgreifen. Zur Verbesserung des Energieeinsatzes führt die Fraunhofer- Projektgruppe Prozessinnovation in den beteiligten Unterneh - men unterschiedliche Analysen durch, um die Verbraucher und die vorhandene Infrastruktur, wie z. B. Anlagen zur Bereitstel - lung von Druckluft sowie Wärme und Kälte, hinsichtlich ihres Einflusses auf die Effizienz des Gesamtsystems zu untersuchen. Das Projekt betrachtet unter anderem elektrische Lastgänge, Energieproduktivität und Effizienzgrade von Produktions ma - schinen, Temperaturverläufe wärmeintensiver Prozesse, die Qualität der Druckluftversorgung, Anlagenzustände und Mit - arbeiterqualifikationen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere Methodenentwicklung zur Steige rung der Energieeffizienz. Die Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation kombiniert in einem weiteren Schritt die jeweiligen Methoden zur Steigerung der Material- und Energieeffizienz mit zusätzlichen Werkzeugen u. a. der Lean-Toolbox, um eine systematische Methodik zur Optimierung der gesamten Ressourcennutzung (M4E) in der Produktion von KMU zu entwickeln. 1 Projektkonsortium 2 Gefördert durch BMWi ImPlementIerung von materialeffizienten und verschwendungsarmen ProDuKtIonsProzessen In KleIne und mittlere unternehmen (Kmu) Zusätzlich zur Prozessoptimierung und Einführung verschwendungsarmer Produktionssysteme streben immer mehr kleine und mittlere Unternehmen die Erschließung der sich aus einer verbesserten Materialeffizienz ergebenden Potenziale an. Hier unterstützt die Fraunhofer-Projektgruppe die Unternehmen sowohl bei einer initialen Potenzialanalyse als auch bei weiterführenden Vertiefungsberatungen zur Umsetzungsbegleitung. Die von der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation bei der Viessmann Kältetechnik AG aufgedeckten Materialeffizienz - potenziale beliefen sich auf nahezu eine viertel Million Euro. Die Viessmann Kältetechnik AG fertigt am Standort Hof/Saale mit rund 340 Mitarbeitern Kühl- und Tiefkühlzellen bzw. -systeme für Gastronomie, Hotellerie, Lebensmittelproduktion und -verarbeitung sowie klinische Reinräume. Das Unternehmen be - schloss die aufgedeckten Materialeffizienzpotenziale im Rahmen einer Vertiefungsberatung zu heben und vertraut hierbei auf die bestehende Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Projekt - gruppe Prozessinnovation. Viessmann verfolgt mit der Vertie - fungsberatung und Umsetzungsbegleitung durch Fraunhofer folgende Ziele: Verbesserung der Materialeffizienz durch verschwendungsarme Ausrichtung der Prozesse Optimierung der Material- und Informationsflüsse sowie Steigerung der Transparenz Nivellierung der Produktion zur Steigerung der Material - effizienz Reduzierung des Umlaufbestands zur Senkung der Be - schädigungsgefahr und der Kapitalbindung Zunächst werden die Produktionszahlen auf Ebene der Produkt - varianten analysiert. Unter Beachtung der Materialeffizienz und der technischen und marktwirtschaftlichen Restriktionen wird die Produktion in unterschiedliche Segmente strukturiert. Für zusammen mit Viessmann ausgewählte Segmente erfolgt eine Kapazitätsdimensionierung der Produktionsmittel, auf deren Grundlage die Stoffströme und die Materialflüsse ge - staltet werden. Ebenso wird der zugehörige Informationsfluss optimiert und gestaltet, was vor allem die Optimierung der Produktionsplanung und -steuerung beinhaltet. Die Kapazität der Ressourcen wird dabei am Verbrauch ausgerichtet und die Produktionsprozesse werden, wo notwendig, entsprechend der Erfordernisse des Gesamtproduktionsprozesses geändert. Hierzu gehört unter anderem die Maßnahmenentwick - lung zur Reduzierung des Verschnitts in der Blechbearbeitung. Darauf aufbauend wird der Materialfluss für die einzelnen Segmente neu strukturiert und bezüglich der Materialeffizienz optimiert. Dies beinhaltet beispielsweise die Minimierung des Bestands zwischen den Prozessen, wodurch Beschädigungen und damit Ausschuss reduziert werden. Die entwickelten Maß - nahmen werden in Workshops mit den Mitarbeitern detailliert und schließlich umgesetzt, sodass ein Großteil der Material ein - sparpotenziale erschlossen werden kann. Gleichzeitig ergeben sich durch die verschwendungsarme Auslegung der Prozesse zusätzliche Einsparungen in gleicher Höhe

24 co 2 -bilanzierung von supply chains ÖkOlOgIScHER VERglEIcH VON NEUPROdUkTIONS- UNd REmANUFAcTURINg SUPPly chains WettbeWerbsFähIge refabrikations - unternehmen Die Eigenfertigungstiefe von Original Equipment Manufacturers (OEM) hat sich auf unter 30 Prozent reduziert. Einen Großteil der Wertschöpfung übernehmen die zahlreichen Zulieferunter - nehmen, was eine weitreichende und komplexe Supply Chain (SC) voraussetzt. Es ist zu erwarten, dass die SC ebenfalls einen entsprechend hohen Anteil der Umweltbelastungen induziert. Zielen Unternehmen darauf ab, sich oder ihr Produkt ökologischer aufzustellen, muss die komplette SC also auch die Art und Weise der gesamten Herstellung und nicht nur die im Produkt verarbeiteten Materialien mit in die Betrachtung einbezogen werden. Für die Unternehmen BMW AG, Robert Bosch GmbH und BU Drive GmbH führt die Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinno - vation am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth ökologische Bewertungen von kompletten SCs mit dem Fokus auf der CO 2-Bilanzierung durch. Zielsetzung ist eine Vorgehensweise zu entwickeln, um CO 2- Bilanzen für SCs zu erstellen. Ein Schwerpunkt der Betrach tung liegt in der Differenzierung der Transferprozesse der Logistik und der Transformationsprozesse der Produktion. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit sich die Neuproduktions-SC von einer Remanufacturing SC, also der industriellen Aufarbeitung, unterscheidet. Als Ergebnis ist festzuhalten, dass das Life Cycle Assessment (LCA) von SCs in dieser Qualität eine neue Aufgabe in der Wissen - schaft darstellt. Ausgehend von den Referenzprodukten Diesel - motor, Anlasser und Abgasturbolader, werden alle Transfer pro - zesse der Logistik und alle Transformationsprozesse der Pro duk - tion für jeweils die Neuproduktions- sowie Remanufacturing SC vom Rohmaterial bis hin zum versandfertigen Endprodukt modelliert. Anschließend wird für jede SC eine LCA mit dem Fokus auf CO 2-Äquivalenten (CO 2eq) durchgeführt. Weiter - führende Untersuchungen weisen den Transferprozessen der Logistik innerhalb der SC zwar nur einen unerwartet geringen ökologischen Beitrag von elf Prozent zu; dennoch existieren hier vielversprechende Ansätze zur ökologischen Optimierung der gesamten SC. Im Bereich der Transformationsprozesse der Produktion kristallisieren sich die Themen Ressourcen- und Materialeffizienz sowie der vermehrte Einsatz von Sekundär - rohstoffen als wesentliche Faktoren zur ökologischen Optimie - rung heraus. Eine weitere Haupteinflussgröße stellt der Strom - mix dar. Ein wesentlicher ökologischer Vorteil von bis zu 53 Prozent der CO 2eq lässt sich durch das Remanufacturing er - zielen. Dies resultiert im Wesentlichen daraus, dass nicht nur das stoffliche Recycling der Materialien vermieden wird, sondern auch ein Großteil der Wertschöpfung nach dem Halbzeug regeneriert wird. Als Ausblick ist festzuhalten, dass ökologische Aspekte von SCs zunehmend an Bedeutung gewinnen werden. Somit wird die Aussage über die Belastung der Umwelt ein Bewertungs - kriterium für SCs. SC- und Netzwerkplanung im Allgemeinen. Auch Outsourcing-Entscheidungen und Lieferantenauswahl im Speziellen werden zunehmend unter Betrachtung ökologischer Gesichtspunkte getroffen. Durch das wachsende Umwelt be - wusstsein der Endverbraucher und die sich weiter zuspitzende Ressourcenverknappung wird auch das Remanufacturing weiter in das Zentrum des globalen Interesses und der Nach frage der Endverbraucher rücken. Für solche Aufgaben können die entwickelten Methoden zur CO 2-Bilanzierung von SCs wertvolle Entscheidungsunterstützung leisten. 1 CO2eq der Anlasser- und Abgasturbolader-SCs 2 Montage von Motoren in der Austauschteileproduktion Refabrikationsunternehmen stehen heute vor der Heraus forde - rung, veränderte Marktbedingungen als Chance für die zu - künftige Positionierung zu nutzen. Die Gründe sind vielfältig, lassen sich jedoch auf die generellen Markt- und Technolo gie - trends dieser Branche zurückführen. Markttrends der letzten Jahre zeigen eine zunehmende Kon soli - dierung des überwiegend KMU-geprägten Umfelds, bei der langfristig nur Technologieführer und Nischenanbieter erfolgreich sein werden. Zudem steigt der Wettbewerbsdruck gegen - über Neuteilherstellern aus Niedriglohnländern, der die Option»Austauschteil statt Neuteil«in vielen Anwendungsbereichen für Kunden unwirtschaftlich macht. Gleichzeitig verlangen Technologietrends der Neuteilher stel lung (z. B. Motordownsizing) mit zeitlicher Verzögerung auch An - passungen der Refabrikationstechnologien. So erfordern engere Bauteiltoleranzen die Einhaltung strengerer Spezifikationen der Bauteilsauberkeit. Um diesen gerecht zu werden, müssen die Restriktionen der heute meist erfahrungsbasiert angewendeten veralteten Technologien in Erfolgsfaktoren wissensbasierter innovativer Technologien gewandelt werden. Vor diesem Hintergrund arbeitet die Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation seit Jahren erfolgreich mit der Branche zu - sammen und ist wissenschaftlicher Partner bei allen Optimie - rungsherausforderungen rund um die Refabrikation. Im Bereich der Bauteilreinigung wurde jüngst ein europäisches Forschungsprojekt initiiert. Im Rahmen des Projekts CLEANER (Cleaning Engineering for Remanufacturing) werden zusammen mit der Universität Ljubljana und einem Konsortium, bestehend aus sechs Refabrikationsunternehmen, Lösungen für die Bau - teilreinigung der Zukunft erarbeitet. Das Projekt wird zunächst eine Klassifikation von Verschmut - zungs arten und -graden an den eingesetzten Altteilen vornehmen. Weiterhin erfolgt eine Bestimmung der Leistungs - fähigkeit bestehender Reinigungsanlagen und Prozesse, um auf dieser Basis Restriktionen der Technologien quantifizieren zu können. Ziel des Projekts ist die Entwicklung angepasster Reinigungstechnologien, die sowohl den technischen Spezifi - kationen der Bauteilsauberkeit gerecht werden als auch den umweltschonenden Einsatz von Reinigungstechnologien und -medien ermöglichen. Abschließend soll die Definition von Spezifikationen für die Bauteilsauberkeit in der Refabrikation angestoßen werden. 1 Wissensbasierte Anwendung innovativer Reinigungstechnologien 2 Industriekonsortium des Forschungsprojekts CLEANER 44 45

25 robotersysteme Das Interesse an der Robotik ist unge brochen. Erstärkte Zu - wächse belegen die zentrale Bedeutung der Industrier obo ter für wettbewerbsfähige Auto matisie rungs lösungen. Insbe sondere Inno va tio nen in der Informationstechnik und Sensorik tragen zur Verbesserung des Kosten-Leistungs -Verhält nisses von In - dus t rie ro botersystemen bei und er schließen neue Anwendungen. Servicerobo ter in vielfältigen Anwendungen eröffnen interessante Produktchancen in Wachstumsmärkten. Visionen sehen Roboterassistenten als Helfer des Menschen am Arbeitsplatz oder im häuslichen Bereich. Das Fraunhofer IPA besitzt in der Robo tik aner kannte Erfah rung und gilt als Schritt macher in der Technologie und der Anwen - dung von Roboter syste men. Die Abtei lung»robotersysteme«ge staltet Auto matisierungslösungen in Produk tion, Handel und Dienstleistung von der Potenzial analyse bis zur Realisie rung. Dazu stehen neben umfangreichen Soft ware-werkzeugen bestens ausge stat te te Versuchsfelder zur Verfügung. Ausgehend von der Potenzialanalyse, erfolgt die Ermittlung des optimalen Automatisierungsgrads, die Gestaltung manueller oder automatisierter Arbeits systeme und ihre Integration in Produk tionen. Hierbei kommen modernste Me thoden und Werkzeuge des»industrial Engineering«zum Einsatz. Schwerpunkte in der Gestaltung von Industrie roboter-an wen - dungen sind Montage, Material fluss-automa tisie rung (Hand- haben, Palettieren, Kommis sionieren, Sor tieren, Verpacken und Tran s por tie ren), das Schweißen sowie die Material be - arbeitung. Der steigende Bedarf nach innovativen Roboterlösungen in der Montage motivierte uns zur Neugründung der Gruppe»Montageautomatisierung«. Thematische Schwerpunkte sind die Steuerung und Regelung von Fügeprozessen, die sichere und intuitive Mensch-Roboter-Kooperation sowie Verfahren der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Montagesystemen. Die Entwicklung von Serviceroboter sys temen er folgt für unterschiedlichste An wendungen: von Manipulator syste men für Wartungsarbeiten bis zu mo bi len Robotern zur Boden- und Fen ster rei ni gung, zur Überwachung oder im Enter tainment. Innovative Robotersysteme setzen leistungsfähige Schlüssel - komponenten wie Sensoren, Steuerun gen, Kinema tiken und Greifer voraus. Im Umfeld dieser Schlüssel komponenten bietet das Fraunhofer IPA umfassende Dienst leistungen zur Kom po - nenten- oder Ver fahrensent wick lung an. martin Hägele Telefon

26 IPa-auFWälzgreIFer automatisierte KommIssIonIerung In Der IntralogIstIK Innerhalb der vergangenen Jahre wurde in der Abteilung»Roboter systeme«des Fraunhofer IPA eine Lösung zur automatisierten Kommissionierung von Stückgütern in der Intra - logistik entwickelt: der IPA-Aufwälzgreifer. Diese Aufgabe wurde entgegen der bisherigen Ansätze, bei denen der Schwerpunkt auf dem Greifen lag, ganzheitlich mit allen Randbedingungen (Objekteigenschaften, Variantenvielfalt und Bereitstellungen) betrachtet. Hierbei wurden die zwei Kern - komponenten Greiferentwicklung und Objektlageerkennung identifiziert und in enger Abstimmung zueinander entwickelt. Das ausgewählte Prinzip des Aufwälzgreifens erfüllt diese An - forderungen. Aufwälzgreifer besitzen ein Friktionselement, eine sich rückwärts drehende Rolle oder Walze. Dieses Friktionsele - ment sorgt aufgrund der Reibung beim Andrücken an ein zu greifendes Objekt für ein Anheben. Sobald ein geeigneter Spalt erzeugt ist, kann der Roboter nun unter das Objekt fahren oder das Objekt wird aufgrund der Reibkräfte auf den Greifer gezogen. Die Arbeiten zur Greiftechnik wurden im Rahmen des Ver bund - forschungsprojekts»greifmodule für die Intralogistik«durchge - führt. Bei diesem Projekt handelt es sich um einen Forschungs - auftrag des Landes Baden-Württemberg, das aus Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg ggmbh finanziert wird. Projektpartner waren die Artur Bär Maschinenbau GmbH, die J. Schmalz GmbH und die Schunk GmbH & Co. KG. Der Ab - schlussbericht kann heruntergeladen werden unter: Das Bildverarbeitungssystem ist am Greifer montiert und be - steht aus einem Laserscanner der Firma Sick sowie einer handels - üblichen industriellen Digitalkamera. Die eingesetzte Sensorik vereint so die Vorteile aus zwei»welten«: Der 3-D-Laserscanner liefert unabhängig von Fremdlicht Geo - metrieinformationen, d. h. beispielsweise die Außen konturen eines Kartons oder eines Trays können eindeutig identifiziert werden. Das 2-D-Kamerasystem unterstützt den Laserscanner, indem es zusätzliche Informationen zu Spalten zwischen dicht - stehenden Objekten liefert. Aus der Fusion dieser beiden Daten und mit Hilfe der am Fraunhofer IPA entwickelten Bildverarbeitungsalgorithmen können so die Konsumgüter erkannt und lokalisiert werden. Die verwendeten Bildverarbeitungsalgorithmen stellen eine Erweiterung und Verbesserung der bereits für den»griff in die Kiste«patentierten Verfahren dar. Ergebnis der Entwicklung ist ein kompaktes Greifsystem mit integrierter Bildverarbeitung zur Artikellokalisierung. Es er - möglicht das robotergeführte Kommissionieren einer bisher noch nicht erreichten Vielfalt an Objekten wie Kartons, Säcken, Trays oder umschweißten Getränke-Six-Packs. Dadurch wird z. B. der größte Teil der Konsumgüter abgedeckt. Dies wird er - reicht durch eine hohe Flexibilität bezüglich: Verpackungstyp Objektgröße und Gewicht Bereitstellung Typische Anwendungsfälle (Kommissionieren, Palettieren, De - palettieren, Umpalettieren) finden sich in Kommissionier zentren und Warenumschlagsplätzen, z. B. für die Nahrungsmittel in - dustrie, die Konsumgüterindustrie, die Pharmaindustrie oder den Baustoffgroßhandel. Die Vorteile beim Einsatz des IPA-Aufwälzgreifers sind: Weniger körperliche Folgeschäden bei Mitarbeitern Verbesserung des Arbeitsschutzes, geringere Mitarbeiter- Fluktuation Gleichbleibende Qualität der Kommissionier-Ergebnisse, durchgehende Datenhaltung Kosten- und Zeiteinsparung, Beispielrechnung 3-Schicht- Betrieb: Lohnkosten: ca. 105 T (3 MA je ca. 35 T /a) Roboterzelle: ca. 150 T Amortisation: < 1,5 Jahre Vielseitig einsetzbares Handhabungssystem: Kommissio nie - rung, End of Line, Distribution, Umpacken etc. Einstieg in neue Branchen für Systemanbieter: Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie Pharma-, Baustoff- und Versandhandel Flughäfen etc. Alleinstellungsmerkmale: Modularität durch Baukasten, Größenskalierbarkeit durch Baureihe Unabhängigkeit von Roboterherstellern durch breites Spektrum an Schnittstellen, z. B. Feldbussystem Der IPA-Aufwälzgreifer wurde auf der AUTOMATICA 2010 erstmals der breiten Öffentlichkeit vorgestellt (und war ebenfalls auf der LogiMAT 2011 im Februar in Stuttgart zu sehen). 1 Prinzip des Aufwälzens 2 Exemplarische Bereitstellung von Konsumgütern 3 Sensordaten des Bildverarbeitungssystems 4 IPA-Aufwälzgreifer 48 49

27 1 bearbeiten mit Dem cnc-roboter Industrieroboter erobern kontinuierlich neue Märkte, ihre Flexi - bahn zu erzeugen. Diese kann direkt auf die Steuerung des bilität und die geringen Investitionskosten treiben diese Ent - CNC-Roboters geladen werden. Es ist keine Software-Zwischen - wicklung voran. Auf technischer Ebene aber stellen diese An - stufe notwendig und die im Betrieb eingespielten Prozesse wendungen, etwa bei der Fräsbearbeitung von Werkstücken, können weiterhin angewandt werden. hohe Anforderungen. Es müssen Genauigkeiten, Zykluszeiten oder Programmgrößen erreicht werden, die bei den klassischen Technisch arbeitet die CNC-Steuerung mit einer hohen Inter - Pick-and-Place- oder Schweißanwendungen nicht vorkamen. polationsrate, was zu besseren Bearbeitungsergebnissen führt. Weiterhin ist es möglich, vielfältige Werte im Prozess auszulesen und anzupassen. So kann die Positioniergenauigkeit des Ro - Robotermechanik kombiniert mit cnc-steuerung boters durch eine Fehlerkarte oder entsprechende Sensoren im Prozess korrigiert werden. Um auch diese Applikationsanforderungen erfüllen zu können, wurde ein CNC-Roboter aufgebaut: die Standard-Roboter - mechanik eines KUKA-KR-125-Industrieroboters wurde mit Ausblick Leistungselektronik und CNC-Steuerung von Beckhoff kombiniert. Diese Kombination erlaubt es, CNC-Programme auszuführen, bietet einen hohen Interpolationstakt sowie vielfältige und CNC-Steuerung wird nun an der Optimierung der Ge - Nach der durchgeführten Kombination von Robotermechanik Möglichkeiten des Interfacings und der Steuerungsanpassung. nauigkeit und des dynamischen Verhaltens des Roboters ge - arbeitet. Dies erfolgt einerseits durch die Iteration von Laser - tracker-messungen und Parameteranpassungen, andererseits Anwendungen und Nutzen durch die Integration von Kompensationsmodellen und Sen - soren. Verbleibende Fehler können durch eine Ausgleichs kine - Der CNC-Roboter wurde für Fräsprozesse in den Materialien matik auf Piezo-Basis kompensiert werden. Durch Versuchs reihen Kunststoff und Aluminium aufgebaut, weitere Anwendungen werden Erfahrungen bei der Fräsbearbeitung von verschiedenen Materialien gesammelt, etwa Kunststoff, Faserverbund - sind das bahngeführte Entgraten und Anfasen von Werkstücken, Schneidanwendungen oder die Bewegung von generativen werkstoffen und Aluminium. Seit September 2010 wird die Prozesseinheiten. Dabei werden die Vorteile des Roboters gegen - Entwicklung im von der Europäischen Union geförderten über klassischen Werkzeugmaschinen mit ansteigendem Ar - Projekt COMET (Grant Nr ) weitergeführt. beitsraum immer klarer: Die Bearbeitung eines zwei Meter langen Werkstücks ist mit einem Standardroboter möglich. Der Nutzen der CNC-Steuerung ergibt sich aus der Art der Programmierung und ihren technischen Möglichkeiten. So ist es ohne Aufwand möglich, die in den Betrieben existierende CAM-Toolchain zu nutzen, also aus der CAD-Zeichnung des Werkstücks mit Hilfe eines CAM-Programms eine Bearbei tungs - technisch-wirtschaftliche analysen von servicerobotik-szenarien Im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) haben die Fraunhofer-Institute IPA und ISI im Zeitraum von Dezember 2009 bis November 2010 neuartige Service - robotik-anwendungen entwickelt und deren Bedeutung für die Robotikentwicklung aus einer technischen wie wirtschaft - lichen Perspektive heraus analysiert. Ziel war es dabei, bewusst über eine rein konzeptionelle Betrachtung hinauszugehen und insbesondere die technische wie wirtschaftliche Machbarkeit der Servicerobotik-Anwendungen an konkreten Anwendungs - szenarien zu zeigen bzw. zu analysieren. Weiterhin sollten aus der Gesamtbetrachtung der Serviceroboter-Anwendungen Forschungs- und Entwicklungsbedarfe zur Verbesserung von Kosten-Nutzen-Relationen bzgl. Schlüsseltechnologien, Kom - ponenten und Systementwicklungsprozessen abgeleitet werden. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreicher Methodensatz samt dazugehörigen Softwaretools entwickelt, die Entwicklern und Anwendern eine kalkulatorische Entscheidungshilfe ihres En - gagements in Anwendungsbereichen der Servicerobotik zur Verfügung stellen. Der Kern der Methoden basiert auf praktischen, ingenieurwissenschaftlichen und betriebswirtschaftlichen Methoden insbesondere dem Axiomatic Design (AD) sowie der lebenszyklusorientierten Kostenanalyse (LCC), welche ge - währleisten, dass die Bedürfnisse der Anwender und die technologische Machbarkeit vor dem Hintergrund der Wirtschaft - lichkeit in adäquater Weise zusammengeführt werden. Zusätzlich wurde eine vereinfachte Methode zur groben Abschätzung der für jedes Szenario zu erwartenden Softwareentwick lungs - aufwände erarbeitet, die derzeit weiter verfeinert wird. Exemplarisch untersucht wurden elf neuartige Anwendungen von Servicerobotern, sog. Serviceroboter-Szenarien: Außenanlagenwartung Bereitstellen von Pflegeutensilien Bewegen von Personen in der stationären Altenpflege Bodenfrüchteernte Bodenreinigung Containertransport im Krankenhaus Fassadenreinigung Innenausbauassistenz Kanalinspektion Milchviehhaltung Produktionsassistenz Die in dieser Studie entwickelten Serviceroboter-Konzepte unterscheiden sich zum Teil erheblich voneinander und zwar nicht nur hinsichtlich der ihnen zugrunde liegenden technischen Ausführung, sondern auch und insbesondere hinsichtlich ihrer betriebswirtschaftlichen Bewertung. Dementsprechend lassen sich die Kernbotschaften auch aus diesen zwei Perspektiven zusammenfassen: Aus technischer Sicht wurden Forschungsbedarfe verstärkt in den Bereichen Wahrnehmung, Navigation und Manipulation identi fiziert, meist im Zusammenhang mit bislang unbefriedigend gelösten Soft - wareproblemen. Hardwareseitig fehlt im Wesent lichen nicht die Technik (Invention) in Form von Schlüsselkomponen ten, son dern deren kostengünstige Verfügbarkeit (Innovation). Dem - nach erscheinen mit heutigen Technologien die meisten Anwen - dun gen technisch, aber nicht unbedingt wirtschaftlich machbar. Die Studie ist als interaktives pdf-dokument inklusive der entwickelten Software-Werkzeuge als Download ( in Kürze verfügbar. 1 Beispiele der entworfenen Serviceroboter 50 51

28 1 2 visuelle lokalisierung von KleInrobotern Ausgangssituation Seit der Markteinführung des ersten Roboterrasenmähers im Jahr 1995 durch die Firma Husqvarna ist ein stetiges Wachs - tum der Verkaufszahlen von mobilen Kleinrobotern für Haus - haltsanwendungen zu verzeichnen. So wurden bis heute allein von der Firma irobot über 3 Mio Staubsaugroboter verkauft. Praktisch alle derzeit angebotenen Haushaltsroboter dienen der Flächenbearbeitung (Trocken-, Nassreinigung, Rasen mähen) und haben damit u. a. die Aufgabe, eine vorgegebene Fläche (Wohnraum, Rasen) in möglichst kurzer Zeit vollständig zu be - fahren. Die Marktdurchdringung dieser Systeme ist jedoch vor allem im häuslichen Bereich im Vergleich zu manuellen Lö sun - gen immer noch gering. Hierbei werden als Hauptursachen die eingeschränkten Möglichkeiten der verwendeten Naviga - tionsverfahren zum systematischen Bearbeiten von Flächen angesehen. Aufgabe Die derzeit angebotenen Robotermodelle verwenden größtenteils zufallsbasierte Navigationsverfahren. Solche Verfahren sind zwar robust und auf kostengünstiger Hardware realisierbar, arbeiten jedoch sehr ineffizient, da damit eine mehrfache Be - fahrung desselben Flächenstücks nicht vermieden werden kann. Systematisch arbeitende Navigationsverfahren haben diesen Nachteil nicht, da bereits befahrene Gebiete während der Be - arbeitung aufgezeichnet werden. Um diese Verfahren zu realisieren, werden eine Karte der Umgebung, eine hinreichend ge - naue Positionsbestimmung (Lokalisierung) des Roboters und eine angepasste Bahngenerierung benötigt. Anforderungen an die verwendete Sensorik zur Umgebungserfassung sind zum einen eine hohe Messgenauigkeit, ein großer Infor ma tions - gehalt der Sensordaten und zum anderen geringe Anschaf fungs - kosten. Vor allem dadurch, dass Mobiltelefone in letzter Zeit durch Kamerafunktionen erweitert wurden, ist der Preis für kleine und dennoch leistungsfähige Farbkameras enorm ge - sunken. Ziel des Forschungsprojekts»Vislok«war, ein Verfahren zur visuellen Lokalisierung von Robotern auf Basis von Low-Cost- Farbkameras zu entwickeln. Projektbeschreibung Der im Rahmen des Projekts aufgebaute Prototyp besitzt einen Differenzialantrieb zur Fortbewegung. Weiterhin ist er mit einem Mikrocontroller ausgestattet, welcher die Motoren ansteuert und die Odometriedaten aufzeichnet. Schließlich besitzt der Roboter eine Webcam, deren Daten zur Kartenerstellung und zur Lokalisierung verwendet werden. Als Grundlage wurde die Basisplattform des ebenfalls am Fraunhofer IPA entwickelten»tabl-o-bot«verwendet. Diese ist aus standardisierten Kom - ponenten aufgebaut und einfach auf spezielle Aufgaben ge - biete anpassbar. Das neu entwickelte Verfahren ermöglicht eine exakte Lokali - sierung des Roboters im Raum durch die Kombination der ge - messenen Eigenbewegung des Roboters mit den entsprechenden Kameradaten. Das Verfahren misst und erkennt dabei kontinuierlich markante Punkte in seiner Umgebung über die Farb - kamera und berechnet, basierend auf seiner Eigenbewegung, deren dreidimensionale Ko ordi naten. Da die Farbkamera nur eine zweidimensionale Projektion der Umgebung erzeugen kann, werden zur Berechnung von dreidimensionalen Umge bungs - daten verschiedene Kameraperspektiven einer Szene kombiniert. Durch eine zusätzliche Messung der Eigenbewe gung zwischen den Einzelansichten der Kamera kann berechnet werden an welcher Position in den Einzelbildansichten bekannte markante Punkte nach Ausführung einer Bewegung abgebildet werden. Da auf Grund von Messrauschen in der Eigenbewegung und den Kameradaten eine Abweichung zwischen errechneter und tatsächlicher Punktposition entsteht, werden mittels eines Opti - mierungsverfahrens die wahrscheinlichsten dreidimensionalen Positionen von Kamera und Umgebungspunkten berechnet. Diese werden anschließend in eine globale Umge bungs karte eingetragen. Durch den Ab gleich der erstellten Karte mit den gemessenen Kame radaten und der Eigenbewegung des Roboters ist es möglich, die ab solute Roboterposition in der Umgebung zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen. Ergebnis Das am Fraunhofer IPA entwickelte Verfahren erzielt eine deut - liche Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit im Vergleich zu Lokalisierungsverfahren, die einzig die Eigenbewegung des Roboters zur Positionsschätzung berücksichtigen. Durch den expliziten Verzicht auf die Verwendung von rechenintensiven Algorithmen ist das Verfahren zur Integration auf Mikrocon - trollern geeignet und bietet damit eine kostengünstige Mög - lichkeit zur Lokalisierung von Kleinrobotern als Grundlage der systematischen Flächenbearbeitung. Ausblick Das Lokalisierungsverfahren bietet nicht nur im Bereich der Klein robotik eine Möglichkeit zur kostengünstigen Lokalisie rung. Auch in anderen Bereichen wie z. B. in der Automobilbranche, kann auf Grund des hohen Kostendrucks ausschließlich günstige Ultraschallsensorik zur Navigation und Lokalisierung des Fahr - zeugs eingesetzt werden. Jedoch steigt der geforderte Funk - tionsumfang unter gleichbleibenden Kostenvorgaben konti - nuierlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss die vorhandene Sensorik erweitert oder durch leistungsfähigere Sensoren ersetzt werden. Hierbei bietet das vorgestellte Verfahren einen konkreten Lösungsansatz, um komplexere Fahrerassistenzsysteme zu ermöglichen. Im Bereich von fahrerlosen Transportsystemen werden Umge - bungskarten zur Lokalisierung und Navigation fast ausschließlich unter Benutzung von Laserscannern erstellt, welche im Preis deutlich höher liegen als die im Projekt verwendete Kamerasen - sorik. Auch hier wird unter Benutzung des präsentierten Ver - fahrens eine deutliche Kostenreduktion des Gesamtsystems durch den Verzicht auf teure Sensorik unter gleichbleibender Leistungs fähigkeit erreicht. Des Weiteren eröffnen sich durch diese Kosten reduktion weitere Anwendungsfelder für die autonome Naviga tion, wie z. B. in gewerblichen Reinigungs - maschinen. In diesem Fall kann die Kamerasensorik neben der Navigation auch zur Kollisionsvermeidung in dynamischen Umgebungen verwendet werden. 1 Basisplattform Tabl-o-bot (links). Erweiterung der Tabl-o-bot- Hardware mit Kamera (rechts) 2 Testumgebung (links). Grüne Punkte markieren erkannte Merk - malspunkte der Umgebung, welchen 3-D-Koordinaten zugeordnet wurden. Die farbigen Linien zeigen die ermittelte Roboterbewegung (Lokalisierung) unter Benutzung der Kameradaten (blau) im Vergleich zur Lokalisierungsgenauigkeit ohne Kameradaten (rot) 52 53

