Industrielösungen für Prozesse

Die Digitalisierung der Produktion erfordert Sensorsysteme, die wie mehrdimensionale Sinnesorgane funktionieren. Am Fraunhofer IPMS entwickeln wir mikromechanische Scannerspiegel (MEMS), die es Robotern ermöglichen, ihre Umgebung dreidimensional zu erfassen – ähnlich dem menschlichen Sehvermögen. Damit können industrielle Roboter komplexere Aufgaben übernehmen und situativ auf ihre Umgebung reagieren.

"Scanning Eye": Robotisches Sehen mit LiDAR-Technologie

Ein Forschungsteam am Fraunhofer IPMS verfolgt das Konzept eines "scanning eye" - ein miniaturisiertes Spiegelmodul, das hochauflösende 3D-Bilder erzeugt. Die Technologie basiert auf dem Prinzip der LiDAR-Messtechnik (Light Detection and Ranging): Der Scannerspiegel lenkt einen Laserstrahl gezielt ab, misst die Lichtlaufzeit zum Objekt (Time-of-Flight) und erfasst so die räumliche Tiefe.

Maschinelles Sehen in 3D mit MEMS-Scannerspiegeln - Kompakt, robust und vielseitig integrierbar

Die kompakten MEMS-Scannermodule sind äußerst robust, wartungsfrei und lassen sich leicht in mobile Systeme integrieren – zum Beispiel in Roboterarme innerhalb automatisierter Fertigungsanlagen. Die Module ermöglichen es Robotern:

• Ihre Umgebung kontinuierlich zu erfassen
• Objekte und Arbeitsschritte präzise zu erkennen
• Die Qualität ihrer Arbeit eigenständig zu überwachen

Das robotische Auge arbeitet vollautomatisch und kann bei Bedarf um weitere Sensorfunktionen erweitert werden.

Neben der 3D-Umfeldwahrnehmung unterstützt das System auch die berührungslose Materialanalyse sowie die spektroskopische Erkennung von Substanzen. Durch den Einsatz von Infrarotspektroskopie oder Quantenkaskadenlasern lassen sich Materialien anhand ihres spektroskopischen Fingerabdrucks eindeutig identifizieren.

Anwendungsfelder

Die Scannerspiegel-Technologie des Fraunhofer IPMS eröffnet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, u. a. in folgenden Bereichen:

• Qualitätssicherung von Trinkwasser
• Pharmazeutische Prüfung und Echtheitsverifizierung
• Fernüberwachung industrieller Anlagen
• Leckageerkennung in Rohrleitungen
• Detektion von Gefahrstoffen

Mit dieser innovativen Sensortechnologie leistet das Fraunhofer IPMS einen wesentlichen Beitrag zur sicheren Automatisierung, intelligenten Maschinenwahrnehmung und zur Industrie der Zukunft.

Das Fraunhofer IPMS bietet umfassende Screening- und Evaluierungsdienstleistungen für Materialien, Prozesse, Chemikalien und Verbrauchsmaterialien - vom Labor bis zur Produktionsumgebung. Mit modernster 200/300-mm-Ausstattung, ISO 9001-Zertifizierung und über zehn Jahren Erfahrung unterstützen wir Halbleiterhersteller und Zulieferer dabei, Entwicklungszeiten und Kosten zu minimieren.

Ihre Testplattform unter Industriebedingungen

Wir stellen eine etablierte und flexible Plattform zur Verfügung:

• Produktionsnahe Umgebung mit standardisierter Industrieausrüstung (200/300 mm)
• Professionelles Wafer-Handling, Kontaminationsmanagement und Reinraumbetrieb nach ISO 9001
• Unabhängige Bewertung mit vollständiger Versuchssteuerung und -dokumentation
• Direkter Wafer-Austausch mit Fertigungslinien, kurze Prozessschleifen durch Anbindung an industrielle Anlagen
• Vor- und Nachbearbeitung zur Optimierung einzelner Prozessschritte
• Schnelles Scale-up vom Labor zur Fertigung, basierend auf langjähriger Erfahrung in der Integration neuer Materialien
• Ressourcenschonung durch effiziente Nutzung von Equipment, Personal und Zeit

Das Fraunhofer IPMS schließt die Lücke zwischen Materialinnovation und industrieller Anwendung und ist Ihr verlässlicher Partner für IC-Hersteller, Materialentwickler und Anlagenlieferanten.

