Industrielösungen für Prozesse

Die Digitalisierung der Produktion erfordert den Einsatz von Sensoren, die wie mehrdimensional wahrnehmende Sinnesorgane funktionieren. Das Fraunhofer IPMS entwickelt Mikroscannerspiegel, die Roboter befähigen sollen, ähnlich dem menschlichen Sehen, Objekte in der Umgebung wahrzunehmen. Damit wären Industrieroboter in der Lage noch anspruchsvollere Aufgaben zu übernehmen und auf ihre Umgebung adäquat zu reagieren. Das Forscherteam des Fraunhofer IPMS verfolgt dazu den Ansatz eines „scannenden Auges“, das maschinelles Sehen in drei Dimensionen ermöglichen soll. Das Scannerspiegelmodul fungiert dabei als ein rasterndes Auge, welches in allen drei Raumachsen hochauflösende Bilder aufnehmen kann. Die Wissenschaftler nutzen dazu das LiDAR-Prinzip (Light Detection and Ranging): Der Scannerspiegel moduliert das Licht eines Lasers und detektiert die reflektierten Signale, gleichzeitig erfolgt eine Laufzeitmessung des Lichts zwischen Objekt und Detektor. Die robusten MEMS-Scanner sind aufgrund ihres hohen Miniaturisierungsgrades sehr gut integrierbar. Im Bereich der automatisierten industriellen Fertigung können die kleinen Scannerspiegel-Module beispielsweise in Roboterarme implementiert werden, sodass die Roboter in der Lage sind, permanent ihre Umgebung zu erfassen, anstehende Arbeitsschritte zu erkennen und die Qualität ihrer Arbeit zu überwachen. Das Roboterauge agiert dabei vollautomatisiert. Neben der optischen Wahrnehmung kann das Roboterauge um zusätzliche Funktionalitäten erweitert werden. So kann eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung der Produkte mit Hilfe von Infrarot-Spektroskopie realisiert werden oder eine sensorische Erfassung der Umgebung mittels Quantenkaskadenlaser-Spektroskopie erfolgen. Dabei wird der spektrale Fingerabdruck von Substanzen detektiert, wodurch diese exakt identifizierbar sind. Anwendung findet diese Art der Sensorik unter anderem in der Qualitätsüberwachung von Trinkwasser, der Prüfung von Medikamenten in der Pharmazie, der Fernüberwachung von Industrieanlagen, dem Leckage-Monitoring bei Pipelines oder der Detektion von Gefahrstoffen.

Das Fraunhofer IPMS bietet Halbleiter-Screening und Evaluierungsdienstleistungen für Materialien, Prozesse, Chemikalien und Verbrauchsmaterialien vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab für IC-Hersteller und -Zulieferer an. Dazu verfügen wir über erfahrene Wissenschaftler, ein professionelles Wafer-Handling (ISO 9001) sowie eine hochmoderne Ausrüstung für 200/300-mm-Wafer mit kurzen Bearbeitungszeiten. Damit helfen wir unseren Kunden Kosten und Zeit (Time-to-Market) zu reduzieren.

Unsere Leistungen umfassen dabei Verbrauchsmaterial-Benchmarking,  Prozessentwicklung, Ultra Large Scale Integration (ULSI), Pilotproduktion und Evaluation von Equipment.