29 einsatz von robotern zur montageautomatisierung Die Montage birgt noch erhebliche Automatisierungspoten ziale in der Produktion. Um dem steigenden Bedarf an Verfahren und Anlagen für innovative Montagelösungen Rechnung zu tragen, wurde die Gruppe»Montage-Automatisierung«ge - gründet. Der thematische Schwerpunkt der Gruppe liegt auf Fügeprozessen mit komplexer Prozessregelung, Sicherheits kon - zepten zur Mensch-Roboter-Kooperation und Lösungen zur effizienten, einfachen Programmierung von Montageauf gaben. Am Beispiel des EU-Projekts ROSETTA werden im Folgenden aktuelle Entwicklungen beschrieben. ROSETTA Intuitive mensch-roboter-kooperation in der montage Ziel des Projekts ROSETTA ist die Entwicklung von Schlüsseltech - nologien für den Einsatz von Robotern in bisher manuellen Montagearbeitsplätzen: Schnelle, intuitive Programmierung Der Roboter soll schnell und intuitiv vor Ort vom Werker an neue Montageaufgaben angepasst werden können, z. B. beim Wechsel einer Montagelinie auf ein neues Produkt. Um dies zu erreichen, wird ein Programmiersystem entwickelt, das es dem Werker erlaubt, die Montageaufgabe auf hohem Abstrak - tionsniveau, z. B. in Form eines Montagevorranggraphen zu beschreiben. Diese abstrakte Aufgabenbeschreibung wird dann mit Hilfe einer vorhandenen Wissensbasis automatisch so weit detailliert, dass jedem Montageschritt ein in der Wissensbasis hinterlegter, ausführbarer Montageprozess zugeordnet werden kann. Sollten benötigte Informationen nicht in der Wissens - basis enthalten sein, wird der Werker aufgefordert, diese In - formationen zur Verfügung zu stellen. Nur wenn der Werker die geforderten Informationen nicht liefern kann, muss ein Experte hinzugezogen werden, um die Informationen zu integrieren. Auf diese Weise steigt der Informationsgehalt der Wissensbasis mit jeder neuen Montageaufgabe und erlaubt somit die intuitive Programmierung von immer mehr Montage - aufgaben durch den Werker. Sichere Mensch-Roboter-Kooperation Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist bisher auf Grund strenger Sicherheitsvorschriften nur sehr eingeschränkt möglich. Deshalb werden in ROSETTA zum einen neue, auf der Oberfläche des Roboterarms angebrachte Sensoren entwickelt, um Menschen im Arbeitsraum des Roboters vor einer potenziellen Kollision zu erkennen. Zum anderen wird in Ver suchen und Simulationen das Verletzungspotenzial von Robotern er - mittelt. Diese Erkenntnisse sollen der Entwicklung von Strate - gien für die Auslegung und den Betrieb von Robotern dienen, die eine Gefährdung des Menschen in jeder Situation verhindern und somit eine sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ermöglichen. Die Ergebnisse fließen durch die Mitarbeit im Normungsgremium für die ISO in die für die Robotersicherheit relevanten Standards ein. Im März 2011 wird die erste Hälfte des insgesamt vierjährigen Projekts beendet sein. Nach der Implementierung der beschriebenen Tech nologien sollen in der verbleibenden Projektlaufzeit die Technologien in ausgewählten Anwendungen ge testet und in einen ROSETTA-Demonstrator integriert werden. Damit ist es möglich, den Einsatz von Robotern in manuellen Montage - arbeitsplätzen darzustellen. ROSETTA wird im 7. Rahmenprogramm FP7/ Challenge 2 Cognitive Systems, Interaction, Robotics der Europäischen Kommission gefördert. 54

30 orthopädie und bewegungssysteme Seit über 10 Jahren forscht das Fraunhofer IPA erfolgreich auf dem Gebiet der Medizintechnik. Die Abteilung»Orthopädie und Bewegungssysteme«gestaltet dafür technische Lösungen für die Erfassung, Kontrolle und Erzeugung von Bewegungen für orthopädische und nicht-medizintechnische industrielle An wen dungen. Hierunter fallen Forschungs- und Entwick - lungs fragen für die technische Orthopädie und orthopädische Chirurgie, aber auch Bewegungserfassung für Luftfahrt und Consumer-Elektronik. Ein interdisziplinäres Team aus den Be - reichen Maschinen bau, Elek trotechnik, Mechatronik, Kybernetik, Orthopädie technik, Medizin technik, Biologie und Medizin bearbeitet die Fragestellungen. Stuttgart Minneapolis Rehabilitation Research Zu einem der zukunftsträchtigsten jüngsten Erfolge der Abteilung»Orthopädie und Bewegungssysteme«zählt die mehrjährige Forschungskooperation in der Prothetikforschung mit dem Rehabilitation Center of Chicago: Seit September 2010 bildet die Abteilung des Fraunhofer IPA mit der Rehabilitation Research Group unter Prof. Andrew Hansen am Veteran Affairs Medical Center in Minneapolis ein gemeinsames Forschungsteam. Die von der Fraunhofer-Gesellschaft und dem amerikanischen Vete ranen ministerium unterstützte Kooperation bereitet zur Zeit diverse Entwicklungsprojekte und gemeinsame Seminare vor, die für die Deutsche und Amerikanische Orthopädie indus - trie von Wichtigkeit sind, so etwa im Bereich»Terrainanpassung«und»Rollstuhl-Technologie«. Im Bereich der elektrischen Antriebsentwicklung wird zusammen mit der Universität Stuttgart nach neuen Lösungen im Bereich der aktiv angetriebenen Prothesen gesucht. Ziel ist in diesem Bereich, die Entwicklung von momenten- und leistungs - dichten Antrieben voranzutreiben und neue Lösungen für den Prothesen- und Orthesenbereich anbieten zu können. Dabei liegt der Fokus darauf, dass Menschen mit Behinderungen sich energieeffizient fortbewegen können. Bionisches Engineering Von der Natur zu lernen und Jahrmillionen erfolgreich erprobte Problemlösungen gezielt abzuschauen, hat sich die Abteilung zur Aufgabe gemacht. Erste Projekte wurden bereits im bio - nischen Konstruieren realisiert: Nach der Anatomie eines Ana - konda-mauls und dem Nahrungsauf nahmemechanismus dieser Schlange wurde eine Knochen stanze für eine medizintechnische Instrumentenfirma erfolgreich entwickelt. Sie soll im Jahr 2011 auf den Markt kommen. Die Fortbewegungsmechanismen ausgewählter Tiermodelle wurden studiert, die physikalischen Prinzipien, welche eine energieeffiziente Fortbewegung ermög - lichen, analysiert und in abstrahierter Form in die Ober- und Unterschenkel pro the sen entwicklung umgesetzt. Sensorfusion und inertiale Navigation Durch die Investitionen in ein Kalibrationssystem für inertiale Navigations system-sensoren ist es nun möglich, komplette Lösungen von der Hardware bis hin zur systemspezifischen Algorithmenent wicklung für Kunden anzubieten. Verstärkt wird der Forschungs bereich durch die Forschungskooperation mit der Hochschule Darmstadt und der Universität Siegen. Der Kooperations ver trag wurde im Juli letzten Jahres offiziell verabschiedet und wird durch Studentenaustausch sowie ein erstes gemeinsames Projekt bereits aktiv gelebt. dr. Urs Schneider Telefon

31 1 1 2 adaptpro ein neues system zur Prothesensteuerung vorausschauende steuerung von aktiven ProthesenFÜssen Eine Beinprothese zu bewegen, als ob sie angewachsen wäre, das ist das erklärte Ziel der Prothesenforschung. Dem ist die Abteilung Orthopädie und Bewegungssysteme wieder ein Stück näher gekommen. Ein Sensorsystem ermöglicht es dem Prothesenträger, willkürlich und gezielt Aktionen wie das Anheben des Fußes einer aktiven Beinprothese zu steuern. Außer dem notwendigen Sensorsystem sind auch die nach - gelagerte Signalerfassung, Signalanalyse und die notwendigen Algorithmen für die automatische Auswertung von der Ab - teilung entwickelt und erfolgreich an einem unterschenkel - amputierten Probanden getestet worden. Das Sensorsystem nutzt die körpereigenen Signale, die das Gehirn an die im Beinstumpf verbliebenen Muskeln sendet. Diese Elektromyographie-Signale (EMG) werden über Arrays auf der Hautoberfläche innerhalb eines Prothesenschafts er - fasst und dann automatisch mittels Mustererkennung und Zustandsschätzung interpretiert. Die hohe Kunst, aus dem Rauschen vieler elektrischer Muskel - signale die wesentlichen herauszufischen und darin die Ab - sicht des Prothesenträgers, etwa sitzen, die Treppe hinaufsteigen, aufstehen oder einem Hindernis ausweichen, zu erkennen, kann bisher zu 94 Prozent erfüllt werden. Da die komplizierte Signalverarbeitung und Auswertung in Echtzeit, d. h. in weniger als 20 ms, erfolgt, ist das System auch in der Lage, klare Steuerbefehle für künstliche Aktoren auszugeben. Damit können verloren gegangene Bewegungen in Zukunft realisiert werden. Unsere durchgeführte Auswertung der verschiedenen Testund Messreihen ergaben, dass das Signalanalyse-System und die Mustererkennung für die unterschiedlichen Bewegungs - formen einzeln eingestellt und parametrisiert werden müssen, damit konstant hohe Erkennungsraten über alle Bewegungs - formen hinweg erreicht werden können. Das in Bild 1 gezeigte Signalverarbeitungssystem berechnet in einem ersten Schritt aus den Sensor-Arrays ein virtuelles Signal, welches der Merk - malsextraktion zugeführt wird. Eine eigenständige Funktions - einheit führt auf Basis der Drucksensoren und Inertialsensoren eine Bewegungszustandsschätzung durch, wobei vier Be we - gungszustände (Sitzen, Stehen, Gehen, Hindernis/Treppe) de fi - niert wurden, welche das System erkennt und mit einer Wahr - scheinlichkeit belegt. Diese Wahrscheinlichkeiten werden zur Auswahl des jeweils sinnvollsten Merkmalsextraktions-Satzes in der Mustererkennung herangezogen, wobei Zustände, die unterhalb einer Schwelle liegen, in der Merkmalsextraktion gar nicht ausgeführt werden, was die benötigte Rechen - leistung minimiert. 1 Array im Inneren des Schafts angebracht Ein System zur vorausschauenden Anpassung künstlicher Glied - maßen an den Untergrund soll beim Gehen Stolperunfälle mit Beinprothesen verhindern helfen. Dabei erfasst das optisch messende System während der aktuellen Standphase kontinuier - lich räumlich den Untergrund im Zielbereich des kommenden Schritts. Aus den gewonnenen dreidimensionalen Mess daten werden Umgebungsstrukturen wie Treppen oder Rampen er - mittelt. Die Prothesensteuerung wählt auf Basis dieser Auswer - tung die optimale Einstellung der Prothesengelenke zur Be - gehung des Terrains im folgenden Gangzyklus. Der Ansatz beschreibt ein Messsystem als Basis für die vorausschauende Anpassung von Prothesengelenken. Ein 2-D-Laser - scanner sowie ein inertiales Navigationssystem (INS) ermög - lichen während der Gangbewegung die Geometrie des Terrains kontinuierlich sensorisch zu erfassen. Das Sensor system ist am Verbindungsrohr des Prothesensystems montiert und in Gang - richtung vorwärts ausgerichtet. Durch die rotatorische und translatorische Bewegung der Prothese wird während des Gehens mit dem Laserscanner ein 3-D-Messraum abgetastet. Aus den erfassten dreidimensionalen Koordinatenpunkten können mittels Objekterkennung Merkmale wie zum Beispiel Treppen, Rampen oder Türschwellen erkannt werden. Somit kann die Prothesensteuerung anhand der ermittelten Umge - bungsdaten das Knie- und Fußgelenk auf die Gegebenheiten des Untergrunds schon vor dem Auftreten anpassen. Entgegen den bisherigen Adaptionsmethoden für Prothesen der unteren Extremität wird hiermit ein Ansatz der Schritt-zu-Schritt-An - passung realisiert. Mit diesem Ansatz wurde gezeigt, dass für zukünftige aktive Prothesen eine Anpassung durch das Sensorsystem, bestehend aus Laserscanner und inertialen Navigationssystem, gewähr - leistet werden kann. Die Erkennungslogik des an die Prothese montierbaren Moduls erfasst vorausschauend seine Umgebung. Die Integration der Umgebungserfassung und der daraus ge - wonnenen Aktoransteuerung in das aktive Pro thesen system ist Gegenstand aktueller Forschung am Fraunhofer IPA. 1 Konzept der vorausschauenden Prothese 2 Messsystem zur Terrainerfassung 58 59

32 1 2 Was hat eine anakonda mit einer Knochenstanze gemeinsam? Die bis zu neun Meter lange Anakonda verschlingt selbst Raubtiere. Mit ihrem festen Biss und aufgrund ihrer gegen den Schlund wie Widerhaken gerichteten Zähne kann ihre Beute nicht entkommen. Durch die Gegenbewegung der beiden Kiefer wird die Beute als Ganzes immer tiefer in den Schlund gezogen. Der Schluckmechanismus der Riesenschlange Anakonda war Vorbild für den Resektataufnahme-Mechanismus der neu entwickelten Knochenstanze. Danach wurde die Knochenstanze mit einem Transport- und Speichermechanismus ausgerüstet, der es erlaubt, bis zu 40 Resektate in einem sterilen Einweg be - hälter aufzufangen. Der Chirurg muss jetzt nicht mehr jedes abgeknipste Knochen- oder Knorpelstück, das z. B. für den Zugang zu Bandscheiben und Wirbelkanal entfernt werden muss, einzeln aus dem Körper holen und abstreifen so wie es jahrzehntelang die tägliche Praxis war. Das spart nicht nur erheblich Zeit, sondern senkt auch das Infektionsrisiko. Schneidekante des beweglichen Teils auf den festen Teil der Stanze wie auf einen Amboss drückt und so das Gewebe ab - trennt. Das Problem dabei: Bei der alten Stanze stumpft die Klinge leicht ab und trennt faserige Gewebe nicht vollständig durch. Der Benutzer musste die endgültige Abtrennung durch laterales Wegziehen der Stanze bewirken. Mit dem neuen Mechanismus gleitet die Schneidekante formschlüssig über das distale vom Handgriff abgewandte Ende. Diese als Scher - schneiden bekannte Funktionsweise arbeitet ähnlich einem Locher. Das Chirurgiemechanik-Unternehmen S&A Martin in Rietheim- Weilheim, für welches die effizientere bionische Knochen - stanze entwickelt wurde, stößt damit auf großes Interesse bei Kliniken in aller Welt. Der neue, ebenfalls dem Tierreich entnommene Schneide me cha - nismus arbeitet erheblich ökonomischer. Der Schnitt benötigt zwischen 45 und 74 Prozent weniger Kraft und ermöglicht saubere Schnittkanten. Herkömmliche Knochenstanzen funktionieren nach dem Prinzip des Stanzschneidens, bei dem die 1 Knochenstanze 2 Resektataufnahmemechanismus 60

33 ProDuKtIons- und ProzessautomatIsIerung Ideen in Bewegung realitätsnahe und zukunftsweisende Automatisierung in der Biotechnologie und medizin Die Abteilung»Produktions- und Prozessautomatisierung«am Fraunhofer IPA ist seit über 15 Jahren auf Auto ma ti sierungs - lösungen für die Handhabung, Vermessung und das Pro zes sieren von biologischen Materialien spezialisiert. Die Anwendungs - ge biete liegen dabei u. a. nicht nur im Bereich der Biotech no - logie oder Feinchemie, sondern auch in der Diagnostik und Intervention. Bioproduktionstechnik In den letzten zwei Jahrzehnten wurde in den biotechnischen Laboren eine große Anzahl neuer Produkte und Verfahren ent - wickelt, die von der Lebensmittelherstellung bis zur Medizin in zahlreichen Gebieten Anwendung finden. Von der Reprodu - zier barkeit teurer, riesiger Experimentalserien bis hin zur kosten - effizienten Produktion entstanden dabei viele attraktive Einsatz - gebiete für die Automatisierungstechnik. Allerdings erfordert der automatisierte Umgang mit biologischen Materialien wegen deren Empfindlichkeit, (eigen)dynamischen Veränderlichkeit, mikroskopischen Abmessungen, geringsten Mengen sowie vergleichsweise extremen Variabilität häufig neue Konzepte und Technologien. Ein interdisziplinäres Team aus Maschinen - bauern, Elektrotechnikern, Informatikern und Biologen liefert die Systeme und Geräte und testet die Lösungen im BioPoLiS (Bioproduktionslabor in Stuttgart) unter biotechnischen Um - gebungsbedingungen. diagnostische und interventionelle medizintechnik Anders als in der Bioproduktionstechnik verfolgt die Auto ma - tisierungstechnik in der diagnostischen und interventionellen Medizintechnik keine typischen Ziele für die Produktion oder den Laborbetrieb. Sie erweitert die Grenzen manueller Diag - nose und Therapie: Mit Hilfe einer kombinierten Messtechnik und Datenanalyse können wesentlich mehr und präzisere Daten vom aktuellen Situs gewonnen werden und diese Informa - tionen für Manipulationen wesentlich präziser, schneller in mikroskopischen und nicht direkt zu erreichenden Bereichen umgesetzt werden. Weil durch die Automatisierung die Quali - tät und Effizienz bei der Behandlung von Patienten steigt, werden diese Ansätze von Medizinern und Ingenieuren als der nächste logische Entwicklungsschritt für diagnostische und interventionelle Systeme angesehen. Die Abteilung Produktionsund Prozessautomatisierung ist Spezialist für die Entwicklung dieser komplexen, nächsten Instrumentengeneration. Mit dem neuen Operationssaal-Technikum, dem Bozzini-Lab, steht eine umfangreiche Infrastruktur für die realitätsnahe und effiziente Erprobung neuer Medizingeräte und -systeme zur Verfügung. Mit ihrer langjährigen Erfahrung unterstützt die Abteilung Produktions- und Prozessautomatisierung Industrieunter neh men, Forschungsinstitute und andere Einrichtungen bei der Entwick - lung von Automatisierungslösungen. Mit einer hervorragend angepassten Infrastruktur und einer weitreichenden Vernetzung u. a. zu biotechnischen Instituten sind wir seit vielen Jahren ein zuverlässiger Partner für unsere Kunden. Bozzini-Lab (linkes Bild) Tissue-Fabrik (Seite 67) ausgezeichnet mit: dr. Jan Stallkamp Telefon

34 »modularer op«e I N T E c H N I k U m F Ü R d I E E N T w I c k l U N g d E R N ä c H S T E N g E N E R AT I O N V O N d I A g N O S T I S c H E N U N d I N T E RV E N T I O N E l l E N S y S T E m E N I N d E R m E d I z I N T E c H N I k IWs InstrumentenWechselsYstem FÜr DIe minimal InvasIve chirurgie Im Sommer 2010 wurde am Fraunhofer IPA von den Abtei lungen»produktions- und Prozessautomatisierung«und»Orthopädie und Bewegungssysteme«ein modularer Operationssaal in Be - trieb genommen. Vollständig eingerichtet und umfassend ausgestattet, z. B. mit einem Röntgen-C-Bogen, einem Endosko - piesystem, Ultraschallgeräten, mehreren Robotern etc., können beinahe beliebige Operationsszenarien für verschiedene An - wendungen äußerst realistisch nachgestellt werden. Das ge - schieht ohne Patienten höchstens mit Präparaten dafür ohne Einschränkungen beim Einsatz und der Erprobung neuer Technologien. Die technischen Möglichkeiten für neue diagnostische und interventionelle Systeme werden heute nicht ausgeschöpft. Gelegentlich entsteht sogar der Eindruck, dass die Entwick - lungen im Vergleich zu den Schlüsseltechnologien wie der Mikrosystemtechnik oder Mikroelektronik seit Jahren auf der Stelle treten oder nur inkrementell erfolgen. Zu den Ursachen gehören neben den wachsenden Anforderungen an die Zulas - sung von Medizinprodukten die wachsende Komplexität der Systemlösungen und der damit explodierende Entwicklungsauf - wand. Werden solche Lösungen nicht realisiert, dann können die neuen Möglichkeiten nicht nachgewiesen und damit den medizinischen Anwendern in der Regel nicht plausibel gemacht werden. Werden sie jedoch nicht nachgewiesen, dann werden Entwicklungen auch nicht unterstützt. An irgendeinem Punkt muss der»circulus vitiosus«unterbrochen werden, da zumindest die Bedeutung dieser nächsten, komplexen Systemgene - ration für den OP kaum angezweifelt wird. Der»Modulare OP«ist eine Plattform für Ingenieure und Mediziner, wo solche Systeme entwickelt werden können und sollen. Dabei wird in Kauf genommen, dass der OP als Tech - nikum und nicht als Behandlungsraum eingerichtet ist. Damit wird der Aufwand für technische Entwicklungen niedrig und die Flexibilität hoch gehalten. Auf diese Weise können neue Konzepte kostengünstig umgesetzt und den Ärzten praktisch unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen demonstriert werden, ohne dass der Krankenhausbetrieb behindert oder gefährdet wäre. Der Modulare OP kann so realistisch ge staltet werden, dass der Schritt vom Technikum zum klinischen OP sehr klein wird. Natürlich ermöglicht der Modulare OP auch die Entwicklung von Teilkomponenten, die in ein Ge samt sys tem integriert und ganzheitlich evaluiert werden können, z. B. ein drahtloses Endoskop in Verbindung mit einem Endosko pie - system. Und nicht zuletzt ist der Modulare OP ein»aben teuer - spielplatz«für die Entwicklungsingenieure und Naturwissen - schaftler: Sooft sie wollen, können sie in die Rolle eines Arztes schlüpfen und»spielerisch«, aber realitätsnah ein Gefühl für die Anforderungen der Mediziner gewinnen. Der Modulare OP wurde nach dem Arzt und Entwickler Philipp Bozzini ( ) benannt und heißt heute»bozzini-lab«. Philipp Bozzini hatte zu seiner Zeit mit seinem Leuchtapparat das Tor zur»minimal Invasiven Chirurgie«(MIC) ein wichtiges Stück weiter geöffnet und die Bedeutung des Zusammen - wirkens medizinischen Fachwissens und der Technologie für eine er folgreiche Therapie und Diagnose einmal mehr unter Beweis gestellt. Der erste Eingriff gemäß einem modernen Verständnis der MIC fand jedoch fast 180 Jahre später statt eine Zeit, die durch Einrichtungen wie das Bozzini-Lab für Medizin tech nikunternehmen, Ärzte und Patienten wesentlich verkürzt werden soll. Um den Patienten zu schonen, seine Rekonvaleszenz zu be - schleunigen und kosmetische Beeinträchtigungen zu verhindern, werden chirurgische Eingriffe im Bauchraum zunehmend mini - mal invasiv durchgeführt. Bei dieser Operationstechnik führt der Chirurg über mehrere kleine Schnitte in der Bauchdecke sowohl ein Laparoskop (stabförmige Videokamera) zur Sicht - barmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Bauchraum ein. Neben unterschiedlichsten Zangen- bzw. Schereninstrumenten, Hochfrequenz- Resektoren und Clipapplikatoren kommen auch aktive Instru - mente, z. B. Ultraschallresektoren, zum Einsatz. Während eines minimal invasiven Eingriffs werden die benötig - ten Instrumente je nach Indikation im Laufe der Operation bis zu einhundert Mal gewechselt. Der Austausch typischerweise langer Instrumentenstäbe in engen Trokaren ist beim Instru - mentenwechsel sehr umständlich. Er verlängert die Operations - dauer und stört erheblich einen kontinuierlichen Arbeitsab lauf. Gerade die Störung des Ablaufs führt nach Aussage der Chirur - gen zu einem Konzentrationsverlust und damit potenziell zu einem schlechteren operativen Ergebnis. Ein schnelles, automatisches Wechselsystem für minimal invasive Eingriffe steht daher schon seit Langem auf der Wunschliste der Chirurgen. Deshalb entstand im MAVO-Projekt»Whole O Hand«ein System zum automatischen Austausch minimal invasiver Instrumente während einer Operation, kurz IWS. Das von Medizintechnikern und Maschinenbauern konzipierte System basiert auf der kapselförmigen Ausführung der laparoskopischen Instrumente. Die Kapselform erlaubt den automatisierten Austausch der Instrumente durch ein Hydrauliksystem, ohne insgesamt die Baugröße konventioneller Instrumente zu überschreiten. Durch ein Revolvermagazin können bis zu fünf verschiedene Instru - mentenkapseln außerhalb des Körpers positioniert werden. Je nach ausgewähltem Instrument wird der Instrumenten speicher so lange gedreht, bis die entsprechende Kammer mit dem permanent im Körper verbleibenden Arbeitskanal fluchtet. Die Kapsel wird hydraulisch bis an das distale Ende des Kanals vor - geschoben. Beim Austausch sorgt ein Unterdruck im Hydrau lik - system für das Rückholen der Kapsel in den Instrumenten - speicher und der Vorgang für das neu ausgewählte Instrument kann von vorne beginnen. Das hydraulische System spielt dabei aber nicht nur beim Instrumentenwechsel, sondern auch als Antriebsmechanismus der Greifkinematik des Effektors eine wichtige Rolle: Hierfür wird die Kapsel bis zum distalen Ende des Arbeitskanals gegen einen Anschlag bewegt. Eine weitere Erhöhung des Drucks bewegt in der Instrumentenkapsel einen Hydraulikkolben, dessen Bewegung mittels eines Getriebes auf den Effektor übertragen wird und ihn schließt (Abbildung II). Für den Patienten verläuft die Operation durch die Verkürzung der Operationszeit weitaus schonender. Durch die verbesserte Konzentration des Chirurgen und die dadurch reduzierte Fehler - häufigkeit sinkt zudem das Operationsrisiko. Insgesamt wird also die Operationsqualität für den Patienten erheblich verbessert. Bisher wurde im Rahmen des Forschungsprojekts die mögliche Realisierung dieses hydraulischen Wechselprinzips durch erste Testreihen und -versuche bestätigt. In Zukunft soll das IWS hinsichtlich der Größe und des Gewichts optimiert und durch eine einfache, sterile Entlüftung ergänzt werden. Abschließendes Ziel des Projekts ist die gemeinsame Produktentwicklung des IWS mit Partnern aus der Medizintechnikindustrie Deutschlands

35 Drahtloses endoskop m E H R B E w E g U N g S F R E I H E I T F Ü R d E N c H I R U R g E N DIe»tIssue-FabrIK«haut aus Dem automaten Der Übergang von der konventionellen zur Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) stellt einen bedeutenden Trend in der modernen Medizin dar. Die Möglichkeiten der MIC wurden schon immer durch den technischen Fortschritt und durch Innova - tionen geprägt. Qualität und Verlauf von Operationen sind besonders von den eingesetzten Instrumenten und hier vor allem dem Endoskop als bildgebendem Element abhängig. Mit der Entwicklung einer Endoskopie der nächsten Generation leistet das Fraunhofer IPA bereits seit Jahren einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssteigerung. Endoskope werden im Operationssaal über einen Lichtleiter an eine Lichtquelle und über ein weiteres Kabel an den Video - prozessor angeschlossen. Diese Kabelverbindungen schränken jedoch erheblich die Ergonomie und Handhabung des Endos - kops sowie die Bewegungsfreiheit im OP ein. Außerdem verlängert sich durch die Installation der Verbindungen und das Applizieren steriler Einweghüllen über die Kabel die Zeit für die OP-Vorbereitung. Darüber hinaus stellt die Verkabelung ein hygienisches Risiko dar. Ein drahtloses Endoskop steht daher schon seit Längerem auf der Wunschliste von Chirurgen. Am Fraunhofer IPA wurde ein Funktionsmuster eines solchen kabellosen Endoskops entwickelt. Die störungsfreie und geschützte Übertragung hochaufgelöster Bilder ist eine besondere Herausforderung. Damit das Auf nah - mefeld ausreichend beleuchtet wird, werden leistungsstarke Leuchtdioden eingesetzt. Dennoch entstehen bei dieser Variante der Beleuchtung Verluste, die in Form von Wärme über ein speziell hierfür konstruiertes Gehäuse abgeführt werden. Um mit konventionellen Energiespeichern eine ausreichende Operationsdauer zu realisieren, sind alle verwendeten Bau - elemente möglichst stromsparend ausgelegt. Eine weitere Hürde stellt die sichere Echtzeitübertragung der Signale ohne Qualitätsverlust dar. Gerade im Operationssaal mit vielen Störquellen ist dies eine besondere Herausforderung, die der Prototyp bereits sehr gut meistert. Für den Chirurgen ergibt sich durch das neuartige Instrument eine deutlich bessere Handhabung. Positions- und Haltungswechsel während einer Operation sind einfacher und barrierefrei möglich. Bedingt durch das geringe Gesamtgewicht ist ein Eingriff für den Operateur zudem weniger ermüdend. In Zukunft ist die Verwendung einer Tip-Chip-Kamera geplant, um die Beleuchtung und Bildqualität weiter zu verbessern. Der dadurch gewonnene Raum kann für die Integration einer Positionserkennung genutzt werden, um dem Operateur eine noch bessere Orientierung zu ermöglichen. Haut aus einem Automaten davon träumen Pharmakologen, Chemiker und Mediziner schon lange. Die Forschung hat einen enormen Bedarf an»hautmodellen«: Mit ihrer Hilfe lässt sich feststellen, ob Cremes und Seifen, Putzmittel, Medikamente und Pflaster»hautverträglich«sind, ob die Produkte beim Kon - sumenten Reizungen oder allergische Reaktionen hervorrufen. Die Ergebnisse der Tests gelten als aussagekräftig und können Tierversuche in Zukunft größtenteils überflüssig machen. Doch künstliche Haut ist rar: Die herkömmliche manuelle Pro - duktion im Labormaßstab ist aufwändig. Derzeit gelingt es selbst etablierten internationalen Unternehmen nicht, pro Monat mehr als 2000 Hautstückchen von jeweils einem Quadratzentimeter Größe herzustellen. Mit einem Jahres be - darf von mehr als 6,5 Millionen Stück allein im EU-Raum ist die industrielle Nach frage jedoch weit höher als alle derzeit vorhandenen Produk tionskapazitäten. Außerdem verursachen manuelle Einflüsse in den langwierigen Arbeitsprozessen starke Qualitätsunter schiede bei den produzierten Hautmodellen, sodass Tests auf deren Basis nicht immer aussagekräftig sind. Ende 2010 wurde im BioPoLiS des Fraunhofer IPA weltweit erstmals eine vollautomatisierte Anlage zur Produktion von Haut im Hochdurchsatz in Betrieb genommen. Die»Tissue- Fabrik«entwickelte und realisierte in den vergangenen drei Jahren ein Team vom Fraunhofer IPA und dem Fraunhofer IPT zusammen mit den biologischen Experten vom Fraunhofer IGB und Fraunhofer IZI. Das Projekt wird von der Fraunhofer-Zu - kunftsstiftung finanziert. Die Gesamtproduktionsanlage besteht aus drei auch separat einsetzbaren Modulen: Der Zellextraktion, der Zellexpansion sowie der Gewebezuchtstation. Diese drei Module bilden den gesamten Prozess von der Zellgewinnung über die Zellvermeh - rung bis zum fertigen dreidimensionalen Hautmodell ab. Der gesamte Produktionsprozess dauert knapp sechs Wochen, wo - bei die Kultivierung des dreidimensionalen Gewebes mit drei Wochen den Löwenanteil für sich in Anspruch nimmt. Die Anlage produziert in der momentanen Konfiguration einen maximalen Durchsatz von 5000 Hautmodellen im Monat bei Herstellkosten von ca. 30 pro Hautmodell. Dies ist nur ein Bruchteil der manuellen Herstellungskosten. Der Prozess wird in der Anlage so getaktet, dass jedes Hautmodell hinsichtlich der Abläufe und der Bearbeitungszeiten genau gleich behandelt wird. Damit wird eine hohe Reproduzierbarkeit der automatischen Herstellung erreicht. Durch ein geschicktes Sterili - tätskonzept mit einem komplett abgeschlossenen Betrieb der Anlage unter Reinraumbedingungen und dem Einsatz neuer Sterilisationsverfahren ist die Gefahr von Kontaminationen mit Bakterien oder Pilzen sehr gering. Das Fraunhofer IPA entwickelte im Projekt die Gewebezucht - station, das Gesamtanlagenlayout sowie die Gesamtanlagen - steuerung und Software. Diese Stationen machen die Anlage flexibel, sodass verschiedene Herstellungsprotokolle abgebildet werden können und damit die Herstellung verschiedener Varianten von Geweben möglich wird. Auch die Möglichkeit eines Upscalings der Produktionskapazität im Gewebezucht - modul ist gegeben. Ebenfalls am Fraunhofer IPA wurde eine neue Lösung zur Kryokonservierung von Zellen erarbeitet. Um eine möglichst hohe Überlebensrate der Zellen bei der Kry o - konservierung zu erhalten, ist es wichtig, dass definierte Einfrierprotokolle präzise eingehalten werden. Automatisierte Lösungen existieren derzeit lediglich in Form von Stand-alone- Kryogeräten mit einer unpräzisen Regelung des Temperatur - verlaufs beim Einfrieren. Am Fraunhofer IPA ist es gelungen, eine Regelung der Temperaturverläufe zu erarbeiten, die ak - kurate Temperaturverläufe direkt an den Zellproben ermög