Unsere Leistungen:

• Verbrauchsmaterial-Benchmarking 
• Prozessentwicklung
• Ultra Large Scale Integration (ULSI)
• Pilotfertigung
• Evaluation von Anlagen

Die Optische Kohärenztomografie (OCT) ermöglicht die dreidimensionale Abbildung von Oberflächen- und Tiefenstrukturen mit mikrometergenauer Auflösung. Im Gegensatz zu Ultraschall verwendet OCT Infrarotlicht anstelle von Schall, wodurch Materialien kontaktlos und nicht-invasiv, ganz ohne ionisierende Strahlung, und mit Lichtgeschwindigkeit analysiert werden können.

Diese innovative Messtechnik erlaubt die schnelle, volumetrische Erfassung von Produkten, ohne sie zu beschädigen. Homogenität, Schichtdicke und interne Materialstrukturen lassen sich präzise in 3D darstellen. Durch die frühzeitige Erkennung von Defekten können Produktionsprozesse optimiert, Ausschuss reduziert und Kosten eingespart werden. Bei kritischen Abweichungen ist eine sofortige Reaktion möglich.

OCT für die smarte Produktion

Für den Einsatz in der automatisierten Fertigung lässt sich das OCT-Spektroskop direkt in Roboterarme integrieren. So kann ein Industrieroboter in Echtzeit Materialzustände erfassen und bei Abweichungen selbstständig Anpassungen im Prozess vornehmen oder diesen unterbrechen.

Fraunhofer IPMS - Ihr Partner für OCT-Lösungen

Wir bieten Ihnen:

• Anwendungsspezifische Machbarkeitsstudien mit OCT
• Kundenspezifische OCT-Prüfsysteme für Labor, Produkttests und Inline-Prozessüberwachung
• Unterstützung bei der Integration in smarte Fertigungsumgebungen

Ob in der Pharmaindustrie, Halbleitertechnik, Verpackungs- oder Elektronikfertigung: Mit unseren OCT-Lösungen schaffen Sie höchste Qualitätssicherheit und Prozessstabilität.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt fortschrittliche Multisensorsysteme zur charakteristischen Erfassung strömender Gase. Diese Systeme messen gleichzeitig mehrere Parameter wie Volumenstrom, Gaszusammensetzung, Druck und Temperatur und bieten dabei eine platzsparende und kosteneffiziente Alternative zu herkömmlichen Gasmesssystemen.

Ultraschall-Durchflusssensor auf CMUT-Basis

Im Zentrum der Lösung steht ein Durchflusssensor auf Basis kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT). Der Sensor ist für nicht-korrosive Gase ausgelegt und eignet sich ideal für Anwendungen mit kleinen Rohrdurchmessern (unter DN50), etwa in der industriellen Prozesstechnik oder Energieversorgung.

MEMS-Wasserstoffsensor für binäre Gasmischungen

Zusätzlich entwickelt Fraunhofer IPMS einen MEMS-basierten Wasserstoffsensor, der auf der Schallgeschwindigkeitsmessung basiert. Dieser Sensor ermöglicht eine zuverlässige Erfassung binärer Gasmischungen und eignet sich insbesondere für Anwendungen in der Wasserstoffwirtschaft und Gasüberwachung.