Mit OCT kann die Oberflächen- und Tiefenstruktur des Materials in Mikrometerauflösung erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil der Methode: OCT verwendet für die Analyse des Materials Licht statt Schall. Daher können Verpackungen und Produktbeschaffenheit in Lichtgeschwindigkeit analysiert werden. Zudem erfolgt die Untersuchung berührungsfrei und nicht-invasiv mittels Infrarot ohne den Einsatz ionisierender Strahlung. Produkte können damit schnell und genau volumetrisch erfasst werden ohne beschädigt zu werden. Auch die Homogenität und Dicke des Oberflächenmaterials können in 3-D damit wiedergegeben werden.  Durch das frühzeitige Erkennen von Defekten können Prozesse optimiert und damit Kosten gespart werden. Beim Auftreten kritischer Fehler kann sofort reagiert werden. Das OCT-Spektroskop kann direkt in den Roboterarm eingebaut werden, so dass der Industrieroboter bei Abweichungen situativ den Produktionsablauf anpassen bzw. unterbrechen kann. Für die Fertigung bietet die Arbeitsgruppe »Charakterisierungsverfahren« des Fraunhofer IPMS anwendungsspezifische OCT-Studien an. Zudem entwickeln die Wissenschaftler kundenspezifische OCT-Prüfsysteme für Laborbetrieb, Produktprüfung und Prozessüberwachung.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt Multisensorsysteme zur Charakterisierung von strömenden Gasen. Diese Systeme erfassen mehrere Sensorkenngrößen gleichzeitig, einschließlich Volumenstrom, Gaszusammensetzung, Druck und Temperatur. Das Ziel ist es, kompakte und kostengünstige Lösungen im Vergleich zu herkömmlichen Gassystemen anzubieten.

Das Multisensorsystem umfasst einen Flusssensor, der auf der Technologie der kapazitiven mikromechanischen Ultraschallsensoren (CMUT) basiert. Dieser Sensor ermöglicht die Durchflussmessung von nicht korrodierenden Gasen in kleinen Durchmessern (kleiner DN50). 

Zusätzlich wird ein MEMS-basierter Wasserstoffsensor entwickelt, der auf einer Schallgeschwindigkeitsmessung basiert. Dieser Sensor ist für die Messung von nicht korrodierenden binären Gasgemischen geeignet.

Das Multisensorsystem dient als Plattform für die Charakterisierung von Gassystemen. Es kann für verschiedene Anwendungsbereiche angepasst und erweitert werden, beispielsweise für andere Gasgemische. Das Prinzip kann auch auf die Charakterisierung von flüssigen Medien übertragen werden, wie beispielsweise den Alterungsprozess von Industrieölen oder Blutmessungen.

Die spektroskopische Untersuchung mittels Ultraschall ermöglicht Aussagen über physikalische Kenngrößen von Materialien und zur chemischen Analyse von flüssigen Medien. So können mittels der Evaluierung der frequenzabhängigen Dämpfung und der Schallgeschwindigkeit Aussagen über die Qualität und Zusammensetzung von Flüssigkeiten wie bspw. Ölen oder Alkohol-Wasser-Gemischen getroffen werden, eine ideale Ergänzung der optischen Spektroskopie. Zudem ermöglicht die Untersuchung von Streueffekten die Erfassung von Partikeln und Schwebekörpern in der Lösung.

Die am Fraunhofer IPMS entwickelten kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (CMUT) bieten eine Reihe an Vorteilen für die akustische Spektroskopie. Im Gegensatz zu gängigen piezoelektrischen Ultraschallelementen werden CMUTs mittels mikromechanischen Herstellungsverfahren realisiert und ermöglichen dadurch eine höchst kompakte Aufbauform für Umweltmesssysteme. In Verbindung mit der monolithischen Integration mittels einer CMOS-Schaltung können die Sensoren als komplettes Analysesystem auf einem Chip realisiert werden. Die ideale akustische Anpassung an flüssige Medien ermöglicht zudem eine extrem effiziente Einkopplung der Schallwellen in die Analysemedien sowie eine hervorragende Frequenzbandbreite sowie hochsensitive Detektion. Das Angebot des Fraunhofer IPMS umfasst Entwicklungs- und Charakterisierungsdienstleistungen sowie Evaluierungssysteme für die spektrale Zustandsüberwachung.