36 1 2 lichen. In einem nächsten Schritt wird es somit möglich, dass überschüssige Zellproben aus der Produktionsanlage mittels Kryokonservierung eingelagert werden können, um bei Bedarf wieder in den Prozess eingeschleust und weiterverarbeitet zu werden. Die»Tissue-Fabrik«wird Anfang 2011 erprobt. Dabei werden die ersten Schritte unternommen, um den Herstellungsprozess zusammen mit Partnern aus der Industrie zu validieren und die Anlagentechnik auf den Markt zu bringen. Die durch das Projekt entstandenen Möglichkeiten für die wirtschaftliche und industrielle Verwertung sind vielversprechend und bieten Unternehmen die Chance zum Einstieg in einen neu entstehen - den und stark wachsenden Zukunftsmarkt. Die Anknüpfungs - möglichkeiten sind vielfältig und bestehen dabei von der Aus - lizenzierung von Teiltechnologien und Teilaspekten bis hin zu Partnerschaften zur Vermarktung und Weiterentwicklung der Gesamtanlagentechnik. autranomics Eine funktionierende Gentherapie für Erbkrankheiten oder tumoröse Erkrankungen ist eine der medizinischen Heraus for - derungen des 21. Jahrhunderts. Das menschliche Genom ist mittlerweile entschlüsselt die Funktionen der durch das Genom kodierten Proteine, welche die Prozesse innerhalb der Zelle regeln und ausführen, sind aber erst in Bruchteilen er forscht. Diese Proteinfunktionen stellen den Schlüssel zum Verständnis von Krankheiten dar. Bei Tumorerkrankungen beispielsweise spielt die Regulation der Zellteilung eine zentrale Rolle. Die systematische Analyse dieser Proteinfunktionen ist daher die Grundvoraussetzung zum Verständnis für die Entstehung und Behandlung dieser Erkrankungen. Die Fraunhofer-Gesellschaft und die Max-Planck-Gesellschaft ent - wickeln gemeinsam eine automatisierte Anlage zur systematischen Analyse von Proteinen, welche die Teilung von Zellen steuert. Hier werden transfizierte Zellen (d. h. Zellen mit fremder Erbinformation) vollautomatisiert kultiviert, überwacht, gegebenenfalls selektiert und für entsprechende manuelle Versuche vorbereitet. Dadurch kann eine hohe Anzahl von Proteinen untersucht werden und führt zu reproduzierbareren Ergebnis - sen bei der nachfolgenden Analyse der Proteinfunktionen. Am Fraunhofer IPA in Stuttgart wurde gemeinsam mit dem Fraunhofer IPM in Freiburg (optische Einheit) und dem Fraunhofer FIT (Bildverarbeitung) in St. Augustin erstmalig eine Anlage entwickelt, die vollautomatisch alle notwendigen Handhabungs - schritte erfüllt. Dabei waren die Anforderungen im Speziellen: Optische Erkennung, Selektion und anschließende Auf - nahme durch ein sensibles Koloniepicking, Umbettung und Expansion der erfolgreich transfizierten Zellen bzw. entstandenen Zellkolonien Regelmäßiges Monitoring unter Zellkulturbedingungen (37 C, 5 % CO², >95 % r. F.) Durchgehend absolut sterile Prozessführung Kultivierung der Zellen in Mikrotiterplatten, d. h. Medien - wechsel und Passagen in Kleinstmengen, aber im Hochdurchsatz Die Hauptherausforderung war hierbei das automatische Ver - einzeln der Zellkolonien oder des Picking-Prozesses innerhalb des Gesamtsystems. Die gelungene Isolierung der erfolgreich transfizierten Zellen stellt die Grundlage dar, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Realisiert wurde dies durch einen neu entwickelten Cell Picker, der durch eine Hohlnadel und aufgesetzte optische Überwachung eine ge - zielte Isolation erlaubt. Durch die weitere Kultivierung stehen in großem Maßstab transfizierte Zellkulturen zur Verfügung, um biologische Versuche durchführen zu können. Im nächsten Schritt werden am Fraunhofer IPA der biologische Prozess an der Anlage verifiziert und die Anlage qualifiziert. Anschließend wird die Anlage an das Max-Planck-Institut nach Dresden geliefert, an dem die biologischen Proteinunter su - chun gen stattfinden. 1 Gesamtlayout der Anlage 2 Cell Picker zur Selektion von transfiziertem biologischen Material 68 69

37 reinst- und mikroproduktion groß in Sachen»klein und rein«222 Projekte, davon 21 geförderte Projekte aus europäischen Rahmenprogrammen so lautet die stolze Bilanz der Abteilung»Reinst- und Mikroproduktion«, die mit ihren 44 Mitarbeitern die größte Abteilung des Fraunhofer IPA bildet. Die Aufgaben waren dabei so vielfältig wie die Branchen, aus denen sie an die Ex perten herangetragen wurden: Reinraumtauglichkeits - unter suchungen von kleinen Betriebsmitteln wie Stiften bis hin zu einem vier Meter hohen Bandfördergerät, Abstimmung der Supply-Chain-Planning-Prozesse zwischen Automobil- und Halb leiter industrie, die Verfahrensentwicklung zur Verkapselung eines Sensorchips auf Substraten im Bereich der Medizintechnik oder auch beispielsweise die Schulung von Personal in konta - minationskritischen Fertigungsbereichen. Seit Anfang des Jahres standen der Abteilung dazu modernisierte Reinräume ab ISO-Klasse 1 inklusive eines 120 m² großen Schwerlastrein - raums mit einer Raumhöhe von sechs Metern zur Verfügung. Dieser erlaubte es, die stetig größer werdenden Produktions - anlagen komponenten, z. B. aus der Photovoltaik oder der Flachbildschirmherstellung, reinheitsgerecht zu optimieren und zu qualifizieren. Zudem entstehen aktuell weitere Labor - flächen, darunter ein S2-Life-Science-Labor sowie ein Labor für Photovoltaikprozesse, die im Sommer 2011 in Betrieb genommen werden können. Die Abteilung ist in zahlreichen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen, Verbünden und Gremien tätig, in denen Stan - dards und Richtlinien für produktionsrelevante Aspekte erarbeitet werden. So konnten 2010 die Entwürfe zur ISO und -9 bezüglich der Oberflächensauberkeit in reinen Fertigungen verabschiedet werden. Zudem entstanden unter Leitung des Fraunhofer IPA das VDI 2083 Blatt 17 bezüglich der Rein raum - tauglichkeit von Werkstoffen (Prüfverfahren und Klassifizie rungs - system) sowie das Blatt 18 bezüglich der Prüfverfahren von Biokontaminationen. Darüber hinaus wurde auf Basis der Er - gebnisse des vom Fraunhofer IPA koordinierten und fachlich geleiteten Industrieverbunds MontSa (Montagesauberkeit) der neue VDA-Band 19 Teil 2 mit dem Titel»Technische Sauberkeit in der Montage Umgebung, Logistik, Personal und Montage - einrichtungen«veröffentlicht. Nicht nur in Standardisierungsaktivitäten war die Abteilung maßgeblich beteiligt. Mit dem universellen Verschlussventil»IPA.VALVE«gewannen Dirk Schlenker und Dr. Nabih Othman den Fraunhofer IPA Innovationspreis Ihre Entwicklung er möglicht das Dosieren von Flüssigkeiten ohne das unerwünschte Nachtropfen (siehe Beitrag S. 82). Im November verzeichnete die Abteilung zwei weitere hervorragende Leistungen ihrer Mitarbeiter: Markus Rochowicz und Günther Schmauz promovierten innerhalb kürzester Zeit jeweils mit der höchsten Auszeichnung»summa cum laude«. Markus Rochowicz promovierte zum Thema»Filterzentrifuge zur gravi - metrischen Analyse von Partikeln in Suspensionen«und Günther Schmauz zu»verfahren zur Klassifizierung von Partikeln in der Automobilindustrie mittels Luminiszenz spek troskopie«. Für das Jahr 2011 sind bereits einige Highlights greifbar. Der Bau eines Reinraums in Bukarest, Rumänien, für eine LED-Ferti - gung soll noch in diesem Jahr abgeschlossen werden. Zudem steht zukünftig auf dem Dach des eigenen neuen Reinraum ge - bäudes auf dem Stuttgarter Institutscampus eine Freibewitte - rungsfläche für Tests von Photovoltaikanlagen, z. B. deren Reinigung, zur Verfügung. Vor allem in den Bereichen der Nanotechnik, Photovoltaik sowie Medizintechnik erwartet die Abteilung verstärktes Interesse am bislang ungeklärten oder vernachlässigten Bedarf an Kontaminationsprävention. Erste Fragestellungen werden von der Abteilung bereits bearbeitet. Dabei setzt sie vor allem weiterhin auf ein interdisziplinäres Team aus Naturwissenschaftlern, Ingenieuren, Informatikern, Biologen und Verfahrenstechnikern, auf kurze Wege, Kommunikation und auf eine in dieser Kombination einzigartige Infrastruktur. dr. Udo gommel Telefon

38 InDustrIeverbunD»hanDhabung In Der PhotovoltaIK«Ausgangsituation was sind die Rahmenbedingungen? Die umweltfreundliche Energieerzeugung durch Photovoltaik - module steht derzeit im Mittelpunkt von zahlreichen Diskus - sionen. Grund sind die vergleichsweise hohen Einspeisever gü - tungen. Kritiker befürchten dadurch einen weiteren Anstieg der Stromkosten. Das Fraunhofer IPA arbeitet intensiv daran, die Produktion von Photovoltaikmodulen zu verbessern, um somit zur Kostensenkung beizutragen. Über 90 Prozent aller gegenwärtig installierten Photovoltaik - module bestehen aus kristallinen Solarzellen. Diese Solarzellen werden auf Substraten (so genannten Wafern) aus hochreinem Silizium prozessiert. Dabei stellt der Wafer derzeit Prozent der Kosten eines Solarmoduls dar. Grund dafür sind die hohen Materialkosten des hochreinen Siliziums und die aufwändige Weiterverarbeitung zu Wafern. Heutige Wafer sind quadratisch mit einer Kantenlänge von 156 mm. Die Dicke beträgt dabei µm. Das entspricht in etwa der Dicke einer Visitenkarte. Im Gegensatz zu einer solchen Visitenkarte aus starkem Papier ist der Wafer jedoch äußerst spröde und unflexibel. Bei Überbeanspruchung bricht dieser, was einen finanziellen Verlust von mehr als zwei Euro bedeutet. Einen solchen Totalverlust gilt es jedoch unbedingt zu vermeiden, da er unter Umständen zu einer Unterbrechung der laufenden Produktion führen kann und die ist in modernen Fertigungen sehr schnell. Bis zu einem Wafer pro Sekunde laufen derzeit durch verkettete und hochautomatisierte An - lagen. Vor diesem Hintergrund stehen die gegenwärtigen Auto matisierungsansätze in der Volumenfertigung von kristallinen Solarzellen vor der Herausforderung, die sensiblen und fragilen Wafer und Solarzellen beeinflussungsarm durch die Fertigung zu bewegen. Das Fraunhofer IPA baut im Rahmen von Projekten und In - vestitionsmitteln sein Test- und Entwicklungslabor PV-Lab weiter aus. In dieser Einrichtung werden derzeit verschiedene Projekte für Hersteller und Zulieferer der Photovoltaikindustrie durchgeführt. was ist der Nutzen für die Industrie? Diese Frage kann das Fraunhofer IPA einfach beantworten: Das Institut will sowohl bei den Kunden als auch bei den Mitar - beitern selbst das Verständnis für Vorgänge bei der Hand ha - bung dünner und fragiler Substrate aktiv verbessern. Um dies auch detailliert und kundenorientiert zu ermöglichen, werden neben Industriekooperationen auch geförderte Forschungs - projekte und interne Mittel eingesetzt. Das vertiefte Verständnis der Handhabungsvorgänge kann dem Nutzer in unterschiedlichen Bereichen helfen: Dem Anwender wird es ermöglicht, Handhabungsverfahren und Handhabungskomponenten zu bewerten. Die Abnahme von Handhabungssystemen wird für beide Parteien vereinfacht. Der Lieferant wird unterstützt, neue, auf zukünftige Anforde - rungen ausgerichtete, Handhabungsverfahren zu entwickeln. Komponenten und Handhabungssysteme können hersteller - unabhängig und neutral durch das Institut getestet, zertifiziert und optimiert werden. Somit können die wesentlichen Akteure in der PV-Handhabung eine detaillierte und zielgerichtete Unterstützung ihrer Tätig - keiten durch das Fraunhofer IPA erwarten. welche Ergebnisse liegen schon vor? Im PV-Lab der Forschergruppe wurden bereits umfangreiche Analysen von typischen Anwendungsfällen mit volumenproduktionstauglichen Handhabungssystemen der Zellfertigung durchgeführt. Angefangen wurde mit der Untersuchung von verschiedenen Greifern und der zugehörigen Pick-and-Place- Operationen. Inzwischen sind über 20 verschiedene Greifer - typen getestet und ausgewertet worden. Vorgelagert zum Pick-and-Place-Vorgang kommt der Anwen - dungsfall zum Tragen, die Vorvereinzelung des Waferstapels. Dies ist typisch für den Beginn einer Produktionslinie. Hier werden die Wafer im Stapel in eine Aufnahme eingelegt. Da - bei wurden bereits neben den Stellgrößen»Betriebsdruck«und»Geschwindigkeit«die verschiedenen Materialien und die Ausprägung der Seitenwände der Aufnahme getestet. Ebenso liegen detaillierte Ergebnisse zum optimalen Typus, der Anzahl als auch der Position der verwendeten Düsen vor. Zusätzlich werden verschiedene Förderbänder sowie das Ein horden und Aushorden in den Carrier mit vorgelagerter Aus richteinheit für den Wafer untersucht. Neben der Unter - suchun g der wesentlichen Parameter mit Sensoren wird zusätzlich das Schädigungspotenzial der einzelnen Systeme für die fragilen Handhabungssubstrate mit Hilfe eines Systems zur Untersuchung von Mikrorissen und einer Hochgeschwin - dig keitskamera analysiert. wie ist das weitere Vorgehen? Die Ingenieure im PV-Lab haben den Ausbau und die Weiter - entwicklung fest im Blick. Anfang 2011 kommen zwei neue Anlagen hinzu. Auf einem Teststand werden die Einflüsse von Förderbändern auf die Wafer und deren Position untersucht. Besonders der Versatz ist ein Problem, welcher beispielsweise bei Übergängen zwischen Förderbändern oder bei der Ablage von Wafern entsteht. Ein solcher Versatz muss an spezifischen Stellen wieder korrigiert werden. Dies kann entweder mit passiven Führungselementen oder mit aktiven Ausrichteeinheiten erfolgen. Ersteres ist einfach zu realisieren, birgt aber die Gefahr der Waferschädigungen durch Stöße. Das aktive Ausrichten bedarf wiederum entsprechender Sensorik und Aktorik, was die Kosten der Automatisierung weiter erhöht. Als zweite Anlage wird eine Handhabungsplattform mit einer Deltakinematik integriert. Damit wird es möglich sein, Takt - zeiten von unter einer Sekunde pro Wafer zu realisieren. Gleich - zeitig sollen das Beschleunigungsverhalten und die Flexibilität der Ablage weiter verbessert werden. danksagung Die Arbeiten im PV-Lab wurden in den vergangenen Jahren mit Mitteln aus dem Projekt»HighSol«im 6. Rahmenprogramm der Europäischen Union unterstützt. Diese Arbeiten werden im Rahmen eines Industrieverbunds fortgeführt. Das Fraunhofer IPA bedankt sich dafür bei den folgenden Firmen: ABB, ACIecotec, Bosch Rexroth, Centrotherm, Elma, Festo, Q-Cells, Rena, Sovello

39 manucloud d I E m A N U FA c T U R I N g - A S - A - S E RV I c E - U m g E B U N g d E R N ä c H S T E N g E N E R AT I O N Vision und mission Der Paradigmenwechsel von der Massenfertigung zur personali - sierten, kundenspezifischen und umweltverträglicheren Ferti - gung gilt als vielversprechender Ansatz, um die Wettbewerbs - fähigkeit der europäischen Fertigungsindustrie zu verbessern und zu sichern. Eine wichtige Voraussetzung dafür sind agile IT-Systeme, die die notwendige Flexibilität bieten von der Ebene der Produktionsnetzwerke über die beteiligten Fabriken bis hin zur Prozessebene in diesen Fabriken. Das Projekt ManuCloud des»seventh Framework Programme for Research and Technological Development«(FP7) der EU untersucht, wie die Systeme der produktionsnahen IT diesen Übergang bestmöglich unterstützen. Dabei entwickelt und er - probt ManuCloud eine IT-Infrastruktur, die Szenarien zur be - darfsorientierten Fertigung (»on demand«) wesentlich vereinfacht. Über ein»cloud«-basiertes Architekturkonzept stehen Nutzern konfigurierbare, virtualisierte Ressourcen aus virtuellen Produktionsnetzwerken zur Verfügung, die föderierte Fabriken integrieren und durch eine Reihe von Software-as-a-Service- Anwendungen unterstützt werden. Anwendungsfelder und Einfluss Als initialen Anwendungskontext für die ManuCloud-Konzepte und -Technologien wurden drei Branchen ausgewählt: die (organische) Photovoltaikindustrie, die organische Beleuchtungs - industrie und die Automobilzulieferindustrie. Die Implementie - rung der ManuCloud-Infrastruktur für die Photovoltaikin dustrie wird, insbesondere für die Anwendung der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV), neue Geschäftsmodelle ermöglichen und dadurch zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Photovoltaikindustrie beitragen. Obgleich sich der Markt für organische Beleuchtungssysteme zum aktuellen Zeitpunkt noch in einer früheren Entwicklungsphase als der Markt für Photovoltaiksysteme befindet, erwarten Marktforscher innerhalb weniger Jahre ein Marktvolumen in der Größenordnung von mehreren Milliarden US-Dollar. Die besonderen Eigen - schaf ten organischer Beleuchtungssysteme, insbesondere die Möglichkeit zum Aufbau diffuser Großflächenleuchten mit anpassbarem Farbspektrum, lässt die Entwicklung zahlreicher neuer Anwendungen erwarten, die hochgradig kundenspezifisch sind. Das Projekt wird die ManuCloud-Infrastruktur im Kontext der Fertigung kundenspezifischer, organischer Be - leuchtungssysteme evaluieren. Neben diesen eher strategischen Anwendungsgebieten soll das Projekt unmittelbare Auswirkun - gen auf die Automobilzulieferindustrie entfalten. Die Fähigkeit, Software-Systemen auf Fabrikebene schnell neue Funktionen hinzuzufügen, um Produktionssysteme schneller an sich än - dernde Anforderungen anpassen zu können, spielt in dieser Industrie eine zunehmend wichtige Rolle. Bei den heute verbreitet eingesetzten Software-Architekturen führen solche Änderungen zu einem exponentiellen Wachstum der Kom plexi - tät und damit zu zusätzlichen Projektrisiken, zu Verzögerun gen beim Anlauf, zu unnötigen Kostensteigerungen und einem erhöhten langfristigen Wartungsaufwand. FuE-Ansatz Das Projekt ManuCloud verfolgt die Lösung dieser Problem - stellungen auf drei Ebenen: der Produktions-IT innerhalb der einzelnen Fabriken (»Intra-Factory-Umgebung«), der Integra - tionsumgebung föderierter Fabriken (»Inter-Factory-Umgebung«) und der Entwicklung konfigurierbarer PV/OLED-Produkte bzw. entsprechender virtueller Produktionsnetzwerke auf Basis der ManuCloud-Infrastruktur. Die Intra-Factory-Umgebung umfasst alle produktionsnahen IT-Systeme einer Fabrik und bildet die Grundlage zur Integration der Fabrik in die Inter-Factory-Um - gebung. Eine Schicht oberhalb der Automatisierungssysteme wird sowohl die Beschreibung und das automatisierte Auf - finden von Diensten als auch deren Management und Orches - trierung unterstützen und damit die Entwicklung und Installa - tion neuer Dienste auf Fabrikebene beschleunigen. Die Im ple - mentierung der Dienste und ihrer Beschreibung auf der Ebene der Automatisierungssysteme wird als integraler Bestandteil des Engineering-Prozesses dieser Systeme behandelt und durch intelligente Komponenten unterstützt. Dadurch wird insbesondere die Konsistenz zwischen den Diensten und ihren elektronisch auswertbaren Beschreibungen sichergestellt. Die Inter-Factory-Umgebung stellt einen Marktplatz für virtualisierte Fertigungsdienste dar und ermöglicht die einfache, be - darfsorientierte Verknüpfung mehrerer Fabriken in virtuellen Produktionsnetzwerken. Die Inter-Factory-Umgebung bietet dazu u. a. ein fabrikübergreifendes Spezifikationsmanage ment, die Möglichkeit zum Datenaustausch von Produktionsdaten zwischen Fabriken, Mechanismen, die die vollständige Trace - ability für Produkte, die in den virtuellen Produktionsnetz werken hergestellt werden, sicherstellen und Mechanismen zum verteilten Qualitätsmanagement. Das Front-end der Inter-Factory- Umgebung ermöglicht die dynamische Konfiguration virtueller Produktionsnetzwerke und bietet Schnittstellen für Produkt kon - figuratoren, die durch Produktdesign- und Fertigungsbera tungs - systeme unterstützt werden und Endanwender in den Design- Prozess der herzustellenden Produkte involviert. Weitere Informationen unter:

40 1 2 3 manucyte I N T E l l I g E N T E, m O d U l A R E A U T O m AT I O N S P l AT T F O R m F Ü R E I N E F l E x I B l E, PAT I E N T E N S P E z I F I S c H E k U lt I V I E R U N g U N d P R O d U k T I O N V O N z E l l E N Ausgangssituation Die rasante Entwicklung von Methoden in der personalisierten Medizin von der Zelltherapie bis hin zu patientenspezifisch abgestimmten Medikamenten erschließt ein großes Potenzial, die Behandlungsmethoden für eine Vielzahl von Krankheiten zu revolutionieren. Um dieses Potenzial voll ausschöpfen zu können, ist es notwendig, menschliche Zellen in industriellem Maßstab patientenspezifisch zu kultivieren und zu produzieren. Heutzutage finden die personalisierte Zellproduktion und -kulti- vierung hauptsächlich manuell oder unterstützt durch Teilauto - matisierungen in Laboren statt. Das macht die Ergebnisse der Zellkultivierung in hohem Maße vom Faktor Mensch abhängig, was Einfluss auf die Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Effi - zienz der Prozesse hat und wodurch eine gleichbleibend hohe Qualität der Prozesse praktisch unmöglich wird. konzept Um dem entgegen zu wirken und die personalisierte Zellproduk - tion für eine breite Palette von Anwendungen, wie die personalisierte Medizin, zugänglich zu machen, beschäftigt sich dieses von der Europäischen Union geförderte Forschungs - projekt mit der Entwicklung einer Automationsplattform für die flexible, patientenspezifische Zellkultivierung, die es er - möglicht, die Effizienz der personalisierten Zellproduktion in Bezug auf Qualität, Durchsatz und Kosten zu steigern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedenste innovative Technologien und Ansätze kombiniert: Eine Mikro-Fluidik-Komponente, die für jede Zellkultur eine spezifisch abgestimmte Nährmedium-Zusammensetzung zur Verfügung stellt. Bioreaktoren (Zellbehälter) mit integrierter Sensorik, die für hochautomatisierte Prozesse geeignet sind, und die dazugehörige Inkubationskomponente. Die Anwendung von kostenneutralen Reinraum- und Sterili - sierungskonzepten, um die Zellkulturen sowohl zur Umge - bung als auch untereinander kontaminationsfrei zu halten; dazu gehört auch die Entwicklung von flexiblen Verbindern zwischen Fluidik und Bioreaktoren, die den Sterilitätsan - forderungen entsprechen. Optische und biochemische Zellüberwachung zur Laufzeit, die die Bewertung des Zellstatus während des Kultivierungs - prozesses ermöglicht. Ein MES (Manufacturing-Execution-System) mit LIMS (Labo r - informations- und Managementsystem)-Funktionalitäten für die Steuerung der Automationsplattform, an das ein selbstlernendes, wissensbasiertes Zellmodell gekoppelt ist. Da - durch wird die automatische Optimierung der Zellkultivie - rungsprozesse ermöglicht. Ein modulares und skalierbares, auf Plug-ins basierendes Konzept für den Aufbau der Automationsplattform, das eine flexible Zusammenstellung der Funktionalitäten und Erweiterung der Kapazitäten sowie eine schnelle Inbetrieb - nahme ermöglicht. Eine Basis für die Entwicklung dieses Systems kann u. a. der am Fraunhofer IPA entwickelte µproductiontower bilden. Das modulare Anlagenkonzept zieht die bisher meist ungenutzte Raumhöhe mit ein. Entgegen der konventionellen Linienan - ordnung sieht der Lösungsansatz das Anordnen der applika - tionsspezifischen Prozesse übereinander vor. Ein wesentliches Merkmal der als Konzeptstudie realisierten Anlage sind neben - einander angeordnete, vertikale Funktionssäulen für die Durch - führung der Prozesse (bzw. Bearbeitung der Produkte), den Transport der Produkte, die Materialzuführung und die Steue - rung. Das innovative Anlagenkonzept des µproductiontowers zeichnet sich besonders durch seine hohe Flexibilität, unterschiedliche anwendungsspezifische Funktionsmodule zu integrieren, und durch seine mögliche Skalierbarkeit aus. Es eignet sich insbesondere für Applikationen mit sich wiederholenden Prozessschritten und erforderlicher definierter Prozessum - gebung sowie bei kleinen und mittleren Stückzahlen. Das An - wendungsspektrum reicht von der Montage individueller mikround nanotechnischer Produkte über die Prüfung von mikrotechnischen Baugruppen bis hin zur Analyse von Produkten aus dem Life-Science-Bereich. Um eine effiziente Anwendung dieser Technologien und An - sätze zu verwirklichen, setzt sich das Konsortium aus Spezia - listen verschiedener Branchen wie Zellmonitoring, Zellkulti vie - rung, Bioprozesstechnik, Reinheit und Sterilität, Mikrofluidik, Automatisierung und Softwareentwicklung zusammen. Auch intern ist das Projektteam, in dem sich viele Kompetenzen des Fraunhofer IPA bündeln (z. B. Prozessautomatisierung, Produktions-IT und Reinraumtechnik), abteilungsübergreifend zusammengestellt. Ausblick Das Projekt ManuCyte startete im Mai In den folgenden drei Jahren wird ein Funktionsmuster der flexiblen Automa tions - plattform für die patientenspezifische Zellproduktion entwickelt. Damit soll der Stand der Technik für Automations lösungen in der personalisierten Medizin durch die im Projekt entstehenden Innovationen und Entwicklungen vorangetrieben werden. 1 Fokus des Projekts: Realisierung patientenspezifischer Zellkultivierung im industriellen Maßstab 2 Sich ändernde Zellzustände, die von der ManuCyte-Plattform erkannt und geregelt/optimiert werden sollen 3 Prinzip des µproductiontowers 76 77

41 reinheitskontrolle und reinigung von medizinprodukten Vielfältige medizintechnische Produkte müssen empfindliche Anforderungen bezüglich der Freiheit von kritischen Rückständen erfüllen, um Risiken bei deren Gebrauch mit einem hohen Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit auszuschließen. Im Regelfall müssen zur Prozess- und Produktcharakterisierung kleinste Mengen von chemischen Rückständen analytisch erfasst werden. Konnte die notwendige Reinheit durch die angewandte Reinigungsmethode bewerkstelligt werden? Gibt es alternative Reinigungsverfahren, welche zu einem besseren Ergebnis führen? Wie kann der Reinigungserfolg analytisch erfasst werden? Zur Bearbeitung und Klärung solcher Fragestellungen hat die Ab - teilung»reinst- und Mikroproduktion«ihre Analyseverfahren gezielt weiterentwickelt und die bestehenden aufwändigen Verfahren durch semiquantitative, schnelle und trotzdem leistungsfähige Tests für Vergleichs- und Reihenuntersuchungen zur Vermeidung teurer, aufwändiger Verfahren ergänzt. Problemstellung und lösungsansatz Generell stellen Kavitäten mit einem extremen Aspekt-Ver hält nis Länge zum Durchmesser besondere Anforde rungen an das zu verwendende Reinigungsverfahren. Exemplar ische Bau teile aus der Medizintechnik sind dabei u. a. Fixie rungen für die Unfallchirurgie, spanend hergestellte Führungen für Endos kope und Kanülen jeglicher Art. Aktuell werden solche Bau teile einer mehr oder minder aufwändigen Ultraschall reini gung unterzogen. Ein in der Abteilung Reinst- und Mikropro duktion entwickeltes Reinigungsverfahren mit überkritischem Kohlen stoffdioxid stellt sich als äußerst effektives alternatives Werk zeug zur Reinigung von Kavitäten dar. Um aber eine Aussage über die Leistungs - fähigkeit dieses am Fraunhofer IPA patentierten Reinigungs ver - fahrens gegenüber klassischen Methoden treffen zu können, bedarf es einer entsprechend leistungs fähigen Analytik. Im Folgenden werden drei in der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion angewandte Testmethoden exemplarisch aufgezeigt, welche unter anderem zur Demonstration der Reinigungseffizienz der Kavitätenreinigung durch CO 2 angewendet werden. Analytik organischer Rückstände durch Thermoextraktion Durch die am Fraunhofer IPA etablierte hochsensitive Methode der Thermoextraktion können organische Rückstände mit einem Siedepunkt der einzelnen Substanzen bis 300 C quantitativ im Nanogrammbereich erfasst werden. Zum Einsatz kommt die TD-GC/MS-Analytik. Dabei werden die Prüflinge in verschiedenen Mikrokammern bis auf 300 C erhitzt, sodass ein Trägergasstrom die verdampfenden organischen Verunreini - gungen auf einen Adsorber überführen kann. Die auf der Ad - sorbermatrix festgehaltenen Komponenten werden anschließend durch einen Thermodesorber (TD) in einen Gaschromatograph (GC) überführt und durch ein gekoppeltes Massenspektro meter (MS) detektiert und quantifiziert. Durch diese extrem leistungs - fähige Analytik ist ein direkter Vergleich der verschiedenen Reinigungsmethoden auf jeder detektierten organischen Einzelsubstanz möglich. Partikuläre Verunreinigungen und deren Analytik Schon kleinste partikuläre Verunreinigungen im Mikrometer - bereich spielen in der Medizintechnik eine immense Rolle. So ist etwa ein Metallsplitter von 10 µm Länge direkt auf der Oberfläche einer neu eingesetzten Augenlinse unverantwortbar. Um die erforderliche partikuläre Reinheit von kleinsten einzelnen Verunreinigungen zu erfassen, werden partikuläre Kontaminationen der Medizintechnik-Produkte aufwändig extrahiert und anschließend durch automatisierte Rasterelek - tronenmikroskope (REM-EDX) für metallische Partikel und Raman-Mikroskopiesysteme für organische Partikel qualitativ und quantitativ erfasst. Diese Vorgehensweise erfordert eine entsprechende hochreine Laborumgebung, was durch die in der Abteilung vorhandenen verschiedenen Reinräume bis ISO Klasse 1 gewährleistet ist. detektion ionischer Rückstände auf medizinprodukten Bei den meisten Ultraschall-Reinigungsverfahren werden zur Unterstützung und Verbesserung der Reinigungsleistung verschiedenste Detergenzien eingesetzt. Einige Detergenzien be - inhalten als aktive Substanzen ionische Tenside. Deren ionische Eigenschaft kann direkt zur Analytik herangezogen werden. Durch ein kontinuierliches Monitoring der Leitfähigkeit eines Spülbads kann der Badzustand überwacht, eine Verschleppung des Reinigers frühzeitig detektiert oder ein erforderlicher Wechsel des Badmediums durch das Überschreiten eines vor - ab definierten und validierten Grenzwerts angezeigt werden. Durch hochsensitive Leitfähigkeitsmessungen kann aber auch eine direkte Aussage über den Sauberkeitsgrad eines Medizin - produkts hinsichtlich Verunreinigungen ionischer Natur getroffen werden. Dabei werden diese Verunreinigungen durch vollentsalztes Wasser, welches einen sehr niedrigen Leitwert besitzt, abgelöst, was einen direkten Anstieg der Leitfähigkeit des Reinstwassers bewirkt. Es erfolgt dabei eine aktive Spülung vorhandener Kavitäten, um innenliegende Verunreinigungen ebenfalls zu erfassen. Fazit Kaum eine andere Disziplin wie die der Kontaminations kon - trolle in der Medizintechnik erfordert solch umfassende Fach - kenntnis und Erfahrung, um die für eine bestimmte Auf gaben - stellung optimale Reinigungs- und Analysetechnik einzusetzen. Die in der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion etablierten vielfältigen und extrem leistungsfähigen Analytikverfahren wurden zur Charakterisierung, Validierung und Optimierung reinheitsrelevanter Prozesse erfolgreich auf die Branche der Medizintechnik adaptiert. Eine Arbeitsgruppe befasst sich darüber hinaus speziell mit der Entwicklung und Adaption alternativer Reinigungsmethoden für Anwendungsfälle, die als schwierig gelten. 1 Reinigung von Kavitäten mit überkritischem CO 2 2 Bestimmung des Anstiegs der Leitfähigkeit als Reinheitsmaß eines Medizinprodukts 3 Medizinprodukt in Mikrokammer zur Emissionsmessung 4 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines nicht - metallischen Partikels nach Elution aus einem Medizinprodukt 78 79