Modulare Sensorplattform für vielfältige Anwendungen

Das modulare Multisensorsystem ist flexibel anpassbar und kann für unterschiedliche Gasarten und Anwendungsszenarien erweitert werden. Darüber hinaus lässt sich das Prinzip auch auf die Charakterisierung flüssiger Medien übertragen, beispielsweise zur Zustandsüberwachung von Industrieölen oder für medizinische Anwendungen wie Blutanalysen.

Fraunhofer IPMS ist Ihr Partner für intelligente Gassensorik

Mit fundierter Expertise in den Bereichen Mikrosystemtechnik, Ultraschallsensorik und integrierte Elektronik entwickelt Fraunhofer IPMS zukunftsweisende Lösungen für Prozessüberwachung, Energie- und Umwelttechnik sowie Gesundheitsanwendungen. Die entwickelten Sensorplattformen ermöglichen Echtzeitüberwachung, vorausschauende Wartung und eine ressourcenschonende Prozessführung.

Die spektroskopische Untersuchung mittels Ultraschall ermöglicht präzise Aussagen über physikalische Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung von Flüssigkeiten. Durch die Auswertung der frequenzabhängigen Dämpfung und der Schallgeschwindigkeit lassen sich Qualitäts- und Zustandsinformationen zu Medien wie Ölen, Alkohol-Wasser-Gemischen und anderen Prozessflüssigkeiten gewinnen. Damit ist sie eine ideale Ergänzung zur optischen Spektroskopie. Zudem erlaubt die Analyse von Streueffekten die Detektion von Partikeln und Schwebstoffen in Lösungen.

CMUT-basierte Ultraschallsensoren vom Fraunhofer IPMS

Kernstück dieser Technologie sind kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUTs), die am Fraunhofer IPMS entwickelt werden. Im Gegensatz zu klassischen piezoelektrischen Ultraschallelementen basieren CMUTs auf mikromechanischen Fertigungsverfahren und ermöglichen dadurch hochkompakte, integrierbare Sensordesigns für die Umwelt- und Flüssigkeitsanalyse.

Die Vorteile der CMUT-Technologie auf einen Blick:

• Miniaturisiertes Design für platzsparende Integration
• Optimale akustische Anpassung an flüssige Medien
• Breite Frequenzbandbreite bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit
• CMOS-kompatible Integration für komplette Analysefunktionen auf einem Chip

Damit eignen sich CMUT-basierte Systeme ideal für Inline-Überwachung, Prozesskontrolle und vorausschauende Wartung - z. B. in der chemischen Industrie, Pharmaherstellung oder Umweltmesstechnik.

Entwicklungsleistungen und Evaluation Kits

Das Fraunhofer IPMS bietet ein umfassendes Leistungsspektrum:

• Kundenspezifische Entwicklung von CMUT-Sensoren
• Anwendungsspezifische Lösungen für die akustische Spektroskopie
• Systemintegration und Charakterisierung
• Evaluation Kits 

Mit langjähriger Expertise in der MEMS-Sensorentwicklung bietet Fraunhofer IPMS leistungsfähige und skalierbare Lösungen für die berührungslose Materialanalyse in Echtzeit.

Spektroskopische Verfahren werden zunehmend zur zerstörungsfreien optischen Materialprüfung in verschiedensten Branchen eingesetzt. Besonders geeignet für die Analyse von Kunststoffen, Lebensmitteln und landwirtschaftlichen Erzeugnissen ist der nahinfrarote (NIR) Spektralbereich mit Wellenlängen von 900 bis 1900 nm.

Mit dem wachsenden Bedarf an schneller Vor-Ort-Analyse steigt die Nachfrage nach kompakten, mobilen NIR-Spektrometern, die kosteneffizient und präzise sind. Anwendungsfelder sind unter anderem:

• Echtzeit-Überwachung von Liefer- und Prozessketten
• Qualitätskontrolle bei der Wareneingangskontrolle
• Umweltüberwachung

Zur Erfüllung dieser Anforderungen entwickelt das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Industriepartner Hiperscan GmbH miniaturisierte, MEMS-basierte NIR-Spektrometer für den mobilen Einsatz. Diese innovativen Systeme ermöglichen eine hochpräzise NIR-Analyse - jederzeit und überall.