Zur zerstörungsfreien optischen Materialprüfung werden in vielen Bereichen bereits erfolgreich spektroskopische Verfahren eingesetzt. Der nahinfrarote (NIR) Spektralbereich mit Wellenlängen von 900 bis 1900 nm eignet sich besonders zur Analyse von Kunststoffen, Lebensmitteln und Agrarprodukten. Hier entwickelt sich ein zunehmender Bedarf an kompakten, mobilen Systemen zur schnellen, kostengünstigen NIR-Analyse vor Ort. Die Anwendungen dafür sind mannigfaltig: stringente Überwachung von Liefer- und Prozessketten, Wareneingangskontrollen sowie das Umweltmonitoring. Solche mobilen und kompakten MEMS-basierten Systeme entwickelt das Fraunhofer IPMS mit dem Industriepartner Hiperscan GmbH.

Das Projekt TRISTAN zielt darauf ab, das europäische RISC-V-Ökosystem, um eine nicht patentierte frei zugängliche Plattform für Prozessorarchitekturen, mit einer Vielzahl wesentlicher Komponenten zu erweitern. Diese soll für zahlreiche industrielle Anwendungsbereiche, wie beispielsweise das automatisierte Fahren, industriell nutzbar gemacht werden. Im Vorhaben werden Prozessoren, Peripherie, Softwarekomponenten sowie Entwurfswerkzeuge und -methoden für das Chipdesign entwickelt. Dabei kann gegenüber kommerziellen - meist außereuropäischen - Lösungen eine unabhängige und offene Alternative bereitgestellt und die technologische Souveränität Europas gestärkt werden. Der im Projekt verfolgte Open-Source-Ansatz kann dazu beitragen, die Produktion kostengünstiger Prozessorsystemen mit hoher Energieeffizienz zu ermöglichen.

Das Fraunhofer IPMS wird im Projekt mit weiteren Partnern ein Open Source Trace-Moduls als IP für embedded RISC-V Prozessoren auf Basis von geeigneten Spezifikationen wie beispielsweise der Nexus TCODE 7 entwickeln. Dieser Trace-IP wird mit einem am Fraunhofer IPMS vorhandenen RISC-V Prozessor (EMSA5) und einem TSN fähigen Ethernet-Endpunkt IP in einem Demonstrator integriert, um interferenzfreies Tracing bei zeitgleicher Nutzung des Interfaces durch die Nutzerapplikation auf dem Prozessor zu zeigen. 

Im Rahmen des OCTOPUS-Projekts wird anwendungsbezogene Elektronik entwickelt, um die Vorteile von Edge Computing zu nutzen. Im Verbundprojekt ImaB-Edge wird ein elektronisches System zur permanenten Überwachung des Zustands der Bausubstanz von Infrastruktur-Bauwerken entwickelt. In ein Bauwerk integrierte Sensoren nehmen dabei fortwährend Messdaten auf, die mittels Künstlicher Intelligenz analysiert und bewertet werden. Der Zustand des Bauwerks wird dann zu einer Leitstelle oder an Servicepersonal übertragen. Das Vorhaben trägt damit zur Sicherheit von Infrastruktur und zu deren kostensparenden Unterhalt bei.

Die Hauptaufgabe des Fraunhofer IPMS in diesem Projekt ist der Entwurf eines energieeffizienten, flexibel skalierbaren und dennoch sehr performanten Rechenclusters aus mehreren RISC-V Prozessoren. Dabei kommen auf den Einsatzfall optimierte Hardware-Beschleuniger unter anderem nach den RISC-V Vector-Extensions zum Einsatz. Das EDGE-Gateway dient als autarkes Datenerfassungsmodul für die permanent verbauten Sensor-EDGE Module, als auch für die unregelmäßiger eingesetzten zerstörungsfreien Prüfungssystemen im Bauwesen (ZfPBau-Systemen). Außerdem wird das EDGE-Gateway als zentrales Schnittstellenmodul für den Betreiber dienen. Dieser verbindet sich vor Ort, stellt aktuelles a priori Wissen bereit und fusioniert dieses mit den gewonnenen Erkenntnissen des EDGE-Gateways aus der Vergangenheit. Das EDGE-Gateway soll auch die Integration von Expertenwissen in das Sensorsystem umsetzen.