42 PräzIsIonsmontage mikrotechnischer ProDuKte Ausgangssituation Für elektronische und mikrosystemtechnische Bauteile werden laufend Kosten-, Gewichts-, Raum-, Geschwindigkeits- und Energieoptimierungen sowie eine gesteigerte Mobilität und Flexibilität gefordert. Dies führt zu einer Erhöhung der Inte - grationsdichte und damit verbunden zu einer zunehmenden Miniaturisierung von Komponenten und Baugruppen. So sind heute bereits beispielsweise Mikrochips mit einer Kantenlänge von kleiner 500 μm und einer Dicke von 100 μm verfügbar. Diese können in Folien und dünnen Schichten eingelagert werden und eröffnen damit neue Anwendungsgebiete. Die voranschreitende Miniaturisierung stellt insbesondere eine Herausforderung für die Montagetechnik dar. Mit der geforder - ten hohen Genauigkeit im Bereich von wenigen Mikro metern sowie der zunehmenden Empfindlichkeit der Bauteile gegen mechanische Einwirkungen oder Verunreinigungen steigt der Bedarf an angepassten Lösungen für alle mit der Montage zusammenhängenden Teilprozesse angefangen vom Zuführen und Handhaben der Bauteile, dem Positionieren und Verbinden der Fügepartner bis hin zum Prüfen der erreichten Qualität. Je kleiner die Bauteile werden, umso bedeutender werden auch Oberflächenkräfte. So treten bei kleiner werdenden Abmes sun - gen zunehmend Schwierigkeiten im kontrollierten Umgang oder dem definierten Ablegen der Bauteile auf, beispielsweise dadurch, dass diese aufgrund von Feuchtigkeit aneinander haften oder durch Adhäsionskräfte am Greifer hängen bleiben. Das Fraunhofer IPA entwickelt in seinem Forschungsschwer - punkt»mikromontage«seit mehreren Jahren kundenspezifische prozess- und gerätetechnische Lösungen für die industrielle Herstellung komplexer und hoch integrierter mikrotechnischer Produkte. Im Folgenden werden zwei Projekte beispielhaft vorgestellt, welche den Bedarf an innovativen Montage - lösungen verdeutlichen. Self-Alignment von leds Das FP7-Projekt»Light-Rolls«konzentriert sich auf die Forschung und Entwicklung von modulbasierten Produktionseinheiten und Produktionslinien unter Anwendung von innovativen Verfahren, die für eine kontinuierliche Massenproduktion von mikrostrukturierten Systemen, hauptsächlich für LED Beleuch - tungsprodukte, geeignet sind. Die Aufgabe des Fraunhofer IPA ist es, in einem vorgesehenen Rolle-zu-Rolle-Prozess mehrere gedünnte LEDs mit einer Kantenlänge kleiner 500 µm in einem parallelen Vorgang auf einem bewegten Foliensubstrat zu po - sitionieren. Da dies mit konventioneller Pick-and-Place-Technik nicht erreicht werden kann, wurde der Weg der Selbstorga ni - sation von Bauteilen durch Nutzung von Oberflächeneffekten ausgewählt. Der Ansatz sieht ein selbstständiges Positionieren der bereitge - stellten LEDs auf der geforderten Position infolge einwirkender Oberflächenkräfte vor, die durch ein zwischen den Fügepartnern liegendes formdefiniertes Flüssigkeitsdepot hervorgerufen werden. Zu seiner Erzeugung wird die Oberfläche des Substrats, definiert mit hydrophilen und hydrophoben Bereichen, funktionalisiert. Dann werden Wassertropfen aufgebracht, die auf den hydrophilen Bereichen eingefangen werden. Bei der Platzierung der Chips auf den Tropfen finden diese jeweils durch die Oberflächenkräfte entsprechend der Struktur ihre Position und Ausrichtung. Die Tropfen verdunsten innerhalb weniger Sekunden rückstandsfrei. Die Funktionalisierung des Substrats mit definierten hydrophoben bzw. hydrophilen Bereichen kann durch unterschiedliche Verfahren erreicht werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass Atmosphärendruckplasma, Inkjet-Drucken und die Techno logie zur Herstellung von Offset-Druckplatten eingesetzt werden können. So konnten durch die Anwendung einer Atmos phären - druck-plasmabehandlung bei aufgelegter Maske definierte Quadrate mit einer Größe von 500 x 500 µm 2 und einer minimalen Stegbreite von 100 µm erzeugt werden. Mit den bisherigen Versuchen konnte die Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Wie groß die zulässigen Toleranzen sind, welche Genauigkeit erreicht werden kann und wie lange Prozesszeiten möglich sind, sollen die weiteren Untersuchungen zeigen. Weitere Informationen unter: Präzisionsmontage von kleinstdrähten Ganz andere Herausforderungen stellt ein zusammen mit der MicroMountains Applications AG durchgeführtes Projekt. Hier sollen feinste Kleinstdrähten mit einem Durchmesser kleiner 100 µm und einer Länge von mehreren Millimetern automatisiert in unmittelbar nebeneinander liegende Mikrolöcher eines Substrats eingefädelt werden. Hierfür sind spezielle Greifer - lösungen und ein hochpräzises und zuverlässiges Füge verfahren mit angepasstem Automatisierungsgrad und Maßnahmen zur Qualitätskontrolle erforderlich. Bezüglich der Handhabung der Drähte wurden neben der Be - wertung bekannter Greifprinzipien umfangreiche Unter suchun - gen zur Analyse des Verhaltens und der Reproduzierbarkeit des Bauteils im Greifer gefahren. Es wurden Konzepte erarbeitet, die zu der Stabilisierung und zur positionsdefinierten Be - reitstellung des Teils beitragen und damit eine direkte Ver - arbeitung möglich machen. Hinsichtlich des Einfädel- bzw. Bestückungsprozesses wurde der Einfluss von Lagetoleranzen untersucht und die zulässigen Grenzwerte bestimmt. Zur Unterstützung der Positionierung und der Visualisierung des Fügevorgangs sind Bildsensoren integriert worden. Im nächsten Schritt kann damit unter Anwendung von Bildverarbei tung eine Prozessregelung und -überwachung für eine automatisierte Lösung realisiert werden. Fazit und Ausblick Die Beispiele verdeutlichen die steigenden Anforderungen und den Bedarf an innovativen Lösungen für die Mikromontage. Hin - zu kommt eine zunehmende Tendenz zur 3-D-Bestückung. Das Fraunhofer IPA bietet den Kunden angepasste Montage lösungen, die ganzheitlich die wesentlichen Teilprozesse von einer eventuellen Teilereinigung und -prüfung über die Ver einzelung und Zuführung bis hin zur Systemintegration und Kontaktierung berücksichtigen. Hierzu stehen u. a. hochpräzise Positionierund Montagesysteme im Reinraumlabor zur Verfügung

43 IPa.valve zuverlässig DosIeren ohne nachtropfen Ausgangssituation Ob beim Seifenspender im Bad, der Klebstofftube im Büro oder genau dosierbaren Flüssigkeiten in der Fertigung: Nachtropfen ist immer unerwünscht, oft ärgerlich und kann zu fehlerhaften Produkten führen. Ursache für das Nachtropfen beim Dosieren ist der nach dem Fördern herrschende Überdruck im System. Ein Ventil, das sich unmittelbar am Austrittspunkt platzieren lässt und nach dem Dosieren sofort abdichtet, soll nun Ab - hilfe schaffen. Sein Durchmesser lässt sich bis unter zwei Milli - meter skalieren und ermöglicht damit die Realisierung des kleinsten schaltbaren Schließventils der Welt. lösung»ipa.valve«heißt die mit dem Fraunhofer IPA Innovationspreis 2010 ausgezeichnete Entwicklung, die in Form einer adaptierbaren oder produktintegrierten Einheit umgesetzt werden kann. Das Ventil besteht aus zwei sich im Ventilgehäuse gegenüberliegenden Permanentmagneten. Während der eingangsseitige, durchströmbare Ringmagnet fixiert ist, ist der auf dem dazwischenliegenden Ventilsitz aufliegende Kugelmagnet zur Frei gabe der Öffnung in Strömungsrichtung radial auslenkbar. Die auf die Kugel wirkende Schließkraft ist über die Magnetpaarung oder den Abstand der Magnete applikationsspezifisch einstellbar. Das Öffnen des im Normalzustand geschlossenen Ventils kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist über den Systemdruck gegeben. In diesem Fall wird dieser zunächst auf einen Wert unterhalb des Schwell - werts eingestellt, sodass das Ventil im geschlossenen Zustand bleibt. Um das Dosieren zu starten, wird der Systemdruck auf den erforderlichen Förderdruck erhöht, der oberhalb des Schwell - werts liegt. Dabei wird die Anziehungskraft der Magnete über - wunden und die Schließkugel lenkt radial aus. Das Ventil bleibt solange geöffnet, bis auf Seiten der Pumpen der Druck reduziert wird und unter den Schwellwert fällt. Dann stellt sich die Kugel sofort und selbsttätig zurück und das Ventil schließt. Das ausgangsseitige Medium wird dabei leicht zurückgezogen. Während der Anwendung des Ventils bedarf es keines vollständigen Abbaus des Systemdrucks bzw. Anlegens eines Vakuums, damit das Medium in der Düse gehalten wird bzw. sich zurückzieht. Damit sind kürzere Taktzeiten möglich. Eine Alternative zu der beschriebenen Ansteuerung vonseiten der Pumpen ist die Bypass-Variante. Hierbei wird der auf das auszutragende flüssige Medium wirkende Systemdruck durch das gezielte Ablassen eines Luftvolumens über eine Entlüftungs - düse unterhalb des Schwellwerts gehalten, beispielsweise bei Zeit-Druck-Dispenssystemen. Das Ventil bleibt damit geschlossen. Wird die Düse verschlossen, steigt der Systemdruck auf den eingestellten Förderdruck an. Das Ventil öffnet automatisch, sobald der Schwellwert überschritten wird. Erfolgt das Verschließen des Auslasses durch das gezielte Annähern der Düse der Oberfläche des Substrats, ist ein positionsabhängiges Schalten des Ventils umsetzbar, abhängig vom zwischenliegenden Luftspalt. Eine weitere Möglichkeit ist eine Ansteuerung des Ventils über einen extern angeordneten Magneten. Hierbei wird die Magnet - paarung so ausgewählt, dass sich ein Schwellwert ergibt, der oberhalb des erforderlichen Förderdrucks liegt. Das Ventil ist damit bei anliegendem Förderdruck geschlossen. Sobald nun durch die Annährung des Auslösemagneten auf die Kugeln des Ventils eingewirkt wird, sinkt durch die Kräfteverhältnisse der Schwellwert und das Ventil öffnet. Möglich ist auch eine vollständige Auslenkung der Kugel und damit eine komplette Freigabe des Ventilsitzes. Der Medienfluss hält an, solange der Magnet auf die Kugel einwirkt. Entfernt man den Magneten, schließt das Ventil automatisch wieder. Umgesetzt werden kann diese Ansteuerungsvariante entweder durch eine Positio - nierung des Ventils im Wirkbereich einer fest angeordneten externen Magnetvorrichtung oder durch die Annährung der Auslösemagneten an das Ventil. Sowohl die Variante mit Bypass als auch die mit mediengetrennter externer Auslösung machen eine Anwendung in der Fließfertigung dadurch interessant, dass das Starten und Stoppen des Dispensvorgangs automatisch durch das bewegte Substrat erfolgt. Wird beispielsweise die Entlüftungsdüse so angeordnet, dass es bei der Zuführung des Substrats durch dessen Ober - fläche zu einem Verschluss kommt, steigt der Druck an, sobald die entsprechende Bauteiloberfläche die Düse passiert, und fällt wieder, sobald die Düse wieder freigegeben ist. Eine entsprechende Betätigung kann durch die Kopplung des externen Magneten mit dem Produkt, z. B. angebracht am Prozess - träger, erfolgen. Das Dosieren startet beim Passieren und hält nur während der Zeit der Einwirkung an. Eine sonst übliche steuerungsseitige Positionserfassung und -überwachung entfällt damit. Welche der möglichen Ansteuerungsvarianten die geeignete ist, hängt von der Appli kation und der geplanten Integration in den Fertigungsprozess ab. Ausblick Die Möglichkeit der Miniaturisierung und Integration sowie einer Anordnung mehrerer Ventile im Array macht das Fraunhofer IPA.VALVE vielseitig und in unterschiedlichsten Anwendungs - bereichen sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase einsetzbar. Am Fraunhofer IPA wurde eine Vielzahl Demonstratoren, die auf IPA.VALVE basieren bzw. dieses integrieren, entwickelt und teilweise als prototypische Lösungen zur Bearbeitung unterschiedlicher Industrieapplikationen umgesetzt. So lässt sich das Ventil zum einen beispielsweise als integrierte Lösung direkt in den Auslassbereich eines Flüssigkeitsbehälters oder einer Tube einarbeiten, zum anderen kann das Ventil als eine zusätzliche Komponente zur Ergänzung beispielsweise von konventionellen Dosiersystemen wie den verbreiteten Zeit-Druck- Dispensern angewandt werden. Möglich ist auch eine Ausfüh - rung als Einwegprodukt. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie wurde mit der Umsetzung erster Produkte begonnen. 1 Miniaturisiertes IPA.VALVE 2 Adaptierbares IPA.VALVE 3 Automatisiertes Mikrodosieren 4 Mehrfachdosierkopf 82 83

44 technische sauberkeit FraunhoFer IPa vertieft KooPeratIon mit vda Qmc Ausgangssituation VdA 19 Schulung in kooperation mit dem VdA Qmc Das Thema der»technischen Sauberkeit«ist nach wie vor hoch brisant: Zahlreiche Systeme in modernen Automobilen reagieren funktionskritisch auf einzelne Rückstandspartikel aus dem Produktionsprozess. Neben technischen Entwicklungen, wie höher belasteten und enger tolerierten Bauteilen, tragen auch ge setzliche Regelungen, wie das kommende Bleiverbot der EU-Altautoverordnung, zu dieser Entwicklung mit bei. Die Folge ist ein sehr hoher Wissens- und Ausbildungsbedarf zur sauber keitsgerechten Produktion und zur Messung von Ver - unreini gungen in der Automobil- und Zulieferindustrie. Aufgabe Das umfangreiche Know-how zur Technischen Sauberkeit, das in den letzten zehn Jahren bei einzelnen Industriepartnern und beim Fraunhofer IPA erarbeitet wurde, muss nun umgehend wieder auf breiter Front in die betroffene Branche zurückge - spiegelt werden. Ein wichtiger Aspekt dazu wird sicherlich in Zukunft der Weg über die Lehre und Ausbildung sein, um dem Nachwuchs in der Industrie das notwendige Rüstzeug mitzugeben. Für die effiziente Lösung aktueller Problemstellungen ist dieser Weg allerdings zu langwierig. Aus diesem Grund wid - met sich die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion seit Jahren intensiv der Wissensvermittlung und Weiterbildung. Die ersten Schritte dazu waren die Erarbeitung des VDA 19 zur»prüfung der Technischen Sauberkeit Partikelverunreinigung funktions - relevanter Automobilteile«und das dazugehörige eintägige Einführungsseminar. Es fand inzwischen über 30 Mal mit insgesamt mehr als 700 Teilnehmern aus der Industrie statt. Diese Schulung wird nun in enger Kooperation mit dem VDA QMC (Qualitätsmanagement Center im Verband der Automo - bilindustrie) für 2011 deutlich aufgewertet. Zum etablierten Vortragsteil mit theoretischen Grundlagen und Inhalten von VDA 19 kommt nun ein zweiter, praxisorientierter Teil hinzu. Dabei haben die Teilnehmer die Gelegenheit, an einem Fallbei - spiel das Erlernte zu erproben. Im Laborteil werden unter An - leitung praktische Übungen durchgeführt und Kenntnisse zum Umgang mit Stand-der-Technik-Gerätschaften zur Sauberkeits - analyse vermittelt. Um den hohen Qualitätsstandards des VDA QMC zu entsprechen, wird das vermittelte Wissen in einer ab - schließenden Prüfung abgefragt. Bei erfolgreichem Abschluss erhalten die Teilnehmer ein offizielles Zertifikat zum»prüfer für technische Sauberkeit«vom VDA QMC. Veröffentlichung VdA 19 Teil 2 Um aber nicht nur das Messen von Sauberkeit zu professionalisieren, sondern auch die Produktion unter Sauberkeitsvor gaben zu unterstützen, wurde im Oktober 2010 der neue VDA 19 Teil 2 veröffentlicht. Unter dem Titel»Technische Sauberkeit in der Montage Umgebung, Logistik, Personal und Montageeinrich - tungen«ist nun ein offizieller Leitfaden verfügbar, der dem Planer von sauberkeitsgerechten Fertigungsbereichen eine echte Hilfestellung bietet. Die Basis für diesen Leitfaden ist das Ergeb - nis des zweieinhalbjährigen Industrieverbunds MontSa (Mon- tagesauberkeit) der vom Fraunhofer IPA koordiniert und fachlich geleitet wurde. Auch zu den Inhalten dieses neuen VDA 19 Teil 2 bietet die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion umfangreiche Dienstleistungen an und ab 2011 auch eine spezialisierte Schulung. 84

45 technische InFormatIons verarbeitung Global verteilte Produktionsstandorte, virtuelle Unternehmens - netzwerke, konfigurierbare Produk tionssysteme und intelligente Fertigungstech nolo gien sind Schlagworte moderner Unterneh - mens- und Produktionsstrukturen. Die Kom mu nikation über hierarchische Strukturen und Ebenen hinweg erfolgt hierbei mittels Daten und Signalen, die für die Informationsvermitt - lung und den effizienten Einsatz innovativer Strategien und Systeme entsprechend aufbereitet werden müssen. Die Kernkompetenzen der Abteilung konzentrieren sich hierbei auf folgende Bereiche: Mess- und Prüftechnik Industrielle Bildverarbeitung Prozessüberwachung und Qualitäts prognose 3-D-Datenverarbeitung und Reverse Engineering Flexible und konfigurierbare Fertigungstechnologien Rapid Manufacturing Ob in der Qualitätssicherung oder während des ge samten Produktlebens zyklus, überall dort werden Zustände durch Sensoren erfasst und durch angepasste Softwarelösungen für technische und or ga ni satorische Entscheidungen aufbereitet. Es entstehen somit riesige Datenmengen und Informations - flüsse, die nur durch strukturierte und be darfs orientierte Infor - mationstechnik be herrsch bar und für das Unter nehmen ge - winnbringend aufzubereiten sind. Die Abteilung»Technische Informations verarbeitung«entwickelt und realisiert System- und Applika tions lösungen für die Infor - mationsverarbeitung im Zu sam menspiel mit technischen Pro - zessen. Im Fokus der Forschungs- und Entwick lungs arbeiten stehen intelligente Qualitäts tech niken für die Null-Fehler-Pro - duktion, wissensbasierte Informationstechnik für moderne Automatisierungssysteme und flexible Fertigungstechnologien für die effiziente Kleinserienfertigung. Das Spektrum der bearbeiteten Frage stellungen reicht von der Entwicklung grundlegender Bildver arbeitungs algo rithmen und innovativer Mess- und Prüf systeme über Regelungssysteme für die quali tätsorientierte Produktion bis hin zur Konzeption und Entwicklung von Prozessketten und -technologien zur Erzeu gung von Funktions ober flächen in der Nano- und Biotechnologie. Unsere Kunden sind sowohl System häuser, für die wir innovative Produkte und Konzepte entwickeln, als auch End an wender, die maßgeschneiderte Problemlösungen benötigen. Bei der Projekt be arbeitung können wir auf jahrelange Erfahrung und interdiszi plinäres Wissen zurückgreifen. markus Hüttel Telefon

46 1 2 3D4robots schnelle und FleXIble 3-D-obJeKtlageerKennung Die Steigerung des Automatisierungsgrads und der Flexibilität ist heute und zukünftig sowohl in der Produktion als auch in der Qualitätssicherung von entscheidender Bedeutung für den wirtschaftlichen Erfolg und die Sicherung der Produktionsstand - orte von Unternehmen in Deutschland. Betrachtet man den Materialfluss in Produktionsprozessen, so fällt auf, dass bei der Zuführung von Werkstücken von einem Verarbeitungs schritt zum anderen wesentliche Automatisierungspotenziale noch ungenutzt sind: Die Bauteile werden entweder in Spezial ladungs - trägern zugeführt oder in Form von Schüttgut bereitgestellt. Spezialladungsträger erlauben die (halb-)geordnete Lagerung der Produktionseinheiten, wodurch eine einfache Handhabung ermöglicht wird. Jedoch sind diese Ladungsträger speziell an die geometrische Form der zu lagernden Bauteile angepasst und somit nicht flexibel einsetzbar. Bei der Verwendung von Schüttgut liegen die Produktionseinheiten ungeordnet in Trans - portbehältern vor. Die Herausforderung besteht darin, dass die Bauteile für die Handhabung wieder geordnet werden müssen. Dies geschieht heute wenn nicht manuell mit Hilfe von aufwändigen mechanischen Vorrichtungen wie Wendel för - derern oder Schikanen, die wiederum speziell an die geometrische Form der zuzuführenden Bauteile angepasst sind. Ver - ände rungen an den Werkstücken (z. B. der geometrischen Form) haben daher teure und zeitaufwändige mechanische Anpas - sungen an der Vereinzelungs- und Zuführtechnik zur Folge. Alternative Methoden zur platzsparenden und flexiblen Hand - habung und Zuführung zwischen den verschiedenen Produk - tionsschritten stellen der»griff in die Kiste«und der»griff vom Band«dar also das Greifen von Bauteilen mit einem Roboter direkt aus Lager- und Transportbehältern oder von Förderbändern. Diese Techniken setzten allerdings zuverlässige, computergestützte Verfahren zur Objektlageerkennung voraus. Robuste 3-d-Objektlageerkennung auf Basis regelgeometrischer Elemente In der Literatur werden verschiedenste Verfahren zur Objektlage - erkennung diskutiert, die Anwendung in der industriellen Auto - matisierung finden können. Das in der Abteilung Technische Informationsverarbeitung entwickelte Verfahren zur Objekt lage - erkennung unterscheidet sich deutlich von diesen Ver fahren. Anstatt die Gesamtgeometrie des betrachteten Objekts zu analysieren, findet zur schnelleren und präziseren Objektlage - erkennung eine Fokussierung auf die im Objekt enthaltenen Regelgeometrien statt. Denn technische Bauteile, so komplex sie auch sein mögen, setzen sich häufig zu einem überwiegenden Teil aus einfachen geometrischen Grundelementen wie Ebenen, Zylindern, Kegeln oder Kugeln, so genannten Regelgeometrien, zusammen. Das Verfahren nützt diesen Umstand aus und gründet auf der Idee, dass die regelgeometrischen Elemente genügend Informa tion enthalten, um das Gesamtobjekt zu erkennen und dessen Lage zu bestimmen. Kernelement des Verfahrens sind spezielle Algorithmen zur Besteinpassung (Best-Fit) von Regelgeo metrien in 3-D-Mess - punktwolken, über die sich die Form-, Positions- und Orien - tierungsparameter der den Messpunkten entsprechenden Geometrien bestimmen lassen im Sinne der kleinsten quadratischen Abstände. Diese Best-Fit-Algorithmen, die insbesondere in der Messtechnik eingesetzt werden, arbeiten sehr schnell und äußerst präzise. Untersuchungen zeigen, dass die Genauigkeit der Objektlageerkennung durch Bestein passung von Regelgeometrien im Wesentlichen durch die Mess un sicher - heit des verwendeten Sensors bestimmt ist. Die Rechen zeit und der Speicherbedarf sind proportional zur Mess punkt an - zahl. Optional ist es auch möglich, STL- oder CAD-Modelle zur Objektlageerkennung einzupassen. kennzahlen des Verfahrens Die 3-D-Objektlageerkennung auf Basis regelgeometrischer Elemente läuft auf einem Standardcomputer. Die Rechenzeit zur Erkennung und Lokalisierung eines Werkstücks beträgt etwa 0,5 Sekunden. Im umgesetzten Demonstrator für Schmiede - teile liegt die Genauigkeit der Lokalisierung bei +/- 0,5 mm. Automatisierte konfiguration und Parametrierung der Objektlageerkennung mittels evolutionärer Optimierung Um die Performance der Objektlageerkennung auf Basis regel - geometrischer Elemente weiter zu steigern, wird die Bestein - passung mit einer Datenvorverarbeitung im Tiefenbild kombiniert, um eine möglichst gute Vorsegmentierung der Mess punkt - wolke zu erreichen. Die Datenvorverarbeitung beschreibt eine Kombination verschiedener Bildverarbeitungsmethoden zur Glättung von Bildern, Segmentierung von Bildbereichen und Ordnung von Bildsegmenten in einer sinnvollen Art und Weise. Die Konfi guration dieser Bildverarbeitungsmethoden, d. h. die Auswahl und die Reihenfolge der Anwendung sowie die Para - metrie rung, wird als Vorverarbeitungsstrategie bezeichnet. Das Finden einer optimalen Vorverarbeitungsstrategie zur An - wendung bei der Objektlageerkennung auf Basis regelgeometrischer Elemente mittels Versuchs-und-Irrtums-Methode (Trial and Error) ist ein sehr aufwändiger Prozess insbesondere auf - grund der Anzahl der zu ermitteln den Parameter bestimmter Bildverarbeitungsalgorithmen mit gelegentlich sogar über 25 verschiedenen korrelierenden Parametern. Zur deutlichen Ver - einfachung ist es nun gelungen, diesen Prozess vollständig zu automatisieren. Zum Einsatz kommt die evolutionäre Optimie - rung. Eingangsdaten sind eine Objektbeschrei bung des zu er - kennenden Ob jekts sowie einige (ca. 5-10) re präsentative Sen - sordatensätze, die als Trainingsdaten dienen. Als Ergebnis liegt die Beschreibung einer optimalen Vorverar beitungsstrategie vor, d. h. die Auswahl und Reihen folge der zu verwendenden Bildverarbeitungsmethoden mit Parameter sätzen sowie deren zu erwartende Güte. Diese Beschreibung kommt unmittel bar bei der Objektlageerkennung zur Anwen dung. Es sind keine weiteren Optimierungsschritte mehr nötig. In der evolutionären Optimierung werden Prinzipien der natür - lichen Evolution auf Berechnungsprozesse übertragen. Evolutio - näre Algorithmen versuchen, durch Mutation, Rekombination und Selektion aus zufällig erzeugten Startlösungen neue Lösungen zu erzeugen, die bessere Eigenschaften bezüglich einer Zielfunktion aufweisen. Im Laufe mehrerer Iterationen nähern sich so die Lösungen immer mehr dem Optimum an. Der Algorithmus ist terminiert, wenn ein Abbruchkriterium er - füllt ist. Zur Bewertung der Zwischenlösungen stehen mehrere 2-D- und 3-D-Fitnessfunktionen zur Verfügung. Bild 2 zeigt die Anwendung einer optimalen Vorverarbeitungsstrategie beim»griff in die Kiste«rotationssymmetrischer Bauteile. demonstrationssysteme Zur Demonstration der Objekterkennungsverfahren dienen eigens aufgebaute Roboterzellen für Anwendungen aus dem Bereich»Griff in die Kiste«und»Griff vom Band«. Zum Einsatz kommt ein SICK Ruler E600 Lichtschnittsensor mit einem ef fek - tiven Messbe reich von ca. 450 mm x 600 mm bei einer Höhen - auflösung von 0,2 mm zur Erzeugung der 3-D-Tiefen infor ma - tion. Alter nativ ist es möglich, einen Lichtschnittsensor aus zwei SICK Ranger C50 und einem Laser aufzubauen, um die Abschattung zu beseitigen. Optional ist eine Basler spl4096 Zeilenkamera verfügbar, die 2-D-Farbinformation liefert. Ver - fahren zur Kali brierung der verschiedenen Sensoren sowie zwischen den Sensoren und dem Roboter sind vorhanden. Das Objektlage erkennungsverfahren kann auch mit anderen 3-D- Sensoren arbeiten, die dichte 3-D-Messpunktwolken liefern. Beim»Griff in die Kiste«wird der Sensor entlang einer Linear - achse über einer Box mit Schüttgut (300 mm x 400 mm) verfahren. Beim»Griff vom Band«wird das Schüttgut auf einem Band von 300 mm Breite unter dem Sensor durchgefahren

47 3 Pro Oberflächenscan werden ein oder mehrere Objekte lokalisiert, die kollisionsfrei gegriffen werden können. Die berechneten Greifpunkte werden an den Roboter übermittelt, der die Werkstücke greift und lagerichtig ablegt. Die Roboterzellen dienen nicht nur zur Vorführung und Weiter - entwicklung der Objektlageerkennung, sondern auch für Machbarkeitsstudien. Im Jahre 2010 wurden diese Verfahren erfolgreich in verschiedenen Anwendungsszenarien auf Messen präsentiert: Der»Griff in die Kiste«von rotationssymmetrischen Schmiedeteilen mittels robuster 3-D-Objektlageerkennung in Schüttgut (Automatica, München). Der»Griff vom Band«von unterschiedlich dicken Plastikscheiben mittels schneller 3-D- Objektlageerkennung bei nur teilweiser Vereinzelung und Über - deckung (Vision, Stuttgart). Zudem hat sich das Fraunhofer IPA mit dem»griff in die Kiste«am Vision-Application-Park (s. Bild 1: Hannover Messe; Fachpack, Nürnberg; Motek und Vision, Stuttgart) beteiligt ( Durch die Flexibilität der 3-D-Objekterkennungssoftware sind praxistaugliche Automatisierungslösungen für eine Vielzahl weiterer Werkstücke aus den unterschiedlichsten Branchen wie Automobil- und Elektronikindustrie, Maschinen- und An - lagenbau, Medizintechnik sowie Konsumgüter- und Lebens - mittelindustrie realisierbar. 1 Demonstrationssystem»Griff in die Kiste«im»VISION Application Park 2010«2 Fitnessbewertung für die Vorverarbeitungs strategie in 2 D wird mittels Besteinpassung in 3 D erreicht (linke Graphik); automatisierte Vorseg men tierung für den»griff in die Kiste«an Schmiede teilen, bestehend aus 2 Zylindern; Segmentierungs ziel: Suche nach kurzem Teilzylinder (links), langem Teilzylinder (Mitte) und gesamtem Bauteil (rechts); farblich dargestellt sind die identifizierten Segmente 3»Griff vom Band«für unterschiedlich dicke Plastikscheiben transluzenzbestimmung an vorderzähnen Die Abteilung Technische Informationsverarbeitung beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den verschiedensten As pekten der Bildverarbeitung. Zunehmend ist zu beobachten, dass Bildver arbeitungssysteme nicht länger nur für industrielle Mess- und Prüfaufgaben im produktionstechnischen Umfeld Anwendung finden. Sie werden verstärkt auch in anderen Bereichen wie der Medizintechnik eingesetzt. Im Jahr 2010 entwickelte das Fraunhofer IPA gemeinsam mit einem führenden Unternehmen der Dentalindustrie eine Softwarelösung zur Visualisierung trans luzenter, d. h. teilweise lichtdurchlässiger, Bereiche in digitalen Fotografien von Vorderzähnen. Anforderungen an künstlichen zahnersatz Bei der Herstellung von Zahnersatz ist zur Erfüllung hoher äs - thetischer Ansprüche neben der Reproduktion der natürlichen Zahnfarbe und der Zahnform ebenso die Nachbildung von trans - luzenten Bereichen erforderlich. Als Transluzenz bezeichnet man die Eigenschaft von Körpern partiell lichtdurchlässig, jedoch nicht transparent zu sein. Um - gangssprachlich wird dieses Phänomen oft mit halb-transparent beschrieben und ist häufig bei natürlichen Materialen wie Haut, Blättern oder Zähnen zu beobachten. Heutzutage wird bei der Herstellung von hochwertigem Zahn - er satz vor allem im sichtbaren Bereich sehr darauf geachtet, dass der künstliche Zahn den eigenen möglichst in Farbe, Form und Größe ähnelt und somit unauffällig ist. Mit vollkeramischem Zahnersatz ist es seit einigen Jahren auch möglich, Trans luzenz - effekte sehr gut nachzubilden. Für hochwertigen Zahnersatz stellt sich daher die Aufgabe, die Transluzenz am Zahn sicher zu bestimmen und diese Information für die Herstellung der Restauration zu nutzen. Transluzenzbestimmung in Bildern Ausgangspunkt für die Arbeiten war die Tatsache, dass Zahn - ärzte in zunehmendem Umfang digitale Fotografie nutzen, um die Patientensituation zu dokumentieren und die Bilddaten an den Zahntechniker zu übermitteln, um so eine möglichst natur getreue Restauration zu ermöglichen. Ziel der durchgeführten Arbeiten des Fraunhofer IPA war die softwaretechnische Er mitt lung der Transluzenz von Zähnen aus diesen digi - talen Bildern mittels geeigneter Bildverarbeitungsmethoden. Aus den gegebenen Bilddaten wird der Bereich der erkennbaren Vorderzähne segmentiert und für jedes Pixel ein Wert für die Lichtdurchlässigkeit berechnet. Die Segmentierung erfolgt hier - bei vollautomatisch und wird für die beiden oberen Schneide - zähne angewendet. Über verschiedene Methoden der Farb - bildbearbeitung werden die Farbverteilungen der Bildpunkte derart angepasst, dass der lichtdurchlässige Anteil in deutlichem Farbkontrast sichtbar wird. Dies lässt sich ausnutzen, um eine so genannte Transluzenzmaske zu berechnen, mit welcher jedem Bildpunkt ein Wert für seine Lichtdurchlässigkeit zugeordnet wird. Mit Hilfe weiterer Skalierungen wird im Anschluss eine Überlagerung der ermittelten Maske mit dem Originalbild durchgeführt und so die Transluzenz visualisiert. Auf diese Weise wird der Zahntechniker in die Lage versetzt, per Knopfdruck aus einer digitalen Fotografie Informationen über die Struktur des natürlichen Zahns zu erhalten. Diese Informa tionen kann er für seine Arbeiten nutzen und so die Ästhetik des gefertigten Zahnersatzes steigern