Das TRISTAN-Projekt verfolgt das Ziel, das europäische RISC-V-Ökosystem durch eine nicht-patentierte, frei zugängliche Plattform für Prozessorarchitekturen zu erweitern. Diese soll mit zahlreichen Kernkomponenten ausgestattet und in vielfältigen industriellen Anwendungsfeldern einsetzbar sein, z.B. im Bereich automatisiertes Fahren oder Edge Computing.

Geplant ist die Entwicklung von:

•  RISC-V-Prozessoren
•  Peripheriekomponenten
•  Software-Bibliotheken
• Designwerkzeugen und Methoden für die Chipentwicklung

Durch diesen Open-Source-Ansatz entsteht eine lizenzfreie Alternative zu überwiegend nicht-europäischen Lösungen, was einen bedeutender Beitrag zur technologischen Souveränität Europas darstellt. Zudem ermöglicht das Projekt die Entwicklung kostengünstiger, energieeffizienter Prozessorsysteme.

Im Projekt entwickelt das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit Partnern ein Open-Source-Trace-Modul (IP) für eingebettete RISC-V-Prozessoren auf Basis etablierter Spezifikationen wie Nexus TCODE 7.

Dieses Trace-IP wird in den am Fraunhofer IPMS entwickelten EMSA5 RISC-V-Prozessor integriert und gemeinsam mit einer TSN-fähigen Ethernet-Endpunkt-IP in einem Demonstrator gezeigt, der:

• störungsfreies, paralleles Tracing in Echtzeit,
• gleichzeitige Nutzung der Schnittstelle durch Nutzeranwendungen sowie
• nahtlose Integration moderner Kommunikationsschnittstellen demonstriert.

Durch die zuverlässige Erfassung von Echtzeitdaten und die nahtlose Systemintegration unterstützt das Projekt transparentere, effizientere und sicherere industrielle Prozesse, insbesondere in den Bereichen Automatisierung, Diagnose und vorausschauende Wartung. 

Im Verbundprojekt ImaB-Edge entsteht ein intelligentes Elektroniksystem zur permanenten Zustandsüberwachung von Infrastrukturbauwerken wie Brücken, Gebäuden oder Straßen.

KI-basierte Edge-Computing-Lösungen für die Zustandsüberwachung von Infrastrukturen

Integrierte Sensoren erfassen kontinuierlich Messdaten direkt aus der Struktur. Diese Daten werden vor Ort mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) analysiert und bewertet. Der ermittelte Zustand wird anschließend an eine Leitstelle oder an Servicepersonal übermittelt, um eine präventive Instandhaltung und erhöhte Infrastruktursicherheit bei gleichzeitig sinkenden Wartungskosten zu ermöglichen.

Die Hauptaufgabe des Fraunhofer IPMS liegt in der Entwicklung eines energieeffizienten, flexibel skalierbaren Hochleistungsrechner-Clusters auf Basis mehrerer RISC-V-Prozessoren. Zum Einsatz kommen anwendungsoptimierte Hardware-Beschleuniger, unter anderem nach den RISC-V Vector Extensions.

Zentrale Komponente ist das EDGE-Gateway, das folgende Funktionen übernimmt:

• Autarke Datenerfassung durch dauerhaft installierte Sensormodule,
• Schnittstelle zu zerstörungsfreien Prüfsystemen (NDT-Systeme) in der Bauindustrie,
• sowie ein zentrales Bedien- und Schnittstellenmodul für den Betreiber.

Darüber hinaus ermöglicht das EDGE-Gateway die Integration von Expertenwissen in das Sensorsystem für eine noch genauere Analyse und intelligentere Systemsteuerung. Diese Lösung fördert eine smarte Infrastrukturüberwachung, schnelle Reaktionszeiten und vorausschauende Wartungsstrategien.