48 3-D-voXelPlaYer Für den Bereich der industriellen Computertomographie (CT) wurden in der Abteilung Technische Informationsver arbeitung diverse Algorithmen zur automatisierten Datenverarbeitung und intelligenten Datenauswertung entwickelt. Ein wichtiger Teil dieser Arbeiten ist die geeignete Visualisierung von Sensordaten, wobei es sich im Fall der CT um Volumendaten, so genannte Voxelmodelle, handelt. Im Jahr 2010 entwickelte das Fraunhofer IPA gemeinsam mit der Firma Werth Messtechnik den VoxelPlayer, ein Programm zur benutzerfreundlichen Handhabung und zur visuellen Inspektion von 3-D-Computertomographiedaten. Voxelmodelle aus computertomographischen Aufnahmen Die röntgenbasierte industrielle CT ermöglicht die vollständige und dabei zerstörungsfreie Gewinnung von 3-D-Daten eines Bauteils mit allen inneren Materialstrukturen und Geometrien. Während einer herkömmlichen CT-Aufnahme wird das zu unter - suchende Objekt in kleinen Schritten um 360 Grad gedreht. In jeder Winkelposition wird dabei eine 2-D-Radiographie erstellt und anschließend mit Hilfe mathematischer Rekonstruktionsver - fahren ein 3-D-Volumenmodell berechnet. Das Ergebnis setzt sich aus so genannten Voxeln zusammen, der kleinsten Einheit der Auflösung, analog zu Pixeln im 2-D-Fall. Bei den Werten der Voxel handelt es sich um Grauwerte, welche bei aktuellen CT-Geräten 16 Bit oder 8 Bit umfassen. Die Gesamtgröße der Voxelmodelle kann in Abhängigkeit vom Aufnahmesensor und der Objektgröße variieren. Datensätze mit 1000 x 1000 x 1000 Voxeln und damit zwei GByte Dateigröße bei 16 Bit Grauwerten sind heutzutage üblich. Die Tendenz geht jedoch zu einer deut - lich größeren Auflösung u. a. durch Erhöhung der Voxelanzahl, was zu enorm großen Datensätzen führt. Die Voxelmodelle lassen sich schichtweise als Bilder darstellen, womit ein Blick in das Bauteilinnere ermöglicht wird. Dies ist jedoch oft nicht ohne einige Vorverarbeitungsschritte möglich oder sinnvoll. Zum einen liegt ein Bauteil während einer Aufnahme beliebig im Raum und wird ohne jegliche Ausrichtung wiedergegeben. Um Aus - wer tungen anhand der Schnittbilder durchführen zu können, ist eine definierte Ansicht notwendig. Darüber hinaus ist in vielen Voxelmodellen der Kontrast nicht optimal, sodass interessante Bereiche nicht oder kaum sichtbar bzw. unterscheidbar sind. möglichkeiten des VoxelPlayers Als Hersteller von Koordinatenmessgeräten entwickelt Werth Messtechnik bereits seit vielen Jahren CT-Geräte für das dimen sionelle Messen und die dazugehörige Auswertesoft - ware. Gemeinsam mit Fa. Werth wurde am Fraunhofer IPA ein Pro gramm zur adäquaten Visualisierung von Voxeldaten realisiert. Die neue Software liefert die nötigen Funktionen, um die Inspek tion von Objekten in Schichtbildern zu ermöglichen. In vier Ansichten kann entlang der drei Achsen und um die Drehachse durch das Volumen navigiert werden. Zur optimalen Darstellung wurde zum einen eine manuelle Ausrichtung mit Gitterlinien zur leicht eren Orientierung umgesetzt. Zum anderen ist anhand einer Histogrammdarstellung die Grauwertver tei - lung visualisiert und der Kontrast derart manuell variierbar, dass die Bauteilmate ri alien sichtbar und unterscheidbar sind. Das Programm bietet außerdem Speichermöglichkeiten für entsprechend angepasste Bildstapel. Der VoxelPlayer existiert in verschiedenen Versionen für unterschiedliche Anwender. Der so genannte»voxelplayer Pro«beinhaltet zusätzlich die Möglichkeit, CT-Daten digital zu signieren, welche von dem frei verfügbaren»voxelplayer Free«geöffnet und bearbeitet werden können. Dies erleichtert es z. B. CT-Dienstleistern, die Datensätze zur Ansicht an Kunden weiterzugeben. Auf diese Weise können Kunden die Visualisie rung ihres Bauteils selbstständig und wiederholt durchführen und intern verteilen. Die gesamte Funktionalität für alle Voxel daten, auch ohne Signatur, ist im»voxelplayer Basic«zu finden. organe aus Dem DrucKer HERSTEllUNg BIO-INSPIRIERTER VER SOR gungssysteme FÜR TRANSPlANTATE mittels RAPId PROTOTyPINg Ü B E R I N k J E T- d R U c k U N d m U lt I P H O T O N E N P O ly m E R I S A T I O N Ausgangssituation Aufgrund der steigenden Lebenserwartung steigt der Bedarf an lebenswichtigen Organen für Transplantationen. Da es für die notwendigen Transplantate nicht in ausreichender Zahl Spender gibt, befassen sich viele Forschungsgruppen mit dem Ersatz ge - schädigter oder fehlender Organe durch artifiziell hergestellte biologische Gewebe. Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Herstellung solcher Gewebekonstrukte ist deren kontinuierliche Versorgung mit Nährstoffen. Diese Versorgung muss in künstlichen 3-D-Gewebekulturen technisch nachgestellt werden und ist derzeit einer der limitierenden Faktoren für das Tissue Engi - neering. Dementsprechend müssen fertigungstechnische Lösun - gen gefunden werden, um Röhrensysteme mit den erforderlichen Geometrien und Dimensionen generieren zu können. Durch Materialdesign und Biotechnologie können den Gefäß - wänden dann Eigenschaften verliehen werden, die denen natürlicher Gefäße entsprechen. Projektbeschreibung In einem Fraunhofer-Projekt sollen artifizielle Blutgefäße hergestellt werden. Zur Erzeugung der bio-inspirierten Materialien und der Fertigungsverfahren arbeiten Fraunhofer IAP, IGB, ILT, IPA und IWM zusammen. Klassische Fertigungsverfahren sind zur Herstellung von drei - dimensionalen, organischen Strukturen nur bedingt geeignet. Da gegen ergeben sich durch die hohen Freiheits grade bei genera tiven Fertigungsverfahren neue Mög lichkeiten, welche in diesem Projekt zur Herstellung von Gefäß strukturen ge - nutzt werden. Es sollen zwei Rapid-Prototyping-Verfahren kombiniert werden: Inkjet-Druck und Multiphotonenpolymerisation (MPP). Mittels Inkjet-Druck werden unterschiedliche Materialien dosiert. Die Aushärtung dieser Materialien erfolgt je nach Auflösung, die ortsabhängig erzielt werden soll, mit zwei unterschiedlichen Methoden. Zum Aufbau grober Strukturen (ca. 0,2-2 mm) wird das mit Inkjet-Druck selektiv aufgetragene Material vollflächig ausgehärtet. Zur Integration von sehr feinen Strukturen (1 µm 0,2 mm) erfolgt eine selektive Aushärtung mit Hilfe des laserbasierten MPP-Verfahrens. Weitere Entwicklungsschwerpunkte innerhalb des Projekts befassen sich mit der Simulation künstlicher Gefäßsysteme, mit der Entwicklung geeigneter Materialien und mit der anschließenden Zellbesiedelung der aufgebauten Strukturen. Ergebnis und Ausblick Bereits in der ersten Hälfte der Projektlaufzeit konnte die Mach - barkeit der Kombination der beiden generativen Verfahren ge - zeigt werden. Auch der Aufbau verzweigter Röhrenstrukturen in geeigneten Dimensionsgrößen ist in Abschnitten möglich. Ebenso stehen mittlerweile auf die Verfahren abgestimmte und bio-kompatible Materialien zur Verfügung und die simula - tionstechnischen Grundlagen für die Auslegung der künstlichen Sys teme wurden geschaffen. In der verbleibenden Projektlauf - zeit wird ein bereits in Arbeit befindlicher Versuchsstand nähere Untersuchungen sowie die Fertigung erster künstlicher Gefäß - strukturen erlauben

49 rapid PrototYPIng WIrD zu additive manufacturing Die Verfahren des schnellen Prototypenbaus (Rapid Prototyping) sind seit den 80er Jahren bekannt und haben sich in dieser Zeit rasant weiterentwickelt. Unterschiedliche Verfahren wie das 3- D-Printing, das Lasersintern, die Stereolithografie etc. verdeutlichen die Vielfalt der Anwendungen im Prototypenbereich. Der Prototypenbau selbst stellt im gesamten Produktlebenszyklus jedoch nur einen kleinen Abschnitt in der Produktentstehung dar, in dem von der Idee, über die Konstruktion möglichst schnell ein Muster entstehen muss, um daraus letztendlich ein in Design und Funktion wirtschaftliches Produkt entstehen zu lassen. In Zeiten, in denen die Individualisierung der Produkte, d. h. ihre Vielfalt und Variationen, immer mehr zunimmt und damit die Produktstückzahlen teilweise dramatisch sinken, gilt es, Lösungen in der Fertigung einzusetzen, die den Wunsch nach kunden - spe zifischen Ausführungen wirtschaftlich möglich und sinnvoll um setzbar machen. Hier liegt es nahe, die Vorteile des Rapid Proto typing auch für die Herstellung von Produkten zu nutzen (kundenspezifische Lösungen in Losgröße 1; Gewichtsersparnis; komplexe Funktionsstrukturen auf engstem Raum; montagefreie Produktion etc.). Die WSEngineering GmbH in Villingen-Schwenningen ist diesen Weg gegangen und hat die ersten Produkte mittels Lasersinter - verfahren produziert. Sie zeichnet sich verantwortlich für kundenspezifische Entwicklungen unter anderem als Entwickler und Lieferant von Hochgeschwindigkeitsspindeln für die Kunststoffund Gussentgratung mittels Automaten und Robotern. Als kompetenten Entwicklungspartner hat die WSEngineering das Fraunhofer IPA in Stuttgart mit ins Boot geholt, das über ein 10-jähriges Know-how im Bereich des Rapid Prototyping verfügt. Das Fraunhofer IPA führt die Forschung, Entwicklung und Re alisierung neuartiger Produkte und Projekte in enger Ko - ope ra tion mit Industriepartnern durch. Beispielsweise wurden sowohl bei der Herstellung von Zahnrädern mit speziellem Design als auch in der Prothetik entsprechende Projekte durchgeführt. Die Fertigungstechnologien des Rapid Prototyping im Bereich der industriellen Umgebung der Entgratung einzusetzen, war und ist neu. Doch gerade hier wünschen sich immer mehr Kunden eine anwendungsspezifische Auslegung von Roboter - auslenksystemen, die wirtschaftlich bisher nicht erfüllt werden konnte. Zu Beginn der Entwicklungen eines neuen Ausweichsystems für Hochgeschwindigkeitsspindeln im Bereich des Roboterent - gratens stand die Frage nach dem geeigneten Rapid-Verfahren und damit verbunden die Frage nach einem geeigneten Werk - stoff, der die erforderlichen Eigenschaften besitzt. Eingesetzt nicht für den Prototypenbau, sondern für die Herstellung von Pro dukten, werden diese Fertigungsverfahren als Additive Manu facturing bezeichnet. Das System soll eine Auslenkung der Hochgeschwindigkeitsspindel ermöglichen, wobei die Rück - stell kraft aktiv und variabel eingestellt werden kann. Dies ist in der klassisch produzierten Ausführung hinreichend bekannt. Nachteile dieser Systeme sind ihre fest definierten Ausfüh rungs - formen, die Auslenkung in radialer Richtung um einen Dreh - punkt und letztlich ihr Gewicht. Unter Berücksichtigung dieser Punkte entstand unter konsequentem Einsatz des Additive Manufacturing das neue Aus - lenksystem VMS2000AM. Hergestellt ist dieses System vollständig aus dem Kunststoff PA Erreichtes Ziel der Ent - wicklungen war es, die Montagetätigkeiten auf ein Minimum zu reduzieren und wenn möglich, keine anderen Bauteile zu verwenden. DrucK KomPleXer biochips Eine wegweisende Entwicklung am Fraunhofer IPA im Bereich Der globale Biochipmarkt wächst schnell mit Schwerpunkten Biotechnologie ist die Entwicklung eines hocheffizienten Her - in der Grundlagenforschung, Wirkstoffentwicklung und Mole - stellungsverfahrens für Peptidarrays (Biochips), das auf dem kulardiagnose. DNS-Chips sind heute ein Milliardenmarkt und elektrophotographischen Druck (Laserdruck) von Aminosäuren Protein- und Peptidchips wird eine ähnliche oder sogar noch basiert. Von 2002 bis zur Marktreife Ende 2010 wurde zusammen mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in großen Mengen günstig hergestellt werden. Das am Fraunhofer größere Bedeutung vorausgesagt, vorausgesetzt sie können in Heidelberg ein grundlegend neues Verfahren zur Herstellung IPA entwickelte elektrophotographische Druckverfahren kann hochkomplexer Peptidarrays entwickelt. Die Vermarktung diesen Weg freimachen. erfolgt durch die neu gegründete Fa. PEPperPrint GmbH. gedruckte Peptidarrays Peptidarrays bringen die medizinische Forschung voran Die Peptide werden Schicht für Schicht auf einem Glasproben - Peptidarrays haben das Potenzial, die Forschung in Medizin und träger aus Aminosäuren synthetisiert, wobei die 20 Amino säuren Biotechnologie entscheidend voranzubringen. Sie werden für mit einem Laserdrucker mit hoher Genauigkeit aufgedruckt die Entwicklung neuer Medikamente, Impfstoffe und Diag nose - werden. Aminosäuren werden hierzu in Tonerpartikel eingebettet (anstatt Farbstoff), wobei die Aminosäuretoner ähnliche verfahren eingesetzt. Proteine bestehen aus 20 Aminosäuren, die zu langen Ketten verknüpft sind. Ein typisches Protein ist physikalische Eigenschaften wie kommerzielle Farb toner haben. 500 Aminosäuren lang, aber bereits Teilstücke mit der Länge Da Peptide aus 20 Aminosäuren bestehen, wird eine entsprechende Anzahl von Tonern und Druckwerken be nötigt. Nach Aminosäuren, die so genannten Peptide, reichen aus, um charakteristische chemische Bindungen nachzuweisen. dem Aufdrucken der ersten Schicht wird der Probenträger ent - Peptidarrays ermöglichen ein Hochdurchsatz-Screening nach nommen und auf 90 C erwärmt. Die Toner schmelzen, verwandeln sich in ein Lösungsmittel und die Amino säuren koppeln chemischen Bindungspartnern; hierbei werden Bibliotheken aus Proteinen und Peptiden nach Bindungen zu Molekülen an den Träger. Nach einem Waschvorgang wird der Träger untersucht, die in Bakterien, Viren oder Krebszellen enthalten wieder in den Drucker eingelegt und eine zweite Schicht Ami - sind und eine therapeutische oder diagnostische Funktion nosäuretoner wird punktgenau auf die erste gedruckt. Nach haben könnten. Solche Screenings sind die Suche nach biochemischen Schlüsseln zu einem Schloss. Aminosäureketten der Länge zwei auf der Glasscheibe. Nach dem zweiten Kopplungs- und Waschprozess befinden sich maligem Wiederholen des Druck-, Kopplungs- und Das Problem ist die große Anzahl der benötigten Peptide. Ca. Wasch zyklus ist eine große Zahl Peptide der entsprechenden Peptide werden benötigt, um die rund 1000 Proteine Länge auf der Glasscheibe entstanden. in einem typischen Bakterium in der Form überlappender Peptide abzubilden, für den Malariaerreger sind es sogar Bis - her können maximal Peptide auf einem Mikroskop - probenträger synthetisiert werden, zu einem Preis von ca. 6 pro Peptid! Zu viel selbst für vielversprechende An wendungen

50 drucktechnik für die Serienfertigung Gedruckte Peptidarrays enthalten eine viel größere Anzahl unterschiedlicher Peptide als konventionell hergestellte. Mit dem ersten am Fraunhofer IPA entwickelten Druckerprototyp können Peptide auf einer Glasscheibe (20 x 20cm) synthetisiert werden. Er ist seit 2005 am DKFZ im Einsatz. Der Nachfolger, der 2010 an die Fa. PEPperPrint ausgeliefert wurde und für die Serienfertigung ausgelegt ist, kann mehr als Tonerpunkte auf der gleichen Fläche punktgenau aufbringen. Damit wird es möglich, Peptidarrays ca mal billiger als bisher möglich anzubieten. Die am Fraunhofer IPA entwickelte und patentierte Technik des hochgenauen Drucks von 20 Aminosäuretonern auf Glas - scheiben unterscheidet sich in vielen Merkmalen vom Farb druck auf Papier. Für den Schritt vom Labor in die Serie sind neben einer höheren Auflösung insbesondere die Zuverlässigkeit des Peptiddruckers im Dauerbetrieb, eine benutzerfreundliche Be - dienung des komplizierten Geräts und die Qualitätssicherung der Peptidarrays wichtige Anforderungen. Um diese Eigen - schaften zu gewährleisten, wurde der Peptiddrucker in Zu - sammenarbeit mit der Fa. KMS Automation GmbH grund - legend überarbeitet. Eine integrierte Bildverarbeitung vermisst die Glasscheiben nach jedem Einlegen, um den präzisen Druck von allen Schichten übereinander zu garantieren. Anhand eines Barcodes wird jede Glasscheibe identifiziert und ein Datenmanagementsystem zeigt dem Bediener den nächsten Datensatz an. Die Herstellung von Peptidarrays ist ein Stapel - prozess, da der Druckvorgang gegenüber den Kopplungs- und Wasch schritten schnell ist (ca. 3 min). Die Vermessung ge - druckter Muster ermöglicht die präzise elektronische Kalibrierung der Druckwerke. Seit 2007 werden Peptidarrays mit dem ersten Drucker proto - typ hergestellt; die Serienfertigung befindet sich Ende 2010 im Probebetrieb. Die Entwicklung des Markts von Peptid arrays, der heute noch am Anfang steht, lässt eine wachsende Nach - frage nach dieser patentierten Technologie erwarten. DIgItale DrucKtechnIKen und DIsPensen Am fand erstmals der Workshop»Digitale Druck - technik und Dispensen zur Herstellung funktionaler Ober - flächen«am Fraunhofer IPA statt. Der zunehmende Trend zu digitalen Druckverfahren sowohl beim dekorativen Druck wie auch zur Herstellung funktionaler Oberflächen hat in Industrie und öffentlicher Forschung das Interesse an diesen Techno - logien wachsen lassen. Der Workshop, der die Potenziale von digitaler Drucktechnik für Produkt- und Prozessinnovationen für Anwender aufzeigt, wurde gut angenommen. Potenziale des Inkjet-drucks Industrielle Anwendungen der Inkjet-Technik im Bereich Deko - rationsdruck reichen von Posterleinwänden über den Ver - packungs- und Textildruck bis zum Auftrag keramischer Pigmente auf Fließen. Interessanter noch sind die vielfältigen Möglich - keiten des maskenlosen Auftrags funktionaler Schichten. Der derzeit bedeutendste Anwendungsbereich ist die»gedruckte Elektronik«; d. h. der Inkjet-Druck von Leiterbahnen, Kontakt - flächen, Photoresisten, Lötstoppmasken bis hin zu organischen Halbleitern für die Herstellung von TFT-Bildschirmen oder or - ganischen Solarzellen. Auch am schichtweisen Aufbau von 3-D-Strukturen aus UV-härtenden Lacken und an verschiedenen Applikationen in der Biotechnik wie z. B. dem Druck von Gerüststrukturen für künstliches Gewebe besteht lebhaftes Interesse. mikrodispensen und neue Verfahren Vielfältige Aufgabenstellungen erfordern unterschiedliche Technologien. Eine dem Inkjet verwandte Technik sind Mikro - dispensverfahren. Mit diesem Werkzeug der Bio- und Mikro - systemtechnik können nieder- und hochviskose Substanzen präzise aufgebracht werden, z. B. Proteine oder Klebstoffe und Dichtmittel. Ein weiteres Thema des Workshops war die Kombination mehrerer Verfahren wie dem Inkjet-Druck und der Multiphotonenpolymerisation. Elektrophotographie eine Alternative zu Inkjet Auch die zweite verbreitete Digitaldrucktechnik neben Inkjet, die Elektrophotographie, hat das Potenzial, eine interessante Alternative im Bereich»Digital Manufacturing«zu werden. Die vorgestellten Themen reichten von der effizienten Herstellung komplexer Biochips bis zum hochwertigen Druck keramischer Pigmente für die Geschirrdekoration. Aufgrund des Erfolgs des ersten Workshops ist eine Wieder - holung 2011 geplant. Der Fokus des Workshops, Themen und Referenten sind auf die Interessen von Anwendern aus der Industrie ausgerichtet, d. h. auf Trends, die heute zur Markt - reife gelangen, weniger auf Forschungsthemen für die Zukunft. Die Vorträge zeigten die Sichtweise von Druckkopfherstellern, Anlagenbauern (Integratoren von Drucktechnik), Tintenent - wicklern und Anwendern. Ergänzt wurden die Beiträge durch aktuelle Themen am Fraunhofer IPA und IGB

51 FraunhoFer IPa event-forum»energieeffizienz In Der ProDuKtIon«QualItätsÜberWachung beim ultraschallschweissen Ein effizienter und nachhaltiger Umgang mit Energie wird in vielen Branchen zunehmend zum erfolgskritischen Faktor. Steigende Energiepreise erfordern Produktionsprozesse, die mit weniger Energieeinsatz mehr Leistung erbringen können. Verschiedene Umfragen und Studien zeigen, dass bisher nur in sehr wenigen Unternehmen systematische Ansätze für einen energieeffizienten Betrieb existieren. Wesentliche Energietreiber bleiben oft unerkannt und Einsparpotenziale in der Größenord - nung der Umsatzrendite ungenutzt.»energieeffizienz in der Produktion«im Überblick Um Interessenten einen Überblick zu ermöglichen, hat das Fraunhofer IPA auf der Messe Control 2010 vom Mai 2010 zum dritten Mal ein Event-Forum mit Sonderschau veranstaltet. Auf der vom Messeveranstalter Schall gesponsorten Standfläche bot sich dem Fachbesucher die Möglichkeit, sich gezielt zum Themenschwerpunkt»Energieeffizienz in der Pro - duktion«zu informieren. Damit wurde einerseits dem großen öffentlichen und industriellen Interesse am Thema Energie Ge - nüge geleistet, andererseits wurde berücksichtigt, dass die Themen Qualitätssicherung als primäres Leitthema der Messe und Energieeffizienz zunehmend eine Einheit bilden. Auf dem Messestand fand ein Vortragsforum mit praxisnahen Vorträgen statt. Zudem präsentierten Firmen ausgewählte Ex - po nate zum Schwerpunktthema. Auf diese Weise konnte das Fach publikum ohne weite Wege Funktionsweise, Möglich keiten, Vorzüge und industrielle Beispielapplikationen der Technologie kennenlernen und mit Experten aus Forschung und Industrie ins Gespräch kommen. Folgende Themen sind in den Vorträgen und Exponaten be - handelt worden: Energiemanagementsysteme (u. a. nach DIN EN 16001), Energiedatenerfassung in der Produktion, Systeme zur Lastoptimierung, Systeme zur Energiekostenabrechnung, Dienstleistungen im Bereich Energieeffizienz und E-Learning»Energieeffizienz«. Das Themenspektrum verantworteten Firmen, die sich schon seit mehreren Jahren erfolgreich damit beschäftigen: Berg Energiekontrollsysteme GmbH, Eproplan GmbH, IngSoft GmbH, PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH und Simon Process Engineering GmbH. Eine Verbesserung der Energieeffizienz in der Produktion kann oftmals schon mit einfachen Mittel erreicht werden. So erfordern beispielsweise gezielt eingesetzte thermische Isolierungen nur geringe Investitionen, können die Kosten aber spürbar reduzieren. Es zeigt sich in der Praxis jedoch auch, dass sich das volle Potenzial an Ein sparmöglichkeiten nur dann erschließen lässt, wenn das Streben nach Energieeffizienz fest in der Unter neh - menskultur verankert wird. Wertvolle Hilfestellung beim Auf - bau und der Einführung von Systemen und Prozessen zur Ver - besserung der Energie effi zienz leistet die neue europäische Norm DIN EN 16001»Ener giemanagementsysteme«. Zukünf - tige Steuererleichterungen werden die Verbreitung derartiger Systeme weiter beschleunigen. Attraktive kombination aus Vorträgen und Exponaten Die positive Resonanz auf das Event-Forum zeigt, dass es durch die Kombination aus Fachvorträgen und Ausstellung mit Live-Vor - führungen gelungen ist, das Thema Energieeffizienz interessant und informativ zu präsentieren. Für die Control 2011 ist daher schon das vierte Event-Forum geplant, diesmal zum Schwer - punktthema»computertomographie im industriellen Einsatz«. Das Ultraschallschweißen ist ein Fügeverfahren für thermoplastische Kunststoffe. Hierbei werden die zu verschweißenden Teile aneinandergedrückt und in hochfrequente mechanische Schwin gung versetzt. Durch diese Schwingungen reiben sich die Füge flächen der Einzelzeile und der Thermoplast schmilzt aufgrund der entstehenden Reibungswärme an diesen Stellen auf. Das aufgeschmolzene Material fließt innerhalb der Schweiß - zone ineinander und bildet nach Erkalten eine im Idealfall feste homogene Verbindung. Einsatzgebiete des Ultraschallschweißens Das Ultraschallschweißen ist sehr schnell, wirtschaftlich und energieeffizient. Das Verfahren wird daher für die Fertigung verschiedenster Produkte eingesetzt. Allerdings hat dieses Füge - verfahren den Nachteil, dass eine Vielzahl von Einflüssen Aus - wirkungen auf die Qualität des Prozesses haben kann. So können schon geringe Änderungen der Schweißparameter, der Umge - bungsbedingungen, aber auch Qualitätsschwankungen in vorgelagerten Produktionsprozessen die Dichtheit und Festigkeit der entstehenden Schweißnaht beeinträchtigen. In vielen An - wendungsbereichen werden jedoch hohe Anforderungen an die Festigkeit der Verbindungen gestellt. Beispiele hierfür sind Kunststoffteile im Automotive-Bereich, Medizinprodukte, aber auch Kinder- und Babyspielzeug. Erkennung funktions- oder sicherheits - beeinträchtigender Nahtfehler Bisher war es schwierig Ultraschallschweißprozesse hinreichend gut zu überwachen. Eine der wesentlichen Schwierigkeiten ist dabei, dass die optische Prüfung einer Schweißnaht nur sehr bedingt Aufschluss über deren Dichtheit oder Festigkeiten gibt. Somit können Nahtfehler derzeit nur anhand von Berst- oder Zugprüfungen, also zerstörend und mit relativ hohem Zeit auf - wand, bestimmt werden. Eine 100-Prozent-Überwachung der ge fertigten Teile ist mit solchen Verfahren allerdings nicht möglich. Ansätze für 100-Prozent-Überwachung Zur Entwicklung einer kontinuierlichen Prozess- und Qualitäts - überwachung kooperierte das Fraunhofer IPA mit dem Labor für Kunststofftechnik der Hochschule Esslingen sowie mit einem Hersteller von Ultraschallschweißanlagen und ausgewählten Anwendern. Zusammen mit diesen Partnern konnte ein Über - wachungsverfahren erarbeitet werden, das von aufgezeichneten Prozesssignalen direkt auf Qualitätsschwankungen in der Schweißnaht schließen kann. Dieses intelligente Schließen auf die Qualität erfolgt modell - basiert nach der so genannten LVQ-Methode. Hierbei wird das System anhand von Muster-Prozesssignalen eingelernt. Auf Basis dieses angelernten Wissens kann das System dann auch bisher unbekannte Signale korrekt deuten. Für den Einsatz modellbasierter Verfahren ist es unabdingbar, zu untersuchen, welche Prozesskenngrößen die Qualität der Schweißnaht tatsächlich beeinflussen. Hierzu wurden zahlreiche Prozessanalysen und Versuchsreihen durchgeführt. Inte res - sante Erkenntnisse brachte dabei beispielsweise die Unter - suchung der Schweißzone mit einer Wärmebildkamera. Die Analysen und Versuche konnten das allgemeine Verständnis des Ultraschallschweißprozesses deutlich vertiefen

52 1 Vorteile des modellbasierten Ansatzes zusammenfassung Wie alle modellbasierten Überwachungsverfahren, die am Fraunhofer IPA entwickelt wurden, erfolgt auch hier die Daten - auswertung im Fertigungstakt. Die Qualität der gefertigten Teile steht somit direkt nach Beendigung des jeweiligen Ferti - gungszyklus zur Verfügung. Neben einer 100-%-Qualitäts - überwachung bietet dieses Verfahren damit die Möglichkeit, qualitätsabhängig sofort in den Prozess eingreifen zu können. Anwendung Die erarbeitete Systemlösung wurde bereits von mehreren Partnerfirmen im Echtbetrieb erprobt. Anhand einer exemplarisch durchgeführten Pilotanwendung konnte gezeigt werden, dass mit den erarbeiteten Methoden die Teilequalität gut vorhergesagt werden kann. Auch größere Störungen im aktuellen Prozess sowie vorangegangene Störungen in vorgelagerten Prozessen können mittels der Signalinformationen aus dem Schweißprozess erkannt werden. Das Fraunhofer IPA hat zusammen mit mehreren Partnern ein modellbasiertes Verfahren für die 100-%-Qualitätsüber wachung in Ultraschallschweißprozessen entwickelt. Dieses Verfahren kann die Qualität der Schweißnaht im Fertigungstakt bewerten und bietet so die Möglichkeit, Prozessfehler frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Zusammen mit den bereits bestehenden Prozesslösungen und der mobilen Datenerfassungsplattform»NEPRES mini«verfügt das Fraunhofer IPA über ein breites Portfolio von Lösungen für die Überwachung zyklischer Fertigungsprozesse. 1 Aufbau der Pilotanwendung 100

53 PrÜFsYsteme Die Abteilung»Prüfsysteme«entwickelt Lösungen und automatisierte Anlagen für industrielle Aufgabenstellungen unter Verwendung modernster Prüfverfahren. Der Einsatz von Ultra - schall, Thermographie und Shearographie als Prüftechno - logien bildet die Basis für komplexe und hoch spezialisierte Sonderanlagen. Die Maschinenentwicklungen in der Abteilung Prüfsysteme sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: Systematische Anlagenentwicklung Aufgabendefinition, Lastenheft- und Pflichtenhefterstellung Projektierung, 3-D-Konstruktion und Steuerungsentwicklung von Sonderanlagen Realisierung komplexer und neuartiger Automatisie rungs - lösungen CE-konformes Maschinen- und Anlagendesign Im Bereich»Prüftechnologie«bilden folgende Dienst leistungen die Schwerpunkte: Beratung zur prozessintegrierten Qualitätssicherung Erstellen von Konzepten zur zerstörungsfreien Prüfung Konzeption und Entwicklung von Bewertungskriterien für Prüfverfahren Begleitung der industriellen Umsetzung von Prüfaufgaben Auswahl und Bewertung von Fügetechniken Schock- und Vibrationsprüfung Dauerschwingungs- und Tribologieuntersuchungen Exzellente Forschungs- und Entwicklungskompetenzen auf dem Gebiet der Mess- und Prüftechnologie in Kombina - tion mit einer methodischen Vorgehensweise befähigen die Abteilung zu innovativen gesamtheitlichen Entwicklungs - dienstleistungen. Joachim montnacher Telefon

54 1 alternative nutzung der Windenergie Die verstärkte Nutzung regenerativer Energien steht heute nicht Kites sollen über automatisierte Seilsteuerungen entlang definierter Bahnen geflogen werden. Die Winde der oberen Luft - mehr zur Diskussion. Im wirtschaftlichen Vergleich zu fossilen Energieträgern ist dieses Ideal aber mit den heute verfügbaren schichten werden dabei ausgenutzt, um Wagen entlang einer Techniken nur bedingt erreichbar. Die Entwicklung neuer hoch - geschlossenen Bahn zu bewegen. Die Wagen werden über fester Materialien lässt neue Denkansätze zu und führt zu Zugseile von den Kites bewegt. Die elektrische Energie wird neuen Perspektiven in der Nutzung der Windenergie. mit Generatoren, die auf den Wagen fixiert sind, oder an der Strecke über eine seilbahnähnliche Vernetzung gewonnen Ein hohes Potenzial bietet hier der Einsatz von hochfliegenden und zur Verwendung ins Netz eingebracht. Drachen, so genannten Kites, als bodengebundene Flug geräte. Kites können unter Ausnutzung ihres aerodynamischen Auf - Die oben genannten Fragen zum Projekt wurden durch Lite - triebs über Seile am Boden enorme Zugkräfte erzeugen. Ein ge - ratur- und Herstellerrecherchen beantwortet und durch das setzt zur sogenannten Höhenwindnutzung kommen Kite-ge - Fraunhofer IPA systematisch bewertet. Als Ergebnis aus technischer und organisatorischer Sicht wurden die folgenden triebene Höhenwindkraftwerke der Forderung nach konstanter Energie bereitstellung erheblich näher als die konventionellen Punkte erarbeitet: Wind kraftanlagen. Kritische Schnittstelle zwischen den Einzeldisziplinen Bedarf von zusätzlicher Forschung, Entwicklung und Kompetenzen Aufgabenstellung Mögliche technische Risiken Kritischer Pfad bei der Terminplanung Den neuen theoretischen Ansätzen zur Windnutzung stehen noch einige Fragen in der praktischen Umsetzung entgegen. Das Fraunhofer IPA hat für einen Auftraggeber diese offenen Ausblick Punkte untersucht. Dabei geht es um eine generelle Begutach - tung des Vorhabens und um die Beurteilung seiner technischen Das Projekt Höhenwindnutzung mit Kite-getriebenen Gene ra - Machbarkeit. Besondere Bedeutung hatte hier die Festlegung toren führt in seiner nächsten Stufe zur Entwicklung einer De - von notwendigen Entwicklungsschwerpunkten und deren monstratoranlage. Hier werden die theoretischen Annahmen zeitlicher Umsetzbarkeit. an die Leistungsfähigkeit durch Praxistests verifiziert und kritische Funktionen sowie deren konstruktive, steuerungstechnische und regelungstechnische Umsetzungen getestet. Auf der Projekt Basis dieser Ergebnisse soll im nächsten Schritt eine Pilotanlage realisiert werden. Das betrachtete Projekt beschreibt die Entwicklung von Wind - kraftanlagen unter Ausnutzung der größeren und gleichmäßigeren Windgeschwindigkeiten in einer Höhe von ca. 500 m über Grund. verfahrenskombination von aktiver thermographie und DIgItaler shearo - graphie zu einem multisensorsystem Die Verfügbarkeit hochzuverlässiger zerstörungsfreier Prüfver - fahren zur Qualitätssicherung ist insbesondere im Bereich des Leichtbaus eine elementare Forderung. Durch neue, ambitionierte Werkstoffverbundsysteme entstehen erhöhte Anforde - rungen an die Prüftechnologie. Dabei stoßen die Einzelver fahren bei komplexeren Fragestellungen an ihre physikalischen Grenzen. Häufig können diese Anforderungen daher nicht mit einem einzelnen Prüfverfahren abgedeckt werden. Um diese Frage - stellungen dennoch effizient bewältigen zu können, gehen aktuelle Entwicklungstrends hin zur Kombination von Einzel - verfahren zu Multisensorsystemen. Aufgrund der Redundanz hinsichtlich der nachweisbaren Defekte und der weitgehend komplementären Funktionsweise und den vorhandenen Syner - gieeffekten, liegt in der Fusion von aktiver Thermographie und digitaler Shearographie zu solch einem Multisensorsystem ein hohes Potenzial. motivation für ein multisensorsystem Die Methode der aktiven Thermographie beruht auf dem Prinzip, dass im Werkstoff bzw. Bauteil aktivierte Wärmeflüsse im Be - reich von Inhomogenitäten ein von der fehlerfreien Umgebung abweichendes Temperaturfeld hervorrufen, welches sich durch thermographische Methoden hochpräzise abbilden lässt. Das Prinzip der digitalen Shearographie, einer speziellen Methode der Speckleinterferometrie, basiert auf dem Effekt, dass Ver - formungsänderungen durch die Erfassung von Weglängen - änderungen kohärenter elektromagnetischer Wellen zwischen einem Objekt und einem Detektor flächenhaft ermittelt werden können. Damit lassen sich Verformungsänderungen so - wohl in der Ebene (»in plane«) als auch aus der Ebene heraus (»out of plane«) detektieren. Analog zur aktiven Thermographie muss auch bei der Shearo - graphie dem Prüfobjekt Energie zugeführt werden, um Ver - formungsänderungen hervorzurufen, aus denen auf Abwei - chungen vom Normalzustand (gleichförmige Deformation) geschlossen werden kann. Da bei der aktiven Thermographie und digitalen Shearographie ähnliche Anregungsarten genutzt werden, liegt es nahe, die beiden Prüfverfahren zu kombinieren. Eignung der Verfahren Defektnachweis (++ sehr gut geeignet, + gut geeignet, o bedingt geeignet, - nicht geeignet)

55 2 2 Ein weiterer Aspekt, der für eine Verfahrenskombination spricht, ist, dass für die thermographischen Messungen induzierte Wärmeflüsse auch thermische Dehnungen im Bauteil hervorrufen. Diese führen an Defekten aufgrund von Steifigkeits dis - kontinuitäten zu lokalen Verformungsänderungen, welche durch die digitale Shearographie detektierbar sind. Damit wird durch den kombinierten Einsatz der beiden Verfahren eine Redundanz erzeugt, welche die Nachweiswahrscheinlichkeit und Nachweissicherheit von Defekten deutlich erhöht. Zu sätz - lich werden durch die Verfahrenskombination die verfahrensspezifischen Schwächen des einen Prüfverfahrens durch die Stärken des komplementären Verfahrens ergänzt. So lassen sich mit der Verfahrenskombination auch Defekte nachweisen, die ansonsten mit einem der beiden Verfahren als Einzel - anwendung nicht nachweisbar sind. Eine Zusammenstellung, welches der beiden Prüfverfahren bei thermischer Anregung zum Nachweis unterschiedlicher Defekte bei Verbundwerk - stoffen geeignet ist, liefert Tabelle 1. Erhöhung der Nachweiswahrscheinlichkeit bei Einsatz eines multisensorsystems Die Vorteile der Verfahrenskombination von aktiver Thermo - graphie und digitaler Shearographie zu einem Multisensor - system wurden am Fraunhofer IPA anhand der zerstörungsfreien Prüfung komplexer CFK-Strukturen mittels amplitudenmodulierter Wärmezufuhr untersucht. Dass zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Prüfung dieser Strukturen zukünftig immer mehr an Bedeutung gewinnen werden, zeigt eine Zahl aus dem Luftfahrzeugbau. Hier bestehen bereits bis zu 30 Prozent der Teile eines modernen Flugzeugs aus Verbundmaterialien. In zu - künftigen, sich bereits in der Entwicklung befindlichen Flug - zeugen, wird dieser Anteil sogar auf über 50 Prozent steigen. Daher besteht aus sicherheitstechnischen, aber auch wirtschaft - lichen Aspekten großes Interesse an zuverlässigen Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung dieser Bauteile. Dass durch die Kombination der beiden Prüfverfahren die Nachweiswahrscheinlichkeit (POD) von Defekten erhöht wird, zeigt Bild 1. Hier wurde eine CFK-Platte mit Flachbodenboh - rungen unterschiedlicher Tiefe und Durchmesser als Referenz - defekte untersucht. Da beide Prüfverfahren bei identischen Prüfbedingungen unter - schiedliche Ergebnisse liefern, lassen sich mit dem Multisen - sor system mehr Defekte nachweisen als durch die separate Prüfung mit dem jeweiligen Verfahren. Dabei zeigt sich, dass durch die Shearographie ausgedehnte Defekte in größeren Tiefenlagen besser nachgewiesen werden, wogegen mittels Thermographie kleinere oberflächennahe Defekte besser nach - weisbar sind. Je nach Prüfaufgabe ist damit auch eine Redu zie - rung der Prüfzeiten und der Prüfkosten verbunden, wo durch die Verfahrenskombination auch unter ökonomischen Gesichts - punkten interessant wird. Informationszuwachs durch Verwendung eines multisensorsystems Da in komplexe Leichtbaustrukturen häufig Einsatzstücke, so genannte Inserts, eingearbeitet werden, um beispielsweise an Verschraubungspunkten eine höherer Tragfähigkeit zu erzielen, müssen die Inserts eine sichere Verbindung mit dem Composite- Material besitzen. Mittels aktiver Thermographie ist es lediglich möglich, das Insert in der Struktur sichtbar zu machen. Die thermographischen Untersuchungen liefern allerdings keine Aussage über die korrekte Verklebung der Inserts. Bei der Prüfung mit dem Multisensorsystem lässt sich die Qualität der Verklebung durch Auswertung des Verlaufs der Verformungs - gradienten der synchron laufenden Shearographieprüfung be - stimmen. Je nach Verklebungsqualität weist der Verformungs - gradient einen charakteristischen Verlauf auf, über den eine Aussage über die Verklebungsqualität getroffen werden kann. Bei einem schlecht verklebten Insert besitzt der Verformungs - gradient einen sinusförmigen Verlauf, wogegen der Verfor - mungsgradient bei einem korrekt verklebten Insert nahezu horizontal verläuft. Daher wäre ein optimal verklebtes Insert mittels Shearographie allein nur schwer nachweisbar. In Bild 2 sind die Ergebnisse einer zeitsynchronen Lock-in-Untersuchung auf Haftungsschwächen zwischen Insert und Composite-Struk - tur dargestellt. Durch die Kombination der Verfahren und den damit verbundenen Zugewinn an Informationen über den Bau - teilzustand ist es nun möglich, einerseits zu prüfen, ob das Insert eingelegt wurde und sich an der korrekten Position befindet, andererseits können aus der Analyse des Verformungs gradienten Aussagen über die Verklebungseigenschaften getroffen werden. Ausblick Wie die Untersuchungen der CFK-Strukturen zeigen, ist es durch den kombinierten Einsatz beider Prüfverfahren möglich, an komplex aufgebauten Bauteilen innerhalb einer einzelnen Prüfung unterschiedliche Defektarten zu erkennen, die mit den Einzelverfahren nur in zwei aufeinander folgenden Prüfungen schwer oder gar nicht nachweisbar waren. Die Kombination von aktiver Thermographie und digitaler Shearographie liefert gleichzeitig Informationen zu Wärmeflüssen und Verformungen und führt daher bei entsprechender Auswertung zu einem auf - fallend höheren Informationsgehalt bezüglich des Defekt zu - stands eines Bauteils. Daraus resultiert eine deutliche Ver besse - rung der Fehlernachweisbarkeit und insbesondere der Fehler - detektionsrate im Vergleich zu den Einzelverfahren. Durch die Redundanz der beiden Verfahren bei der Fehlererkennung sinkt auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlinterpretationen der Prüf - ergebnisse. Dies liefert auch neue Ansatzpunkte für intelligente, selbstlernende Auswertungstechniken mittels neuronaler Netze. Durch Ausnutzung von Synergien und der Redundanzen der beiden Systeme ist ein kombiniertes System dann in der Lage, selbstständig zu entscheiden, ob Defekte vorliegen oder nicht. 1 Nachweis von Flachbodenbohrungen, Tiefenlage nach links zunehmend, Durchmesser nach unten abnehmend (a) Phasenthermogramm, b) Shearogramm) 2 Haftung von Inserts in CFK-Strukturen (a) Shearogramm NIO-Probe, b) Sheraogramm IO-Probe, c) Verformungsgradienten NIO- und IO-Probe, d) Phasenthermogramm)

56 1 2 3 zerstörungsfreie PrÜFung von KlebeverbInDungen Bisher gab es keine zerstörungsfreie Untersuchungsmethode, die eine über den rein qualitativen Nachweis von Defekten hin - ausgehende quantitative Beurteilung von Klebeigen schaften er laubt. Erstmals möglich wird dies durch den intelligenten Einsatz der digitalen Shearographie unter Ausnutzung spezifischer thermoelastischer Effekte. Diese aktuell erforschte laseroptische Methode zur kosteneffizienten zerstörungsfreien Quantifizie rung von Adhäsionseigenschaften im geklebten Werkstoffver bund lässt sich ohne Probleme in den Produk - tions prozess integrieren. Hinlänglich bekannt ist, dass die Zuverlässigkeit von Klebver - bindungen im Werkstoffverbund in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften der kohäsiven und adhäsiven Haftung steht. Diese beeinflusst wiederum maßgebend das effektive mechanische Verhalten und die Alterungsbeständigkeit eines solchen Verbundsystems. Werden Schwankungen im Kleb pro - zess und Verarbeitungsfehler zu spät oder gar nicht erkannt, so ist dies mit meist enormen ökonomischen und gegebenenfalls sicherheitsrelevanten Folgen verbunden. Ein großes Poten - zial liegt hier im Einsatz zerstörungsfreier Methoden zur Be ur - teilung der Eigenschaften von Klebverbindungen im Werkstoff - verbund. Die Vorteile liegen auf der Hand: Im Gegensatz zu produktionsbegleitenden zerstörenden Untersuchungen an wenigen Standardprobekörpern ermöglichen sie deutlich zeitund kosteneffizientere Prüfungen direkt am Bauteil bis hin zu einer automatisierten Qualitätsüberwachung im produktionsintegrierten Einsatz. Stand der Technik Etabliert haben sich zerstörungsfreie Methoden wie die Ultra - schall- und Röntgentechnik, die in vielen Fällen hochpräzise Aussagen zu Klebeigenschaften am Bauteil erlauben, sich aber aufgrund ihrer technischen Komplexität kaum für den automatisierten produktionsbegleitenden Einsatz eignen. Methoden der neuen Generation wie die aktive Thermographie und die digitale Shearographie setzen genau hier an. Aufgrund ihrer hochsensiblen, berührungslosen, schnellen, robusten und re - produzierbaren sowie bildgebenden Eigenschaften lassen sie sich in den Produktionsprozess integrieren. Hierbei beruht die Methode der aktiven Thermographie auf dem Prinzip, dass im Werkstoff bzw. Bauteil aktivierte Wärmeflüsse im Bereich von Inhomogenitäten ein singuläres, von der fehlerfreien Umge - bung abweichendes Wärmefeld entwickeln, welches sich durch thermographische Methoden hochpräzise abbilden lässt. Durch Induktion oder elektromagnetische Wellen aktivierte Wärme - flüsse lassen sich somit äußerst erfolgreich zerstörungsfrei und berührungslos luftgefüllte Defekte in der Klebschicht wie Delaminationen und kleinere Einschlüsse nachweisen. Der schwierigere Fall von so genannten Kissing Bonds, den oft auftretenden Fällen von nicht haftenden, aber direkt aufeinander liegenden Grenzflächen ohne Luftspalt dazwischen, lässt sich nur schwer mittels Induktion oder elektromagnetischer Wellen angeregter Wärmeflüsse nachweisen. In diesem Fall ist oft eine deutlich aufwändigere Ultraschallanregung erforderlich. Dabei wird der Effekt genutzt, dass es durch die Einlei - tung energiereicher Ultraschallwellen im Bereich dieser Kissing Bonds zu charakteristischen Reibmechanismen und resultierender Wärmeentwicklung kommt, welche mit thermographischen Methoden abgebildet werden können. Dieses Verfahren liefert unter besonderen Bedingungen sehr gute Ergebnisse mit dem Nachteil einer mechanischen Ankopplung. digitale Shearographie Die Methode der aktiven Thermographie liefert jedoch unabhängig von der gewählten Anregung von Wärmeflüssen keine Informationen zu mechanischen Größen in quantitativer Form. Sie wird rein zum qualitativen Nachweis von Defekten und zur Bestimmung deren Lage sowie der lateralen Abmessung herangezogen. Zum Nachweis der Zuverlässigkeit von Klebverbin - dungen ist es jedoch mehr als wünschenswert, über den reinen Nachweis und die Bestimmung von Bereichen fehlender Ad - häsion hinaus auch quantitative Aussagen zu Adhäsions eigen - schaften treffen zu können. Hierzu bietet die Methode der digitalen Shearographie beste Voraussetzungen. Im Gegen satz zur aktiven Thermographie, welche hochpräzise den zeitlichen Verlauf von Temperaturfeldern mit Auflösung im Bereich weniger Millikelvin beschreibt und dabei ausnutzt, dass Störfelder wie zum Beispiel Delaminationen zu Änderungen im Wärmefluss führen, liefert die Methode der digitalen Shearographie thermisch oder mechanisch hervorgerufene Verformungsfelder mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich. Hierbei können intelligent und berührungslos angeregte Verformungen nicht nur zum Nachweis von lokal auftretenden Defekten wie Dela - minationen, Einschlüssen, Impact-Schäden und auch Kissing Bonds eingesetzt werden, sondern sogar zur prinzipiellen quan - titativen Ermittlung von Adhäsionseigenschaften herangezogen werden. Ein neuartiger Einsatz der digitalen Shearographie beruht nun auf der Anregung spezifischer thermoelastischer Mechanismen, welche eine über rein qualitative Aussagen hinausgehende Beurteilung von Adhäsionseigenschaften in quantitativer Form erlaubt. Dies geht aus einem laufenden internen Forschungsprojekt des Fraunhofer IPA hervor. Technische Umsetzung Bei der Umsetzung wird das aufgeklebte Substrat zunächst lokal mit einem Laserstrahl definierten Durchmessers und definierter Intensität so beaufschlagt, dass sich in diesem Bereich des Substrats ein Temperaturmoment und eine resultierende Durchbiegung einstellen. In Bild 2 ist das Messprinzip dargestellt. Die Form und Intensität dieser Durchbiegung kann in quantitativer Form hochpräzise shearographisch erfasst und ausgewertet werden und direkt als Funktion der Parameter Laserintensität sowie Durchmesser des Laserstrahls, der geometrischen ebenso wie elastischen Eigenschaften des Substrats und des Klebstoffs beschrieben werden. Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass in Abhängigkeit der mechanischen Eigen - schaften des Klebstoffs im Adhäsions- sowie Kohäsionsbereich eine charakteristische Verformungsfigur entsprechend Bild 3 auftritt. Bis auf Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften sind in der Regel alle Parameter bekannt. Somit lassen sich die un - bekannten Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften rechnerisch mittels numerischer Simulationen oder durch eine Korrela tions - analyse auf experimenteller Basis an Proben variierender Ad - häsions- und Kohäsionseigenschaften ermitteln. Da in der Regel die Kohäsionseigenschaften recht zuverlässig angesteuert werden können, liegt das Hauptaugenmerk in der Regel auf der Bestimmung von Adhäsionseigenschaften. Fazit Zahlreiche Machbarkeitsuntersuchungen haben deutlich aufgezeigt, dass die Methode der shearographischen Erfassung lokal hervorgerufener thermoelastischer Effekte eine präzise und kosteneffizient zerstörungsfreie Quantifizierung von Ad - häsionseigenschaften im geklebten Werkstoffverbund möglich macht. Da der Zusammenhang zwischen thermoelastischer Verformung und Adhäsionseigenschaften probenabhängig ist, muss dieser Zusammenhang für jede Fragestellung experimen - tell oder mittels numerischer Simulationen individuell herge - leitet werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Methodik sind vielfältig. Sie lässt sich problemlos zur automatisierten produktionsintegrierten Qualitätsprüfung anwenden und ermöglicht eine Bauteilprüfung während der Nutzungsphase. Aber auch der Einsatz im Bereich Forschung und Entwicklung bietet viele Vorteile. So kann damit auch die Wirkungsweise von Ober - flächenmodifikationen wie Plasmabehandlungen effizient überprüft werden. 1 Anlagenkonzept für eine fertigungsintegrierte Prüfung 2 Messprinzip 3 Charakteristische Verformungen

57 lackiertechnik Viele Lackierereien stellen einen kritischen Bereich in der Ferti - gung dar, der bei kostenintensivem Betrieb, hohen Qualitäts - an forderungen und einem Mangel an qualifiziertem Personal erhebliche Verbesserungspotenziale aufweist. Unter Be rück - sich tigung des anzustrebenden Prozessverständnisses bedarf es lackiertechnischer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit vielfältigen Zielen. Neue bzw. verbesserte Produktqualitäten, höhere Beschich - tungswirkungsgrade, schnellere Teiledurch laufzeiten, Ener gieund Materialeinsparung etc. all dies ist richtungsweisend für kompakte Anlagen mit deutlich reduziertem Flächenbedarf, integ rierte Beschichtungsprozesse, Online-Über wachungs- und Steuerungssysteme sowie objektive Prüfmethoden. Wenn es um die»digitale Fabrik«geht, wird zunehmend die numme - rische Simulation der Lackierprozesse und -anlagen an Be - deutung gewinnen. Mit der Lösung dieser Problemkreise beschäftigt sich das Fraunhofer IPA seit über 30 Jahren durch For schung und Be - ratung. Die Vielfalt der anwendungsorientierten Aufgaben - stellungen wird an einigen Beispielen deutlich: Planung effizienter Lackier prozesse und Realisierung neuer Produktionsanlagen: Ein satz der rechnergestützten Methode CoaTway sowie produk tionsgerechte Tests der Ver fahren und Anlagenkomponenten Untersuchung von Lackierbetrieben zur Rationalisierung, Qualitätsverbesserung und Ressourcenschonung: Die konti - nu ierliche Opti mierung eines Lackier betriebs ist die Basis zur Erhaltung seiner Wettbewerbsfähigkeit Qualitätskontrolle als Voraussetzung lackiertechnischer Pla - nungen, u. a. Bauteile- und Lackschicht prüfun gen, Lackver - träglichkeits tests, Funktions prü fun gen an Lackiergeräten, Lackier fehler- und Schadensanalysen Entwicklung von Anlagenkomponenten bis in den Pilotmaßstab Prozessüberwachung und -steuerung, u. a. kontinuierliche Erfassung der Lack parameter beim Elektrotauchlackieren mit dem Ziel der automatisierten Prozess regelung sowie Ent - wicklung objetiver Prüfmethoden Entwicklung von Beschichtungsverfahren für Flüssig- und Pul verlacke, u. a. hinsichtlich selektiver bzw. verlustfreier Verfahren Untersuchungen zur produktionsgerechten Beschichtung neuer Materialien mit ausgeprägten Eigenschaftsprofilen, z. B. Easy-to-Clean-Oberfläche, hohe Kratzfestigkeit, hoher Korrosionsschutz Entwicklung der pistolenlosen Hochgeschwindigkeitsab - scheidung von Beschich tungs pulvern Modellbildung und nummerische Simulationsrechnung von Beschichtungs-, Schichttrocknungs- und Spritzreinigungs - prozessen sowie der Strömungen in Lackier- und Trocknungs - anlagen, z. B. Vor her be stimmung der Schichtdickenver tei - lung beim elektrostatischen Sprühen Individuell abgestimmte Personal schu lungen zur Be herrschung moderner Lackierprozesse dieter Ondratschek Telefon

58 1 2 energieeffiziente lackierung von Karosserien Als Partner der Innovationsallianz»Green Carbody Technolo - einsatz zur Konditionierung der Spritzkabinenluft entfallen gies«(innocat) optimiert die Abteilung»Lackiertechnik«des könnten. Es sollen deshalb die Machbarkeit bzw. Entwicklungs - Fraunhofer IPA seit April 2010 gemeinsam mit Verbundpartnern ansätze für oversprayfreie Beschichtungsverfahren in Verbindung Anlagen komponenten und Prozesse der Karosserielackierung, mit angepassten Beschichtungsmaterialien ermittelt werden, um Energie und Ressourcen einzusparen. die eine anforderungsgerechte Alternative zu den bisher verwendeten Spritzverfahren darstellen (Konsortium: Daimler, Ziel der Innovationsallianz ist es, signifikante Innovationen im Audi, Fraunhofer IPA, Dürr Systems, Mankiewicz). Bereich der Energie- und Ressourcenschonung entlang der Prozesskette der Karosseriefertigung voranzutreiben. Projekt - Neue energieeffiziente Trocknerkonzepte partner sind hauptsächlich Unternehmen der deutschen Zu - Es sollen kurz- bis mittelfristig umsetzbare Lösungen für vorhandene Trocknersysteme (sogen.»brownfield-anlagen«) ent- liefer- und Ausrüsterindustrie, OEMs der Automobilindustrie so - wie produktionstechnische Forschungsinstitute der Fraunhofer- wickelt werden; darüber hinaus sind auch die Einsparpoten ziale Gesellschaft unter der Gesamt-Koordination des Fraunhofer IWU. von grundsätzlichen Neugestaltungen (»Greenfield«-Lösungen) Das bis Ende 2012 laufende Förderprojekt wird vom Bundes - aufzuzeigen. Die Verbesserungsmaßnahmen zielen unter dem ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt; Motto»Energy-on-demand«auf anlagen- und steuerungstech - Projektträger ist das Forschungszentrum Karlsruhe (PTKA). nische Maßnahmen, u. a. hinsichtlich Wirkungsgraderhöhung, Reduzierung der benötigten Luftmengen etc. (Konsortium: Das in der Innovationsallianz eingerichtete Verbundprojekt Daimler, Audi, Fraunhofer IPA, Eisenmann).»Energieeffiziente Lackierung von Karosserien«konzentriert sich mit der Optimierung der Prozessschritte Spritzlackieren Modulares Produkt-/Lackierkonzept und Trocknen auf die bedeutendsten Energie- und Ressour cen - Das modulare Karosserie-Herstellkonzept»Rahmenkonstruk- einsparpotenziale der Karosserielackierung (der Energieanteil tion mit Anbauteilen«bietet die Möglichkeit, die Lackierung dieser Verfahren macht ca. 60 bis 70 % des Gesamtverbrauchs wesentlich kompakter und effizienter zu gestalten. Ziel ist so - bei der Karosserielackierung aus). Mit einer Betrachtung der mit die Erarbeitung eines geeigneten Produkt-/Lackier konzepts Modularisierung des Karosseriebaus sollen darüber hinaus unter unter konsequenter Nutzung der energie- und materialrelevan - Beachtung neuer, energie- und ressourceneffizienter Beschich - ten Vorteile der Einzelteilelackierung. Dabei sind auch die logistischen Anforderungen sowie die in den anderen Teilprojekten tungs- und Trocknungskonzepte die Vorteile einzelteiloptimierter Lackierkonzepte aufgezeigt werden. entwickelten Verfahren (vor allem hinsichtlich Beschichtung, Lackfilmtrocknung und Fügeverfahren) zu berücksichtigen Folgende Teilprojekte werden unter der Koordination des (Konsortium: Daimler, Audi, Fraunhofer IPA, Dürr Systems, Fraunhofer IPA bearbeitet: Wörwag). Lackverlustfreie Beschichtungsverfahren Mit dieser Zielsetzung wird die Voraussetzung zur wirksamsten Die anlaufenden FuE-Arbeiten zielen auf kurz- bis längerfristig Minimierung des Energie- und Materialeinsatzes bei der Spritz - umsetzbare Maßnahmen, die erhebliche Verminderungen des lackierung geschaffen, da durch die Vermeidung von Lack over - Energie- und Lackverbrauchs bei erhöhter Wirtschaftlichkeit spray die Entsorgungsmaßnahmen mit ihrem hohen Energie - erreichen. sichere beurteilung und optimierung Des oberflächenfinishs Im schiffbau Top-Oberflächen auf megayachten Die Appearance einer Lackoberfläche hat oft einen entscheiden - den Einfluss auf die Kaufentscheidung. Ziel eines BMWi-Ver - bundvorhabens mit dem Fraunhofer IPA war es, für Groß yachten (Bild 1) einen neuen Qualitätsstandard für das Oberflächen - finish im Überwasserbereich zu schaffen. Zum einen hat die Beschichtung Funktionen wie z. B. Korrosionsschutz und Be - ständigkeit zu erfüllen, zum anderen hat sie aufgrund des optischen Erscheinungsbildes entscheidenden Einfluss auf die Akzeptanz des Kunden. Bei Megayachten werden inzwischen dekorative Lackfilmqualitäten erzielt, die annähernd mit der Automobillackierung vergleichbar sind. Das visuelle Erschei nungs - bild der Lackierung setzt sich aus einer Reihe von Merkmalen wie z. B. Glanz, Lackfilmverlauf und punktuelle Oberflächen - fehler zusammen. Obwohl einzelne Merkmale messtechnisch charakterisiert werden können, fehlt ein standardisiertes Ver - fahren zur schnellen Prüfung und Beurteilung der Ober flächen - güte. Ohne ein solches standardisiertes Verfahren kommt es bei der Abnahme regelmäßig zu unterschiedlichen Bewertungen von Werft, Applikateur und Kunde. Problemlösung mit neuen messtechniken und Probandenbefragungen Nach dem Stand der Technik können die Qualitätskriterien Farbe, Glanz und Lackfilmverlauf mit vorhandenen Messtech ni ken weitgehend ausreichend beschrieben werden. Ein schlechter Verlauf erzeugt eine ausgeprägte Oberflächenstruktur im Wellenlängenbereich von ca mm (Orangenhautstruktur beim Spritzlackieren). Der Lackfilmverlauf hängt von verschiedenen Prozessparametern wie den Eigenschaften des Sprüh - strahls, dem zeitlichen Verhalten der Viskosität im Lackfilm während des Trocknungsvorgangs sowie der Oberflächenrauig - keit und dem Neigungswinkel des Substrats ab. Als optisches Messverfahren zur Beschreibung des Lackfilmverlaufs wird zu - nehmend das Wave-scan eingesetzt. Die Untersuchungs ergeb - nisse zeigen, dass bei Yachten mit hohen Qualitätsanforde run - gen sehr gute Lackfilmverlaufskennwerte erzielt werden. Trotz - dem werden immer wieder Flächen an der Yacht bemängelt, da es keine umfassenden objektiven Bewertungskriterien gibt. Insbesondere existieren bislang keine Messverfahren zur objek - tiven Bewertung von langwelligen Strukturen, die oft die Lack - filmqualität beeinflussen. Die langwelligen Strukturanteile mit Wellenlängen > ca. 5 cm sind meist nicht Folge des Lackauftrags, sondern werden durch Unebenheiten im Untergrund (z. B. im Blechsubstrat und Spachtelauftrag) oder durch einen ungleich - mäßigen Spachtel- oder Füllerschliff verursacht. Das Wave-scan kann derart langwellige Strukturen nicht erfassen. Aus diesem Grund wurden beim Vorhaben mit kamerabasierten Systemen in der Lackschicht reflektierte Streifenmuster aufgenommen, um die Welligkeiten und Verzerrungen in der Lackoberfläche sichtbar zu machen. Mittels der Deflektometrie können über geeignete Algorithmen der Bildverarbeitung, z. B. durch Fourier- Analyse des Welligkeitsmusters, objektive Kennzahlen zur Be - wertung der Oberflächenstruktur abgeleitet werden. Zur Herstellung einer Korrelation der Messergebnisse (Bild 2) von Wave-scan und Bildverarbeitung mit der visuellen Bewertung wurden umfangreiche Probandenbefragungen gemeinsam mit der Fr. Lürssen Werft GmbH&Co.KG ausgeführt. Darauf aufbauend hat das Fraunhofer IPA zur Bewertung subjektiver Lack - filmeigenschaften in Verbindung mit quantifizierbaren Mess - werten eine Bewertungsmethode (Bild 3) aufgebaut. Die Quali - tätskriterien Farbe, Glanz und Lackfilmverlauf für Wellenlängen < 30 mm werden dabei messtechnisch erfasst. Wellenlängen > 30 mm werden über die Bildverarbeitung beurteilt. Die je

59 Dekorative Fehler bei der Yacht-Lackierung Dekorative Lackfilmfehler Farbabweichungen Farbton Effekt Wolkenbildung Rohbaufehler Glanzabweichungen Defizit Deckvermögen Defizit Lackfilmverlauf Orangenhaut Defizit bei der Abbildungsschärfe Schleifstaub Reinigungsflecken Fingerabdrücke Benetzungsstörungen, Krater Blasen, Kocher Läufer Matte Stelle Speckkanten Lacktropfen Einschlüsse Dekorative Fehler in der Vorfertigung Partielle Oberflächenfehler Spachtellunker Spachtelausbrüche Welligkeit Schleifriefen Schleifrandmarkierungen Welligkeit bzw. Verzug Riefen Dellen, Beulen Werkzeugmarkierungen Metallspäne Schweißperlen Schmutzeinschlüsse Lackoverspraypartikel Lackabblätterungen Faser/Fäden Spachtel- und Schleiffehler weiligen Messwerte werden in das Bewertungssystem integriert. Das Wesen dieses Bewertungssystems besteht in einer Audi - tie rung über gewichtete Flächen (Zoneneinteilung) an der Yacht und einer Punktevergabe für jede Mangelerscheinung. Mittels umfangreicher Messungen und Beurteilungen an Yachten und Paneelen erfolgte die Evaluation dieses Bewertungssystems. Zur Optimierung der verfahrenstechnischen Einflussgrößen beim Schleifen und Lackieren von Großobjekten hat das Fraunhofer IPA auf der Werft umfangreiche Parameterstudien ausgeführt und Optimierungsansätze aufgezeigt. Der erarbeitete Schwach - stellenkatalog (Bild 4) beinhaltet nicht nur Lackiermängel im Bereich des Lackfilmverlaufes und der Welligkeiten, sondern vor allem auch Lackierfehler durch Schmutzeinschlüsse. Der Schwachstellenkatalog enthält Ursachenbeschreibungen für die jeweiligen Fehler sowie Vermeidungsmaßnahmen. Projektergebnisse Mit der entwickelten Bewertungsmethode besteht ein Ver - fahren zur schnellen Prüfung und Beurteilung der Ober flächen - güte lackierter Flächen an Großobjekten, wie z. B. Schiffen, Flugzeugen, Nutzfahrzeugen und Baumaschinen. Einerseits werden damit Hilfsmittel zur Optimierung der Oberflächen - güte vom Rohbau bis zur Decklackierung und andererseits definierte Abnahmekriterien geschaffen. Die Vorteile sind Zeitund Kosten einsparungen durch einen reduzierten Nacharbeits - aufwand und durch ein definierbares Pflichtenheft mit objektiv bewertbarer Oberflächengüte. Zusätzlich wurden umfangreiche Maß nah men zur Optimierung der Arbeitsabläufe und der Spritzlackier technik im Hinblick auf die Verbesserung der dekorativen Qualität erarbeitet. Durch diese Forschungsergebnisse wird die Wettbewerbs fähig - keit der Werften wesentlich verbessert. Weiterhin erlangen die Werften eine verbesserte Planungssicherheit bei den anstehen - den Investitionen. Durch die Untersuchungen bei jeweils einem Stellvertreter-Unternehmen wurde auch die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf die Branchen Schienenfahr zeug - bau, Flugzeugbau, Busherstellung und Nutzfahrzeugbau (Baumaschinen) nachgewiesen. Die Forschungsergebnisse stellen auch eine wichtige Voraus - setzung für weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte dar, z.b. Nummerische Simulation des Lackaufbaus beim Lackieren (Lackschichtdicke) zur Verbesserung der Lackierqualität, Teilautomatisierungslösungen für die Schleif- und Lackierprozesse, Soft- und Hardware zur Deflektometrie für die Messung von Welligkeiten und Lackfilmverlaufskennwerten, Entwicklung geeigneter Schleifgeräte in Verbindung mit Handhabungssystemen sowie Anlagentechnische Entwicklungen zur Verbesserung der Lackierbedingungen. 1 Beispiel einer Megayacht (Quelle: Fr. Lürssen Werft GmbH&Co.KG) 2 Messtechnische Qualitätserfassung an einer Yacht 3 Auszug aus dem entwickelten Bewertungsrechner 4 Im Schwachstellenkatalog berücksichtigte dekorative Fehler bei der Yachtlackierung hocheffiziente PrecoatIngtechnologIe eröffnet neue märkte FÜr vorbeschichtetes blech Die Kombination aus einer pistolenlosen Pulverauf trags technik und hocheffizienten Infrarotstrahlern ermöglicht die schnelle lösemittelfreie Pulverbeschichtung von Coils und Platinen in extrem kompakten Anlagen. In Ver bin dung mit umformstabilen Pulverlacken und substratober flächen schonenden Um form - techniken eröffnen sich damit neue Wege zur wirtschaftlichen Herstellung komplexer dreidimensionaler Bauteile aus vorbeschichtetem Alu minium- und Stahlblech. Die Pulverbeschichtung von Blechbändern (Coils) und Blechzu - schnitten (Platinen) vereinigt die Stärken der lösemittelfreien und qualitativ hochwertigen Pulverbeschichtung mit den verfahrenstechnischen Vorteilen der Beschichtung vor dem Um - formen (»Precoating«). Bisher liegt der Anteil der mit Pulver lack vorbeschichteten Coils und Platinen in Europa allerdings bei wenigen Prozent der gesamten Precoating-Tonnage an Stahlund Aluminiumblech. Der weitaus größte Teil dieses Blechs wird mit Flüssiglacken in Bandbeschichtungsanlagen bei Durch lauf - geschwindigkeiten bis über 200 m/min im Walzlackierver fahren beschichtet. Pulverlack-Precoating-Anlagen erreichen nach dem heutigen Stand der Technik Durchlaufgeschwindigkeiten von maximal ca. 20 m/min. die grenzen der heutigen Pulverlack-Precoatingtechnik überwinden Ursache dieser Geschwindigkeitsbegrenzung sind zwei wesent - liche technische Hürden: Zum einen wird der Pulverlack mittels Luft auf das Blechsubstrat aufgesprüht, wobei trotz der Nutzung elektrostatischer Anziehungskräfte nur ein Teil des Pulvers am Substrat haften bleibt. Um bei Durchlaufgeschwindigkeiten über 20 m/min die erforderliche Schichtdicke zu erzielen, müsste eine nicht mehr beherrschbare hohe Anzahl von Sprüh organen eingesetzt werden, um die große Menge an Pulverlack zu applizieren. Gleichzeitig würden die großen Mengen des da - bei auftretenden vagabundierenden Pulver staubs zu unrealistisch großvolumigen Absauganlagen führen. Zum anderen liegen die erforderlichen Einbrennzeiten der heute angebotenen Pulverlacke im Bereich mehrerer Minuten, so dass bei höheren Durchlaufgeschwindigkeiten zu lange Einbrennzonen erforderlich wären. Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer IPA in Zusammen - arbeit mit dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrik - betrieb an der Universität Stuttgart (IFF) und dem Leibniz- Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) sowie mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Um - formtechnik IWU in Chemnitz eine hocheffiziente Pulver be - schichtungstechnologie für Coils und Platinen entwickelt, die ähnlich hohe Durchlaufgeschwindigkeiten wie bei der Flüssig - lack-bandbeschichtung sowie komplexe dreidimensionale Um - formprozesse erlaubt. Das Vorhaben wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit über die Arbeits - gemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen»Otto von Guericke«e. V. (AiF) im Rahmen des ZUTECH-Programms ge - fördert (AiF-Vorhaben 271 ZBG) und von 15 meist mittelständischen Industrieunternehmen unterstützt. Diese repräsentieren das gesamte betroffene Branchenspektrum von der Lack-, Hilfs - stoff- und Blechsubstratherstellung über die Beschichtungs- und Umformtechnik bis zu den Endanwendern

60 3 4 wirtschaftliche Herstellung form- und maßgenauer hochkomplexer Bauteile Im Fokus der innovativen Precoating-Technologie stehen neue Märkte für vorbeschichtetes Blech, u. a. im Automobil- und Maschinenbaubereich sowie in der Bau-, Möbel- und Ver - packungsbranche. Die am IPF entwickelten hochumformsta - bilen Pulverlacksysteme eröffnen in Verbindung mit den am Fraunhofer IWU entwickelten substratoberflächenschonenden Umformtechniken neue Wege zur wirtschaftlichen Herstellung form- und maßgenauer hochkomplexer Bauteile aus pulverbeschichtetem Aluminium- und Stahlblech. Der mögliche Kom - plexitätsgrad liegt weit über dem der bisher aus pulverbeschichtetem Blech formbaren einfachen Teile meist für die Bauindustrie wie beispielsweise Profilteile, Kassetten und Gehäuseverkleidungen. Wesentliche Entwicklungsziele hinsichtlich deutlicher Kostenund Qualitätsvorteile gegenüber der klassischen Stückgut- Pulverbeschichtung nach dem Umformen (»Postcoating«) waren ein geringerer Platz- und Energiebedarf der Precoatinganlage sowie ein geringerer Pulvermaterialverbrauch. Dazu wurde die am Fraunhofer IPA in Zusammenarbeit mit dem IFF entwickelte, auf dem elektrostatischen Fluidisierbettverfahren basierende pistolenlose»transapp«-pulverbeschichtungstechnik um neue anlagen- und verfahrenstechnische Komponenten erweitert. Ins - besondere der Einsatz einer innovativen gepulsten Hochspan - nungstechnik führt zu sehr gleichmäßigen Schichtdicken und da - durch zu erheblichen Pulverlackeinsparungen. Das»TransApp«- Beschichtungsmodul weist nur einen Bruchteil des Platzbedarfs sowie weniger als ein Drittel des Druckluftverbrauchs und weniger als ein Drittel der Absaugleistung einer konventionellen Pulverbeschichtungsanlage mit vergleichbarer Durchsatz - leistung auf. Gründe sind die nicht erforderlichen Sprühpistolen und die dadurch nahezu verlustfreie Pulverapplikation sowie die extrem kurzen Beschichtungszeiten. Sekundenschnelles Einbrennen mittels hocheffizienter Infrarotstrahler Kompakte Anlagendimensionen erfordern zudem kurze Ein - brennzeiten der Pulverschicht weit unterhalb der heute üblichen mehreren Minuten. Hierzu werden am Fraunhofer IPA bzw. IFF energetisch hocheffiziente kurz- und mittelwellige Infrarot - strahler eingesetzt, wobei sowohl elektrische als auch gasbetriebene Systeme zur Anwendung kommen. Voraussetzung waren Lackrezeptur-Entwicklungen der Polymerforscher am IPF, die auch bei kritischen Farbtönen und Glanzgradwerten hochqualitative Beschichtungen bei gleichzeitig extrem kurzen Einbrennzeiten bis herunter in den Bereich weniger Sekunden erlauben. Bei den Versuchen am Fraunhofer IWU zeigte das neue Pulver lacksystem auch bei komplexen mehrachsigen Um - formprozessen keinen Haftungsverlust und kaum sichtbare Veränderungen des Pulverlackfilms, z. B. hinsichtlich Glanzver - lust und Mikro rissbildung. Marktübliche Pulverlackmaterialen zeigen hier oft deutliche Schwächen, insbesondere nach einer längeren Lage rung der pulverbeschichteten Platinen. Anwenderspezifische Anlagenkonzepte erlauben schnellen materialwechsel Das Fraunhofer IPA/IFF-Team entwickelte in dem Vorhaben verschiedene Kon zepte zur Umsetzung der neuen Precoating - technologie. Für kleine und mittelständische Unternehmen sind kompakte An lagenkonzepte zur Pulverbeschichtung von vorbeschichteten Blechzuschnitten bei kleinen Losgrößen sehr interessant. Attraktiv ist hier die schnelle Anpassung an wechselnde Platinengrößen und Pulverlackmaterialien. Die Durch - laufgeschwindigkeiten liegen hier im Bereich unterhalb von 50 m/min. Als Alternative zu konventionellen Flüssiglack-Bandbeschich - tungs anlagen wurde ein Konzept entwickelt, bei dem Blech - bänder mit über 100 m/min pulverbeschichtet werden können. Bestimmend für die Anlagendimension ist hier die Länge der Vorbehandlungsanlage sowie die der IR-Be strahlungs-, Nachvernetzungs- und Kühlzone. Ein wesentlicher verfahrenstechnischer Vorteil des Pulverbeschichtungs-Coil anlagen kon - zepts gegenüber konventionellen Flüssiglack-Bandbeschich - tungs an lagen liegt auch hier im schnelleren Materialwechsel. Aufgrund der extrem kompakten Bauweise des pistolenlosen Pulverbe schichtungsmoduls können die Beschichtungsein heiten entsprechend dem Produktions pro gramm innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden. Der ausführliche Abschlussbericht zu dem Projekt kann über die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbe hand - lung e. V. (DFO) unter kausch@dfo-online.de bezogen werden. 1 Mit der neuen Precoatingtechnologie beschichtete Blechplatine nach der komplexen mehrachsigen Innenhochdruck-Blechumformung zu einem Automobilteil (Quelle: Fraunhofer IWU) 2 Kunststoffwerkzeug zur substratoberflächenschonenden Innen - hochdruck-blechumformung (IHB) von pulverbeschichteten Platinen (Quelle: Fraunhofer IWU) 3 Kompaktes pistolenloses Pulverbeschichtungsmodul zur schnellen Blechplatinenbeschichtung (Quelle: Fraunhofer IPA) 4 Sekundenschnelles Einbrennen der Pulverlackschicht mittels gasbetriebenem Hochleistungs-Infrarotstrahler (Quelle: Fraunhofer IPA)

61 lacke und PIgmente Die Abteilung»Lacke und Pigmente«forscht und arbeitet auf dem Gebiet der Lacke, Pigmente und anderer Komponenten organischer Beschichtungssysteme und deren Anwendung. Ziel ist es, der Industrie, und hier besonders den kleinen und mittleren Unternehmen, nachhaltige Impulse für deren Produktund Anwendungsinnovationen zu geben. Zum Dienstleistungsangebot der Abteilung gehören die Be - arbeitung anwendungstechnischer Fragestellungen, die Ent - wicklung neuer Materialkonzepte, die Klärung lackanalytischer Fragestellungen sowie die Entwicklung und Anwendung physikalischer und chemischer Mess- und Prüfmethoden für Lack - rohstoffe, Beschichtungsstoffe und Beschichtungen. Zum weiteren Angebot zählen auch die Erstellung von Gutachten und Schadensanalysen und die Mitwirkung an der Erarbeitung von technischen Regelwerken der Lackbranche. Integration des Institutsteils des FPl e. V. in das Fraunhofer IPA und infrastrukturelle Ertüchtigung der Abteilung lacke und Pigmente Nach einem fast fünf Jahre dauernden, vorbereitenden Prozess wurde am 23. November 2009 das knapp sechzig Jahre alte»forschungsinstitut für Pigmente und Lacke, FPL«in die Fraunhofer-Gesellschaft, namentlich in das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart, als»abteilung Lacke und Pigmente«übernommen. Der Haupt - grund für die Suche nach einem starken Partner war aus Sicht des FPL die über die Jahre abnehmende Grundfinanzierung durch geringere Mitgliedsbeiträge und institutionelle Zuwen dungen, was mittelfristig einen weiteren gesunden Betrieb deutlich er - schwert hätte. So stand am Ende dieser strategischen Neuaus - richtung des FPL e. V. die Übernahme von Institutspersonal, Institutsgebäude und Institutsanlagen durch die Fraunhofer- Gesellschaft. Ein Prozess, der administrativ und operativ im ersten Quartal 2009 begann und sich mit neuen Verträgen für die Mitarbeiter, Anpassungen der Rechnungslegung, Ausgleichszahlungen, Änderungen der Forschungsvorhaben wegen Änderungen der Bezeichnung der Forschungsstelle und vielen weiteren organisatorischen Maßnahmen, die bei einem Betriebsübergang er - forderlich sind, fortsetzte. Dies zog sich bis weit in das Jahr 2010 hinein. Die neue Abteilung ergänzt mit dem Gebiet der Lacke und Pigmente thematisch die bereits seit langem bestehende Ab - teilung»lackiertechnik«durch Kompetenzen auf den Feldern der Lack rohstoffe, des Halbzeugslack und auf dem Feld der fertigen Beschichtung. Durch die Konstellation des»system- hauses Oberflächentechnik«konnte der gesamte Bereich der Ober flächentechnik im Fraunhofer IPA neu positioniert werden. Ein Bereich, in dem galvanische Schichtsysteme und funktionale Beschichtungsmaterialien gleichfalls integriert sind. Die finanziellen Mittel, die für Geräte und das ehemalige FPL- Gebäude aus Konjunkturpaketen zur Verfügung standen und stehen, dienen der Stärkung des zukunftswichtigen Schwerpunktthemas Oberflächentechnik. So stand das Jahr 2010 für die Abteilung im Zeichen der Inbetriebnahme und Integration neuer Anlagen und Geräte und der Vorbereitung des Haupt - umbaus, der im August 2011 abgeschlossen sein muss. All dies läuft neben dem Forschungs- und Entwicklungsbetrieb und hat 2010 von den Mitarbeitern der Abteilung eine be - sondere Flexibilität erfordert. dr. michael Hilt Telefon

62 1 1 uv-lacksysteme Der Prozess der Aushärtung von Lacken durch UV-Licht wird häufig auch als»in-situ-kunststoffherstellung auf einer Vielzahl unterschiedlicher Substrate«apostrophiert. Er besteht aus der Ver netzung einer Mischung aus Monomeren, Oligomeren und Fotoinitiatoren, die eine radikalische Reaktion durch Einwir - kung von UV-Licht initiieren. Wie bei jedem anderen Lack können auch Lösemittel und eventuell geeignete Pigmente in die Rezeptur des flüssigen Ausgangsmaterials Eingang finden. Die In-situ-Reaktion dieser Stoffe ist das Resultat der Ein wir - kung von UV-Licht. Der Lackaushärtungsprozess durch UV- Strahlung ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig wie: Stoffliche Zusammensetzung der Rezeptur UV-Lichtwellenlänge und Verteilung Intensität des UV-Lichts Dosis des UV-Lichts Aushärtetemperatur Inertisierte oder unter atmosphärischen Bedingungen erfolgte Aushärtung Gerade weil die Reaktionsdurchführung unter der Vielzahl von Parametern sehr anspruchsvoll ist, die Aushärtung aber sehr schnell sein kann und damit ökonomisch interessant, stellt die Untersuchung von UV-Systemen ein wichtiges Arbeitsgebiet für die Abteilung Lacke und Pigmente dar. Dies umso mehr, als UV-Lacksysteme auf Grund geringer Lösemittelgehalte als sehr umweltfreundlich gelten und in den Feldern der flexiblen Elektronik, der Energiespeicherung, bei smarten Werkstoffen und beim flächendeckenden Einsatz solarer Energiesysteme auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften im resultierenden Film als wichtige Zukunftskandidaten gehandelt werden bzw. in einigen Feldern auch schon im Einsatz sind. Es wurden und werden Projekte zur Haftfestigkeit von UV- Lacken auf Kunststoffuntergründen, zur Aus- bzw. Durch - härtung von UV-Klarlacken und zur Optimierung der Chemi - kalienbeständigkeit von UV-Klarlacken bearbeitet. 1 Laboranlage zur Aushärtung von UV-Lacken haftfestigkeit von uv-druckfarben auf KunststoFFoberFlächen UV-härtende Lacke erfüllen in hohem Maße ökologische und wirt schaftliche Anforderungen, die an eine moderne Beschich - tungstechnologie gestellt werden; sie zeigen eine ge ringe VOC-Belastung und erlauben eine schnelle, energie- und material sparende Verarbeitung. Die Strahlungshärtung (insbesondere die technisch leichter durchführbare UV-Härtung) gilt neben der Wasser- und Pulverlacktechnologie als eine der drei Zukunfts technologien im klassischen Beschichtungsbereich, um die immer schärfer werdenden Umweltgesetze bei den VOC-Emissionen einzuhalten und die Lackierprozesse wirtschaftlicher zu gestalten. Die Einsatzmöglichkeiten der UV-Technologie sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Derzeit werden große Anstrengun gen unternommen, neue Anwendungsfelder für UV-härtbare Be - schichtungsstoffe zu erschließen, wie z. B. als Decklacke für die Automobillackierung und Coil-Coating-Beschichtungen. Diese Anwendungsfelder setzen allerdings eine UV-Beschich - tungstechnologie voraus, die Beschichtungen ermöglicht, welche auch auf nicht saugfähigen Substraten wie Metall und Kunststoff bei gleich hoher Qualität gut haften. Bei UV-Lacken gibt es für diese Herausforderungen unterschiedliche Ansatz - punkte, z. B. chemische oder physikalische Oberflächenbe - handlung des Substrats, Haftver mittler, Flexibilisierung der Beschichtung. Zur Haftung von UV-Druckschichten auf olefinischen Kunst - stoffen wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) wurden im Berichtszeitraum verschiedene Forschungsvorhaben durchgeführt, in denen folgende Einzelaspekte näher untersucht wurden: Einfluss der»intensität«der Korona-Vorbehandlung Auswirkung der Art der Funktionalisierung des Substrats Verbesserung der Haftung durch Modifikation der UV- Druckfarbe Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden Erkenntnisse zu den wesentlichen Einflussgrößen gewonnen, welche die Haftung von UV-Druckschichten auf polyolefinischen Kunststoff - untergründen bestimmen. Für UV-Druckfarben wurden Grund - lagen zur gezielten Haftverbesserung erarbeitet. Bei PE-Folien war die Intensität der Korona-Vorbehandlung ent - scheidend für die Haftung der UV-Drucke. Unabhängig von der Zusammensetzung der UV-Druckfarben nahm die Haftung mit der Koronaintensität zu. Einflussgrößen waren die Polarität der PE-Oberfläche sowie Art und Anteil gebildeter polarer Grup pen. Bei den UV-Drucken war es wichtig, innere Spannungen zu vermeiden. Dies konnte auf unterschiedliche Weise erreicht werden: durch Flexibilisierung des Bindemittels feucht-warme Lagerung der Drucke Steuerung/Verzögerung der Polymerisation (Abbau bzw. Verhinderung innerer Spannungen bereits während der Polymerisation durch Verlängerung der Solphase) Auf der PP-Folie hafteten die meisten UV-Drucke sehr schlecht. Ursache waren aber nicht innere Spannungen der Drucke, sondern schwache Haftkräfte. So konnte gezeigt werden, dass bei PP-Folien neben der Art und dem Anteil der gebildeten polaren Gruppen das Ausmaß des Polymerabbaus ein für die Haftung entscheidendes Kriterium ist. Bei der Korona-Vorbe - handlung von PP entstanden als wasserlösliche Abbau produkte des Polymeren so genannte»low molecular weight oxidised materials«(lmwom). Die LMWOM-Schicht bildete eine»weak boundary layer«und löste sich mit dem UV-Druck vom PP- Substrat ab. Die Haftung der UV-Drucke konnte durch reak - tive UV-Lackkomponenten deutlich verbessert werden. 1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von PP-Oberflächen

63 1 1 einfluss Der Durchhärtung bei uv-härtenden KlarlacKen und Deren einfluss auf DIe mechanischen beschichtungseigenschaften In modernen Lacksystemen spielen Klarlacke eine wichtige Rolle. Sie erzeugen den hohen Glanz und vermitteln den äs - thetischen Ein druck und sorgen für den Schutz der unteren Lackschichten gegen Wasser, Elektrolyte, Chemikalien und UV-Strahlung. Diese Funktionen können Klarlacke nur dann erfüllen, wenn sie mechanisch beständig sind und gut haften. Das primäre Forschungsziel ist die Aufklärung der stofflichen bzw. prozessrelevanten Einflussfaktoren auf die Homogenität der 3-D-Vernetzung und die damit verbundenen anwendungsrelevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften. KMU- Herstellern soll so bei Entwicklungsarbeiten in der vorwettbewerblichen Phase Hilfestellung geleistet werden. Deren bis herige Entwicklungsarbeiten beruhen auf empirischen An sätzen, sind aufwändig und verfehlen aufgrund mangeln der Kenntnisse des Phänomens häufig dieses Ziel. Die empirischen Ansätze, wie die Variationen der Bindemittelrohstoffe, Erhöhung der Photoinitiatorkonzentration, Erhöhung der UV-Dosis und der Einsatz von nanoskaligen Materialien werden nachgestellt und eingehend untersucht. Darüber hinaus werden sie in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die chemischen und physikalischmechanischen Eigenschaften in einen Gesamtzusammenhang eingeordnet. Priorität sollen solche Nanopartikel untersucht werden, die sich in der Verbesserung der Eigenschaften konventioneller Klarlacke bewährt haben. Dazu zählen nanoskalige oberflächenmodifizierte Oxide wie SiO 2, Al2O 3, CaCO 3 etc. Wichtig ist dabei die Erkenntnisgenerierung über den Einfluss von Nanopartikeln auf die 3-D-Vernetzung, die Bestimmung des Doppelbindungs-Umsatzes, den Restgehalt an Fotoinitia - toren sowie Erkenntnisse über mechanische Eigenschaften, z. B. durch lokal aufgelöste Härtemessungen an Keilschnitten. Die konfokale Ramanmikroskopie ist ein Verfahren, um tiefenaufgelöst (Auflösung ca. 2μm) unverbrauchte Fotoinitiatoren und nicht umgesetzte Doppelbindungen zu detektieren. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die Intensität des Spektrums mit zunehmender Tiefe größer wird. Trotzdem kann die Konzentration von Doppelbindungen mit Hilfe einer Referenzbande tiefenabhängig ermittelt werden. Auch der Untergrund (Glas, Blech, Kunststoff) unterscheidet sich im Spektrum des Lacks. Die damit ermittelten Schichtdicken stimmen mit den klassischen Schichtdickenmessungen (magnetisch-induktives Verfahren, Keilschnitt) überein. neuartige uv-härtende KlarlacKe mit hoher chemikalienbeständigkeit Es werden hohe Anforderungen an Lacke zur Automobilbe - schichtung gestellt, insbesondere hinsichtlich der Chemikalien-, Witterungs- und mechanischen Beständigkeit. Zurzeit gibt es keine UV-härtenden Automobilklarlacke auf dem Markt, die diese Anforderungen erfüllen. Bei bisherigen Arbeiten an UV-härtenden Lacken wurde im Wesentlichen auf kommerziell verfügbare und möglichst chemisch resistente Bindemittel, Reaktivverdünner und nicht vernetzende Additive zurückgegriffen. Im Rahmen einer industriellen Zusammenarbeit wurden nun spezielle, auf Monomeren basierende Additive für UV-ver - netzende Klarlacke entwickelt, durch welche die gemäß einem Automobilstandard bestimmten Säurestabili täten um ca. 5 C, die Alkalistabilitäten jedoch maßgeblich um bis zu 20 C verbessert werden konnten (siehe Abbildung). Sowohl die neuartigen Stoffe als auch deren Anwendung in UV-härtenden Lacksystemen wurden zur Patentierung angemeldet und Lizenzverhandlungen mit einem führenden Rohstoffhersteller aufgenommen. Zurzeit werden Arbeiten mit interessierten Firmen im Rahmen eines Industrieprojekts durchgeführt, um die Ergebnisse baldmöglichst in der Praxis umsetzen zu können. Das Ziel zukünftiger Entwicklungen soll die Implementierung von praxistaug - lichen Klarlacken mit ausreichender Witterungsbeständigkeit und erhöhter Chemikalienbeständigkeit in der Automobil - industrie sein. Dieses Projekt wurde im Jahr 2010 mit dem dritten Platz beim Fraunhofer IPA Innovationspreis prämiert. 1 Säure- und Alkalibeständigkeit neuartiger UV-Klarlacke Ein weiteres Forschungsziel ist die Untersuchung des Einflusses von Nanopartikeln auf anwendungs- und prozessrelevante physikalische und chemische Eigenschaften. Mit besonderer 1 Konfokales Ramanmikroskop

64 1 1 2 nanotechnologie In beschichtungen Mitte dieses Jahrzehnts wird für die Nanoindustrie welt weit Gerade im Bereich der Oberflächentechnik, speziell im Arbeits - ein Umsatz mit Nanomaterialien in Höhe von 3 Bil lionen gebiet der Lacke und Pigmente, haben diese dimensionalen prog nostiziert. Die technologische und ökonomische Be deu - Größen und die daraus resultierenden besonderen funktio - tung der Nanotechnologie ist enorm und ihr Status als eine nalen Aspekte, wie zum Beispiel die extrem große spezifische der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts berechtigt Ober fläche, schon seit jeher eine wichtige Rolle in der For - be sonders für den Standort Deutschland. Deutschland gehört schung und der Erklärung der phänomenologischen Zusammen - bereits heute zu den führenden Standorten auf dem Feld der hänge der Wechselwirkung in diesen Systemen gespielt. Durch Nanotechnologie, fast die Hälfte der europäischen Nanotech - bessere analytische Möglichkeiten sind die Eigenschaften heute nologie-unternehmen haben hier ihren Sitz. Schon heute hängen Arbeitsplätze in Deutschland direkt und Pigmente in mehreren Einzelprojekten mit nanotechni- messbar. Es ist daher naheliegend, dass sich die Ab teilung Lacke oder indirekt von der Nanotechnologie ab. schen Fragestellungen wissenschaftlich auseinandersetzt. Der Begriff Nanotechnologie leitet sich vom altgriechischen Wort»nános«ab, was so viel wie»zwerg«bedeutet. Der Be - griff bezieht sich also auf die Größe von Partikeln, Grenzflächen und Strukturen, in welchen die besonderen Eigenschaften der nanotechnischen Anwendungen und Produkte liegen. Eine allgemein anerkannte Definition des Begriffes gibt es noch nicht, was daher für Probleme mit dessen Abgrenzung sorgt. In weiten Teilen der Forschungslandschaft hat sich jedoch folgende Beschreibung durchgesetzt: Nanotechnologie bezieht sich auf die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien und inneren Grenz flächen, bei welchen mindestens eine der kritischen Dimensionen weniger als 100 Nanometer (und größer als 1 Nanometer) ist. 1 Prinzip der Fotokatalyse FotoKatalYtIsch aktive baufarben FÜr saubere FassaDen Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Nanotechnik ist die Aus - rüstung von qualitativ hochwertigen Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften. Bei dieser Art der Oberflächen- und Schichtfunktionalisierung hat die Fotokatalyse einen wichtigen Stellenwert eingenommen, wobei nanopartikuläres Titan dioxid (TiO 2) in der Anatas-Modifikation als einer der wichtigsten Fotokatalysatoren eingesetzt wird. Das grundlegende Prinzip für nachhaltig selbstreinigende tech - nische Oberflächen ist der fotokatalytische Abbau von organischen Verunreinigungen und der Freilegung (anorganischer) Schmutzbestandteile sowie deren Ablösung von der Ober - fläche durch Regen. Die fotokatalytische Wirkung bei TiO 2 beruht auf dessen Halb - leitereigenschaften: UV-A-Licht der Wellenlänge 380 nm erzeugt bei Anatas Elektron-Loch-Paare. Die Elektronen oder Löcher können im Titandioxid an die Oberfläche diffundieren und erzeugen dort Radikale. Aufgrund der stark oxidierenden Wirkung der Löcher entstehen bei der Reaktion mit Wasser hochreak tive Hydroxylradikale, welche organische Substanzen, die meist als Haftbrücken zu Verschmutzungen fungieren, zu Kohlendioxid und Wasser zersetzen. Die freigelegten anorganischen Schmutz partikel können dann durch Regen von der Oberfläche abgelöst werden. Wichtige Voraussetzung für eine effiziente Selbstreinigungs - wirkung bei diesem Mechanismus ist eine möglichst vollständige Belegung der Oberfläche mit nanopartikulärem Titan - dioxid und eine möglichst stabile Fixierung in einer Matrix. Im laufenden AiF-Forschungsprojekt»Fotokatalytisch aktive Baufarben für saubere Fassaden«untersuchen wir an den technologisch wichtigsten Fassadenfarben-Systemen, ausgestattet mit fotokatalytisch aktiven Pigmenten, in Labor- und Freibewitterungsversuchen die Systembeziehungen Ver - schmutzungsneigung, Wetterbeständigkeit und Bindemittel- Matrixstabilität zu Hydrophobie-/Hydrophilie. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Entwicklung bzw. Modifizierung einer Kurzzeit-Laborprüfmethodik, mit der die schmutzabbauende Wirkung bzw. das Selbstreinigungspotenzial der Beschich - tun gen in der Freibewitterung abgeschätzt werden kann. Zur Verifizierung der Labortestergebnisse mit dem Praxisverhalten der Beschichtungen haben wir Proben an einem Bewitte rungs - stand in Stuttgart in unmittelbarer Nähe zur B10/B14 mit sehr hohem Schmutzeintrag miteinbezogen. 1 Laboranlage zur Fotokatalyse 2 Messkurven Fotokatalyse

65 1 1 nanoskalige KorrosIonsschutz - PIgmente FÜr grundierungen Nanoskalige Korrosionsschutzpigmente können die Schutz - wirkung einer Beschichtung wesentlich erhöhen. Gegen über kommerziell erhältlichen Produkten verfügen sie über deutliche Vorteile, die mit einem sehr nahen Kontakt zum metallischen Substrat und kurzen Transportwegen der aktiven Spezies zu den korrosiv gefährdeten Stellen der Metallober fläche zusammenhängen. Hinzu kommt noch ein hinreichendes Angebot an aktiven Spezies, die infolge des Kontakts zwischen Wasser und relativ großer spezifischer Oberfläche von Nanopartikeln entstehen. Es gibt ebenfalls überzeugende Hin weise auf eine verstärkende Wirkung von Nanopartikeln sowohl auf die Barriere- als auch mechanische Eigenschaften und Haftfestig - keit von polymeren Bindemitteln, sofern eine starke Partikel-/ Polymer-Wechselwirkung vorliegt. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Vorhabens wurde eine wesentlich erhöhte Korrosionsschutzeffizienz für nanoskalige Korrosionsschutzpigmente in Grundierungen nachgewiesen und bestätigt. Die innerhalb des Forschungsvorhabens eingesetzten nanoskaligen Korrosionsschutzpigmente konnten im Top-down-Verfahren unter Einsatz von speziellen Mühlen und Additiven aus kommerziellen Pigmentproben hergestellt werden. Nach der Einarbeitung der nanoskaligen Korrosions - schutzpigmente in praxisnahe Grundierungsformulierungen wurden die Lacke auf unterschiedlichen Metallen (Stahl, verzinkter Stahl und Aluminium) mit variablen Oberflächenrau - heiten appliziert und nach einer thermozyklischen Belastung unter Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie sowie der Raster-Kelvin-Sonde charakterisiert. Die hierbei erhaltenen positiven Ergebnisse für die nanoteiligen Kor - rosionsschutzpigmente korrellierten sehr gut mit Resultaten der u. a. auf Helgoland durchgeführten Freibewitterungen und mit Ergebnissen in Labortests. Die Resultate beweisen, dass die nanoskaligen Korrosions - schutzpigmente eine wesentlich vergrößerte Kor rosions schutz - wirkung bis hin zur Selbstheilung im Vergleich zu Standard- Korrosionsinhibitoren aufweisen und damit die Herstellung von neuartigen und hocheffizienten Korrosions schutz grundie - rungen ermöglichen. Durch die Anwendung von Bottom-up- und Top-down-Verfahren wird in einem Folgeprojekt versucht, verschiedene nanoskalige Korrosionsschutzpigmente herzustellen und deren Oberfläche so zu modifizieren, dass sie sich nahe an der Metalloberfläche anreichern und somit noch effizienter die Korrosionsschutzund die Selbstheilungsaufgaben erfüllen. 1 Modell mikroskaliger (a) und nanoskaliger (b) Korrosions - schutzpigmente bzw. -partikel in einer Lackschicht restentleerbarkeit von verpackungen Die Untersuchung von Verpackungen nach der Entleerung durch stand eines Systems gilt, der jedoch beim Entleeren pastöser Konsumenten zeigt häufig große Mengen an Produktrück - oder hochviskoser Füllgüter nicht gegeben ist. ständen (bei pastösen Produkten bis zu 20 Prozent), die an der Oberfläche der Verpackung anhaften und somit nicht der Deshalb sollen in einem Vorhaben in Zusammenarbeit mit der bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt werden können. TU München folgende Fragestellungen geklärt werden: Dieses Phänomen zieht sich durch die gesamte Wert schöpfungs - Welche Phänomene treten beim Abfließen der Füllgüter an der kette. Es ergibt sich ein volkswirtschaftliches Einsparpotenzial Grenzfläche auf und welche Ursachen lassen sich zuordnen? von etwa 900 Mio Euro jährlich alleine in der Bundesrepublik Welche Rolle spielt die Phasigkeit des Füllgutes? Werden Deutschland. bestimmte Einzelkomponenten des Füllgutes bevorzugt an der Packstoffoberfläche adsorbiert? Gibt es Synergieeffekte Die Be- und Entnetzung von Oberflächen durch Flüssigkeiten zwischen mehreren Füllgutkomponenten oder zwischen spielen eine wichtige Rolle. Die unterschiedlichen Mechanismen Füllgutbestandteilen und den funktionellen Gruppen der zwischen Flüssigkeit und Oberfläche werden meist phänomenologisch nach polaren und dispersen Wechselwirkungen auf- Wie schnell stellt sich ein Adsorptionsgleichgewicht ein, d. h. Packstoffoberfläche? geteilt. Das Verhalten komplexer Ge mische unter diesen Be - wann und wie ändert sich das Ablaufverhalten des Füllguts dingungen war allerdings bislang kaum Gegenstand von nach längerem Kontakt mit der Packstoffoberfläche? Untersuchungen. Wie stellen sich in Bezug zum Entleerungsverhalten die Beiträge der rheologischen Eigenschaften des Füllguts und Die zeitabhängige Beschreibung der Wechselwirkung sehr der chemischen und physikalischen Charakteristika der komplexer, pastöser fluider Systeme mit Festkörperober flächen Oberfläche quantitativ im Verhältnis zueinander dar? wurde bislang kaum betrachtet. Auch fehlen Angaben zum zeitlichen Ablauf der Leerung einer Verpackung, bei der ein Bei der TU München wurden verschiedene Ablaufversuche an der Oberfläche anliegender Rest entweder auf der Ober - durch geführt und die Füllgut-Packstoff-Kombinationen über fläche verbleibt oder eine Entnetzung stattfindet. Im Gegen - die zeitaufgelöste Wägung der abgelaufenen Menge charakteri - satz dazu finden sich zum makroskopischen Phänomen der siert. Dabei ergaben sich Korrelationen mit der am Fraunhofer Produktan haftung in der Literatur an verschiedenen Stellen IPA durchgeführten rheologischen Charakterisierung der Füll - experimentelle Ansätze zur einfachen Quantifizierung dieses güter. Insbesondere die Ruhestruktur (Flüssigkeits- oder Fest - Adhäsions verhaltens an flachen Packstoffproben, die weiterverfolgt werden sollen. zu sein. Die Oberflächenspannung der Packstoffe hingegen körpercharakter) scheint maßgeblich für das Ablaufverhalten beeinflusst das rheologische Verhalten nur unwesentlich. Bisher kann aus der Kenntnis messbarer Oberflächeneigen - schaften von Materialien keine sichere Voraussage über das Adhäsionsverhalten von Füllgütern gemacht werden. Dies liegt zum einen an der meist sehr komplexen Zusammen setzung vieler Füllgüter, zum anderen ist die Oberflächenenergie eine Größe, die nur für den thermodynamischen Gleichgewichtszu - 1 Flüssigkeit im Rheometer

66 ProzessengIneerIng FunKtIonaler materialien Faszination kohlenstoff 10 Jahre Nanotechnologie am Fraunhofer IPA schöpfungskette, das Engineering nanoskaliger funktionaler Partikel wie beispielsweise des Kohlenstoffs, er schlossen werden. Kohlenstoff ist der Werkstoff für die Zukunft und quasi unbegrenzt verfügbar. Je nach Molekülform besitzt er unterschiedlichste Eigenschaften. Weich wie Graphit oder hart wie Diamant sind beispielsweise bereits bekannte und etablierte Charaktere des Kohlenstoffs. Im Automobilsektor gewinnt Kohlenstoff immer mehr an Bedeutung. So sind Kohle faser-verbundwerk - stoffe eine der wichtigsten Technologien im gesamten Kontext des Leichtbaus und BMW hat bereits ein Fahr zeug mit Kohle - fasertechnologie für den Serienstart angekündigt. Aber Kohlen - stoff kann noch viel mehr. Er hält extremsten Tem peraturen stand, kann sowohl Wärme als auch extrem hohe elektrische Ströme leiten und findet seine Anwendungen so wohl als Sensor wie auch als Aktuator. Die Wissenschaftler aus der Abteilung beschäftigen sich nun seit zehn Jahren mit der Erschließung neuer Werkstoff- und Produkt - eigenschaften, basierend auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auch bekannt unter dem Begriff der Carbon Nanotubes (CNT), und weiteren nanoskaligen Kohlenstoff-Allotropen wie dem des Graphen. Dabei gewinnen unsere Forschungsarbeiten zur Synthese, Formulierung, Dispergierung und Applikation von nanoskaligen Kohlenstoffen durch die zunehmende Verknap - pung der Ressourcen an Bedeutung. Durch das hohe Maß an Technologie und Verfahrensintegration sind wir in der Lage, extrem schnell kundenspezifische Lösungen zu erarbeiten und können unseren Kunden eine weltweit einzigartige Dienst leis - tung anbieten. Metalle mit höherer Festigkeit und deutlich ver - besserten tribologischen Eigenschaften, energieeffziente Heizungsschichten, welche vollkommen neue Design freiheiten ermöglichen, oder transparente und elektrisch leitfähige Schich - ten für Photovoltaik, Unterhaltungselektronik wie Touchpanels und Displays. Hierbei zeichnen sich unsere Lösun gen immer durch maximale Wirtschaftlichkeit und Produktions tauglichkeit aus. Um diese zum Teil hochkomplexen Aufgaben zu bewältigen, muss der kontinuierlichen Integration von neuen Materialien wie Graphen ein bislang kaum bearbeitetes Feld in der Wert - Gestützt durch Simulationsdaten und das fundamentale Ver - ständnis von funktionalen Eigenschaften der Partikel, arbeiten unsere Wissenschaftler an der Umsetzung neuester Pro duk t - innovationen. Hierbei verfolgen wir das Ziel, unseren lokalen Kunden die international besten Lösungen anbieten zu können. Um dies zu erreichen, nehmen wir aktiv am internationalen Dialog teil und stellen uns dem globalen For schungswett be - werb. Neben einer jährlich stattfindenden Fachtagung, den Stuttgarter NanoDays, auf der internationale Spitzenforscher ihre neuesten Ergebnisse vorstellen und über notwendige kom - mende Forschungsschwerpunkte diskutieren, ist die Abteilung insbesondere in Ostasien aktiv. Dabei nimmt Japan neben dem gigantischen Wachstumsmarkt China eine besondere Rolle ein. Japan ist in der Nanotechnologie, insbesondere den CNTs, der am weitesten entwickelte Markt. Nach der Pionierarbeit der Professoren Endo und Iijima sind dort die weltweit meisten Unternehmen mit nanoskaligem Kohlenstoff und dessen Pro - dukten beschäftigt. Um an diesen Entwicklungen teilhaben zu können, hat die Abteilung eine Kooperationsver ein barung mit der Stadt Osaka abgeschlossen und verfügt über exzellente Beziehungen zum dortigen Forschungs- und Industrie markt, der nun strategisch erschlossen wird. Trotz der wirtschaftlichen Herausforderungen zum Jahresbeginn 2010 konnte die Abteilung wachsen und verfügt über beste Voraussetzungen ein nicht minder erfolgreiches Jahr 2011 zu erreichen werden uns mehr denn je die Themen um Graphen, Synthese, Leichtbau, Produktions technik, CNT und flexible Elektroden für Photovoltaik und Elektronik be schäftigen. Bei aller wissenschaftlichen Faszination lassen wir nie außer Acht, warum wir uns mit nanoskaligem Kohlenstoff beschäftigen: um unseren Kunden Produktinnovationen und Wettbe - werbsvorteile zu ermöglichen nicht mehr, aber auch nicht weniger. Ivica kolaric Telefon

67 1 elektrochemische herstellung von FunKtIonalIsIerten graphennanoplatelets Ausgangssituation Graphen besteht aus einer dünnen Schicht von sp 2 -gebundenen Kohlenstoff-Atomen und formt damit ein sechseckiges planares Kristallgitter. Graphen besitzt herausragende Eigenschaften in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit, die mechanischen Eigen - schaften und die elektronischen Transporteigenschaften. Sie machen Graphen zu einem Material mit hohem Anwendungs - potenzial für Produkte in der Elektronik insbesondere der Sensorik, der Energiespeicherung und der Energieumwand - lung und auch als Füllstoff in Polymer-Verbundwerkstoffen. Die Entdeckung von Graphen, seiner außergewöhnlichen Eigenschaften und den breiten An wendungsmöglichkeiten führte zur Entwicklung vieler unterschiedlicher Produktions - methoden. Um jedoch Graphen erfolgreich in einer technischen Anwendung zu nutzen, wird ein Herstellverfahren von hochwertigem Graphen und von Graphen-Nanoplatelets, das sind Graphitflocken, in großem Maßstab benötigt. Aufgabenstellung und ziel Der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung am Fraunhofer IPA liegt auf der Herstellung von funktionalisiertem Graphen für den Einsatz in Polymer-Kompositen mit veränderten mecha ni - schen, elektrischen und thermischen Eigenschaften in großem Maßstab. Im beispielhaften Fall einer mechanischen Verstärkung wird eine starke Bindung des Füllstoffs an die Polymer-Matrix verlangt. Um diese zu erreichen, ist eine entsprechende Funk tio - nalisierung der Graphen-Nanoplatelets notwendig im Ideal - fall bereits bei der Produktion erreicht. Die am Fraunhofer IPA verfolgte elektrochemische Exfolierung aus Graphit enthält be reits einen Funktionalisierungsschritt. Vorgehen Bei der elektrochemischen Exfolierung wird an Graphit-Elek - troden in verschiedenen Elektrolyten und mit Hilfe von elek - trischer Energie ein Elektrolyse-Prozess durchgeführt, bei dem Graphen-Nanoplatelets an einer der beiden Graphit-Elektroden erzeugt werden. Die Elektrolyse ist ein Verfahren, in dem chemische Stoffe mit Ladungsträgern an der Oberfläche der Elektrode reagieren. Als Folge des Prozesses der Reaktion und Anlagerung von Re - aktionsprodukten an die Elektrode werden kleine Nanoplatelets von der Oberfläche der Elektrode abgelöst. Zur Optimierung des elektrolytischen Exfolierungsprozesses mit dem Ziel der Produktion in großem Maßstab wurden am Fraunhofer IPA verschiedene Elektrodentypen (hochorientiertes Graphit (HOPG) und normale Graphit-Elektroden), verschiedene Arten von Elektrolyten (ionische Flüssigkeiten, Tenside und Polyelektrolyte) und Nachbehandlungsmethoden getestet. Ergebnis Bei der Exfolierung von preiswerten Elektrodenmaterialien und im Vergleich zu den Ergebnissen an teureren HOPG-Elektroden wurde gezeigt, dass hoch funktionalisierte Graphen-Nano - platelets zu geringen Kosten hergestellt werden können. Die Partikelgröße und die graphitische Qualität wird hauptsächlich durch die Wahl des Elektrodenmaterials bestimmt, während die Wahl des Elektrolyts Einfluss auf die Art der Funktionalisie - rung und die Prozesseffizienz hat. Wir haben dabei nachgewiesen, dass die elektrochemische Exfolierung von Graphit zu Graphen-Nanoplatelets einen anodischen Prozess darstellt. Kovalente Bindungen werden zwischen Stoffen aus dem Elek - trolyt und den Graphen-Schichten gebildet. Das Produkt ist meist transparent und in der Regel nicht mehr elektrisch leitfähig oder verliert Größenordnungen in der Leitfähigkeit. Tempern in inerter Atmosphäre als Nachbehandlungsmethode entfernt die Funktionalisierung und führt zur teilweisen Wiederherstel - lung der elektrischen Eigenschaften. So kann das Tempern als Methode zur Einstellung der gewünschten Leitfähigkeit oder Funktionalisierung verwendet werden. Die elektrolytische Exfolierung teilt mit den anderen chemischen Herstellungsmethoden für Graphen die Vorteile der einfachen Möglichkeit des Hochskalierens und der Nutzung wirtschaftlich günstiger Ausgangsmaterialien (Graphit). Zusätzlich bietet sie noch den Vorteil der Verwendung von ungiftigen Materialien (Elektrolyte). Sie ist daher umweltfreundlicher und benötigt keinen besonderen Arbeitsschutz. Darüber hinaus bietet das Verfahren die Möglichkeit der gleichzeitigen Funktionalisie rung und Oberflächenmodifizierung von Graphen-Lagen, was einer - seits eine Vereinfachung des Herstellverfahrens bedeutet und andererseits bei der weiteren Verarbeitung eine vorteilhafte Anbindung an ein Matrixmaterial ermöglicht, falls Graphen als Füllstoff für Polymer-Nanokomposite verwendet werden soll. Die Graphen-Nanoplatelets liegen zunächst in Form von stabilen, wässrigen Suspensionen vor. Außerdem kann Graphen nach diesem Herstellungsverfahren als dünne Schichten (auch trans parent) und Pulver verarbeitet werden. Ausblick Die Skalierung des Prozesses wird derzeit durch die benötigte Prozessdauer und durch die Kosten der eingesetzten Elektrolyte begrenzt. Daher werden kostengünstigere und chemisch effizientere Elektrolyte gesucht, um die Hochskalierung des Prozesses zu ermöglichen. Es ist nicht auszuschließen, dass Defekte im Graphit als Reak - tionszentren eine wichtige Rolle für die Funktionalisierung spielen. Für zukünftige Arbeiten streben wir an, Parameter wie die Konzentration der Defekte so einzustellen, dass die beabsichtigten Wirkungen bzw. Eigenschaften systematischer erreicht werden. Des Weiteren kann die Aufklärung möglicher Zusammenhänge zwischen der Größe (molare Masse) des Polyelektrolyts und der Dicke der Graphenschichten den Weg zu speziell entworfenen, optimierten Elektrolyten für die Exfolierung und Funktionalisierung ebnen. 1 (Links) Graphen-Nanoplatelets als dünne Schicht auf einem Kunststoff-Substrat, (rechts) Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Graphen-Nanoplatelets-Schicht

68 1 2 einfluss von nanopartikeln auf DIe rheologischen eigenschaften von PolYcarbonat Ausgangssituation Carbon Nanotubes (CNTs) sind ein vielversprechendes Füllstoff - material für Kunststoffe zur Erhöhung der elektrischen Leit - fähigkeit und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Es ist jedoch bekannt, dass diese Nanopartikel signifikant zu einer Erhöhung der Schmelzviskosität eines Thermoplasts beitragen, was wiederum im Spritzgussprozess zu einer großen Herausforderung führt. ziel und Aufgabenstellung Das Fraunhofer IPA hat es sich zur Aufgabe gemacht, die herausragenden Merkmale der Carbon Nanotubes in makroskopische Anwendungen zu überführen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von CNTs und Carbon Black (CB) auf die rheologischen Eigenschaften einer Polymermatrix untersucht. CB ist ein herkömmlicher Füllstoff, welcher für Antistatik und für elektrisch leitfähige Kunststoffe eingesetzt wird. Im Ver - gleich mit CNTs ist eine höhere Konzentration an CB notwendig, um die Perkolationsschwelle für eine elektrisch leitfähige Matrix zu erreichen. Im Gegensatz zu CNTs hat CB jedoch einen geringeren Einfluss auf die Viskosität der Schmelze. Dies kann auf die unterschiedliche Struktur des CB (sphärisch) im Gegensatz zu den CNTs (faserförmig) zurückgeführt werden. Deswegen wird erwartet, dass die Kombination aus diesen zwei unterschiedlichen Geometrien durch eine niedrigere innere Reibung eine geringere Viskosität aufweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob eine Kombina - tion der Füllstoffe CNTs und CB in Polycarbonat (PC) eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit aufzeigt wie PC mit ausschließlich CNTs als Füllstoff, jedoch mit einer niedrigeren Viskosität. Vorgehen Die Ausgangsmaterialien, die bei dieser Arbeit eingesetzt wurden, sind Polycarbonat Makrolon 2405 von der Bayer AG, Multi walled Nanotubes (MWNTs) Ctube 100 von CNT Co., Ltd. sowie das Carbon Black Printex XE2 der Evonik AG. Polycarbonat makrolon 2405 Dichte [kg/m³] Glasübergangstemperatur [ C] Verarbeitungstemperatur [ C] MVR melt volume rate [cm³/10min] E-Modul [MPa] spez. Durchgangswiderstand [Ω*m] cnts ctube 100 Dichte [g/cm³] Schmelztemp. [ C] Durchmesser [nm] Länge [μm] 2,1 ca cb Printex xe2 Dichte [g/cm³] Durchmesser [nm] C- Gehalt [%] ,00E+14 1, Zur homogenen Verteilung der CNTs sowie CB in der thermoplastischen PC Matrix wurde ein modularer Laborextruder PolyLab OS Rheomex PTW16 der Firma HAAKE verwendet. Die Homogenisierung entsteht durch zwei gleichlaufende Schnecken, die für das Compoundieren in unterschiedliche Bereiche unterteilt sind. Für die Probenherstellung wurde eine Breitschlitzdüse verwendet. Um die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften durch - zuführen, sind die extrudierten Proben zu einer Rechteckform zugeschnitten worden. Diese Proben wurden einer thermischen Nachbehandlung bei 150 C für eine Stunde unterzogen und anschließend langsam abgekühlt. Die Kontaktierung der Proben erfolgte mittels Silberleitlack. Die Messung der elektrischen Eigenschaften wurde durch ein 4-Leiter-System (Agilent 34420A Micro Ohm Meter) realisiert. Da die verwendeten Füllstoffe einen großen Einfluss auf die Fließfähigkeit des Materials haben, ist die Viskosität der verschiedenen Materialrezepturen untersucht worden. Für die Viskositätsmessungen wurde das Platte-Platte-Rheometer Haake Mars 2 verwendet. Die Platte-Platte-Messanordnung besteht aus zwei parallel zueinander liegenden Platten mit einem Durchmesser von 20 mm. Die Messungen wurden bei einem konstanten Plattenabstand von 0,9 mm durchgeführt. Um die Grenze des linear-viskoelastischen Bereichs (LVE) zu bestimmen, sind zwei verschiedene Oszillationsversuche durch - geführt worden: ein Amplitudentest und ein Frequenztest. Ergebnis Wenn in einem PC-CNT-Compound der Anteil von CNTs gesenkt wird (Tabelle 1 1A-1B) und anschließend eine Zugabe an ge - ringen Füllmengen von CB erfolgt (Tabelle 1 1B) kann die Viskosität des PC-CNT-CB-Compounds (Tabelle 1 1B) im Ver - gleich zu PC-CNT-Compound (Tabelle 1 1A) gesenkt werden bei Erhaltung vergleichbarer elektrischer Eigenschaften. Im Falle von größeren Zugaben an CB (Tabelle 2 2B, 2D) konnte feststellt werden, dass sich der elektrische Widerstand wenig beeinflussen lässt. Hierdurch sind wesentlich höhere CB- Füllstoffkonzentrationen im Compound nötig, um vergleichbare Werte mit reinen PC-CNT-Compounds zu erlangen. Durch die daraus resultierenden hohen Füllstoffkonzentrationen kommt es zu einer erheblichen Steigerung der Viskosität. zusammenfassung In der Studie konnte ein PC-CNT-CB-Compound mit vergleichbaren elektrischen Eigenschaften wie ein reines PC-CNT-Com - pound hergestellt werden. Dabei ist eine niedrigere Schmelz - viskosität des PC-CNT-CB-Compounds im Vergleich mit reinen PC-CNT-Compounds mit der gleichen Füllstoffmenge erreicht worden. Eine Verringerung der Viskosität von einem PC-CNT-Compound von 20 Prozent ermöglichte die Zugabe von kleineren Mengen an CB bei Erhaltung der gleichen elektrischen Eigenschaften. 1 Einfluss von kleineren Füllmengen an CB auf die Viskosität des PC-CNT-CB-Compounds bei konstanten elektrischen Widerständen 2 Einfluss von größeren Füllmengen an CB auf die Viskosität des PC-CNT-CB-Compounds bei konstanten elektrischen Widerständen

69 galvanotechnik Galvanotechnik ist die wirtschaftliche und flexible Herstellung hochwertiger Beschichtungen für eine Vielzahl von Industrie - zweigen. Oft ist die Verwendung von innovativen, multifunktionellen Schichtwerkstoffen zur Veredelung von Bauteilober - flächen ein unverzichtbares Mittel, um im weltweiten Konkur - renz kampf zu bestehen. Vor allem in der heutigen Zeit sind diese Aspekte, verknüpft mit wirtschaftlichen und ressourceneffizienten Ver fahren, für alle Industriezweige relevant. Wichtig wird dabei für die Anwender immer mehr, dass die Galvano - technik in unserem Jahr tausend ohne Zweifel dem Begriff»Green Chemistry«zu zuordnen ist und in Bezug auf Aspekte wie z. B. Materialaus beuten konkurrierenden Verfahren überlegen ist. Die Abteilung»Galvanotechnik«des Fraunhofer IPA unterstützt alle Schritte entlang der Entwicklung galvanotechnisch basierter Fertigungstechnologien, von der Verfahrensentwicklung über Maßnahmen zur Prozessstabilität und Qualitätssicherung bis hin zur Anlagenkonzeption und der Konstruktion von Schlüssel - komponenten. Durch diesen Ansatz stehen wir im deutschsprachigen Forschungsmarkt als einziger Anbieter für Entwick - lungen in dieser Breite und Durchgängigkeit für galvanische Ver - fahren. Die große Zahl an zufriedenen Stammkunden be stärkt uns darin, diese Ansätze konsequent weiter zu entwickeln. Mit unserer Technologie des Selektiven Beschichtungs-Zentrums (SBZ) ist uns ein weiterer Schritt in Richtung High-End-Galvano - technik gelungen. Häufig wird die Galvanotechnik wie auch die gesamte Be - schichtungstechnik aber immer noch als eine Technologie be - trachtet, die ein lästiges aber notwendiges Element in der Fertigungskette darstellt. Zielgerichtet umgesetzt ist sie jedoch zweifellos eine Möglichkeit, Werkstoffe gezielt und kostengünstig zur Realisierung wichtiger Produkteigenschaften einzusetzen. Gerade in den letzten Jahren hat es hier eine Reihe interessanter Neuentwicklungen gegeben, die sich nicht nur auf Werkstoffe und Prozesse, sondern auch auf Produk tions - anlagen beziehen. Diese innovativen Entwicklungen ermöglichen es, hochpräzise Schichtlösungen zu wettbewerbsfähigen Kosten zu realisieren. dr. martin metzner Telefon

70 DIe verteilung Ist entscheidend DIsPer - sionsschichten und Ihre anwendungen Glatte Metallschichten sind das Produkt galvanischer Prozesse, sie veredeln metallische Grundwerkstoffe und verhelfen ihnen zur Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastung oder Korrosion. Galvanische Verfahren sind vielseitig, denn durch die Änderung der Prozesse können die Eigenschaften der Schichten in weiten Bereichen verändert und an den konkreten Einsatzfall angepasst werden. Allerdings sind Eigenschaften wie die Härte an physikalische und werkstofftechnische Grenzen gebunden und lassen sich nicht beliebig verändern. Genau hier kommen Dispersionsschichten ins Spiel. Der Begriff Dispersionsabscheidung beschreibt den gezielten Einbau von Fremdstoffen in galvanisch erzeugte Schichten. Diese Fremdstoffe erweitern die Möglichkeiten der Funktionali - sierung erheblich. Ganz verschiedene Partikelarten können in die Schichten eingebaut werden, von Hartstoffen bis zu Trocken - schmierstoffen und sogar kleine Kapseln mit Flüssigkeiten. Vor allem der Übergang zu nanoskaligen Partikeln bietet interessante Perspektiven, wird aber auch von besonderen verfahrenstechnischen Herausforderungen begleitet. Das Konzept der Dispersionsschichten versteht den galvanisch abgeschiedenen Schichtwerkstoff als Matrixsystem, das durch die zusätzlichen Komponenten mit neuen Eigenschaften versehen wird. Beispielsweise können duktile und weiche Lager - metalle mit Hartstoffen durchsetzt werden, die zu neuen tribologischen Eigenschaften führen. Zur Herstellung werden den Elektrolyten unlösliche Partikel zugesetzt, die bei der Abscheidung in den Schichtwerkstoff eingebaut werden. Mit dieser Verfah - rens weise können alle Arten von Partikeln eingesetzt werden, die mit den Elektrolyten verträglich sind, sich also nicht zersetzen oder schädliche Substanzen freisetzen. Die Größe der Partikel kann vom zweistelligen Nanometerbereich bis in den dreistelligen Mikrometerbereich reichen. Je kleiner die Partikel sind, desto mehr müssen der Elektrolyt und die Verfahrensführung speziell abgestimmt werden, um die Bildung von Agglomeraten zu vermeiden, die beim Über - gang in den Sub-µm-Bereich stark auftritt. Die einzelnen Verfahren zur Metallabscheidung verhalten sich stark unterschiedlich in Bezug auf die Möglichkeit der Disper - sionsabscheidung. Bei der Vernicklung sind die Verfahren im industriellen Einsatz, allerdings müssen die Prozesse jeweils auf den Elektrolyt und die Partikel abgestimmt werden. Bei der Verchromung aus sechswertigen Elektrolyten beispielsweise ist eine Dispersionsabscheidung dagegen nur mit sehr speziellen Verfahrensweisen zu realisieren. klassische Anwendungen Eines der ältesten und bekanntesten Beispiele der galvanischen Dispersionsbeschichtung ist der Einbau von Siliziumcarbid in Nickelschichten. Dieses Verfahren wurde 1967 von der Firma Mahle unter dem Markennamen Nikasil entwickelt, um die Dichtlippen von Wankelmotoren standfest zu machen und war damit der Schlüssel zur Serienreife dieser Motoren. Der Einsatz dieser Schicht im Rennsport auf Laufflächen von Hub - kolbenmotoren brachte 1970 einen Sieg bei den 24 Stunden von Le Mans. Heute sind Ni-SiC-Schichten auch unter anderen Markennamen in Verbrennungsmotoren weit verbreitet. Das Spektrum reicht vom Zweitaktmotor für Gartengeräte bis zur Formel 1. Bild 1 zeigt eine Ni-SiC-Schicht im Quer schliff, ab - geschieden auf einem Aluminiumzylinder. Eine weitere Technologie mit breiter Akzeptanz in den An - wender märkten ist die Herstellung von Schleifwerkzeugen, an deren Oberfläche Abrasivmittel meist ebenfalls von einer Nickel - schicht gebunden sind. Als Partikel kommen dabei bevorzugt Industriediamanten und kubisches Bornitrid zum Einsatz. Die Oberflächen werden entweder durch Abscheidung der Disper - sionsschicht auf einen Grundträger erzeugt oder bei hochpräzisen Varianten auch durch Galvanoformung. Dabei wird dann zuerst mittels Dispersionsverfahren die spätere Schleifober fläche erzeugt, danach mit Dicknickel hinterfüttert und schließlich die Urform chemisch aufgelöst. Bild 2 zeigt die REM-Aufnahme einer solchen Ober fläche, hellgrau ist die Nickelmatrix zu erkennen, dunkelgrau die Diamanten. Derartige Oberflächen finden Anwendung von der Hoch - leistungszerspanung im Maschinenbau bis hin zu medizintechnischen Anwendungen. Aktuelle Entwicklungen Ein Schwerpunkt in der Entwicklung von Dispersionsschichten ist der Übergang zu nanoskaligen Partikeln. Diese sind von be - sonderem Interesse, weil sie sowohl direkten als auch indirekten Einfluss auf Werkstoffeigenschaften ausüben, letzteres z. B. durch die Einflussnahme auf die Kristallisation der umgebenden Matrix. Zudem stellen sie entsprechend kleine Störstellen dar, was z. B. in Bezug auf Korrosion und Oberflächenrauheit entscheidend ist. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen macht solche Partikel aber auch anfällig für die Bildung von Agglomeraten. Hier muss schon in der Entwicklung der Fokus auf die zielgerichtete Elektrolytformulierung und die zugehörige Anlagentechnik gelegt werden, da sonst keine homogene Be - schichtung von dreidimensionalen Praxisbauteilen erreicht wird. In Bild 3 ist zu erkennen, dass neben dem fein verteilten Ein - bau einzelner Partikel auch Agglomerate erzeugt wurden, was naturgemäß alle Vorteile der kleinskaligen Partikel zunichte macht. Nanopartikel haben Einfluss auf die Morphologie von galvanisch hergestellten Metallschichten. Allerdings ist dieser subtil und schwer darzustellen. Der Effekt der Nanopartikel zeigt sich aber bei einer tribologischen Belastung. Kupferschichten ohne und mit Partikeln wurden einer Reibbelastung ausgesetzt, dabei zeigte die reine Kupferschicht einen niedrigen Reib - wert, was bei einem so weichen Metall zu erwarten ist. Die partikelverstärkten Schichten zeigten einen deutlich höheren Reib wert, da die Schicht durch die Partikel mechanisch stabilisiert wurde. Auch für Nickelschichten gibt es diesen Effekt, wenn Nanopartikel eingelagert werden. Von hohem Interesse für industrielle Anwender kann es zudem sein, Partikel unterschiedlicher Eigenschaften in eine metallische Matrix einzubauen. Bild 4 zeigt im Querschliff eine Nickel schicht, in die zwei verschiedene Partikelarten, nämlich Hartstoff und Trockenschmierstoff, eingebracht sind. Dies ist ein be sonders eleganter Weg, Eigenschaften gezielt einzustellen. Im konkreten Fall wird eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit mit der gleichzeitigen Senkung des Reibwerts kombiniert. Für zukünftige Anwendungen wird es auch möglich sein, die an sich unvereinbaren Werkstoffklassen»Flüssigkeit«und»Metall«in einer Schicht zu kombinieren. So können z. B. Schmier stoffe oder Korrosionsinhibitoren in eine metallische Oberfläche eingebracht werden. Der Weg dazu führt über den Einsatz von Nanokapseln mit einem Durchmesser von ca. 250 nm, die in der Medizintechnik und in Drogerieprodukten üblich sind. Diese Kapseln werden beim Herstellungsprozess mit den funktionstragenden Flüssigkeiten gefüllt. Verkapselt man einen Schmierstoff und gestaltet die Kapselwand so, dass sie im galvanischen Elektrolyt stabil ist, gelingt es über diesen Zwischen - schritt, einen flüssigen Schmierstoff in die metallische Ober - fläche einzubauen. Bild 5 zeigt die Bruchfläche einer mit Kapseln gefüllten Nickelschicht, die Kapseln sind gut als runde Strukturen zu erkennen. Es gelingt so reproduzierbar, den Reibwert von metallischen Schichten deutlich zu senken, wie Bild 6 zeigt. Die Schichten

71 5 6 zur schwarzen Kurve bilden die Referenz ohne Kapseln, in die beiden anderen Schichten wurden ölgefüllte Kapseln eingebaut. Die Schicht zu der blauen Kurve enthält doppelt so viele Kapseln wie die andere Schicht, so ist von Be ginn der Belas - tung bereits genug Öl an der Grenzfläche vorhan den, um den Reibwert von anfangs etwa 0,4 auf 0,25 zu senken. Bei der Schicht mit weniger Kapseln dauert es länger, bis der Abtrag der Matrix genügend Schmierstoff freigesetzt hat. zusammenfassung Mit der galvanischen Dispersionsabscheidung erschließt sich für die Oberflächentechnik der Gedanke der Funktionsmatrix. Metallische Schichtwerkstoffe können mit einer Vielzahl von verschiedenen Funktionsstoffen kombiniert werden, die hinsichtlich ihrer Art und Größe in einem breiten Spektrum vari - ieren können. Um zuverlässige und reproduzierbar arbeitende Verfahren auch für dreidimensionale Bauteile, industrielle Chargen - größen und lange Standzeiten zu erhalten, ist es unerlässlich, die jeweiligen Elektrolyte speziell abzustimmen. Dies gilt im Besonderen, wenn sehr kleine Partikel eingesetzt werden sollen. 1 Ni-SiC-Schicht auf Al-Substrat 2 Ni-Diamant-Oberfläche als Schleifwerkzeug 3 Mit Nanopartikeln modifizierte Kupferschicht 4 Binäre Dispersionsschicht mit Hartstoff und Trockenschmierstoff 5 Mit Kapseln befüllte Nickelschicht 6 Reibwert einer Nickelschicht (schwarz) im Vergleich mit zwei Nickelschichten mit eingelagerten ölgefüllten Kapseln (rot und blau). Die Schicht zur blauen Kurve enthält doppelt so viele Kapseln wie die Schicht zur roten Kurve. 138