Industrielösungen für die Produktion

Das Fraunhofer IPMS setzt auf Edge Computing und Echtzeit-Datenübertragung, um Maschinen präzise zu überwachen. KI-gestützte Sensoren erkennen Schäden frühzeitig, optimieren Wartungsintervalle und reduzieren Ausfallzeiten.

Ein Showcase mit einem miniaturisierten Förderband demonstriert die Leistungsfähigkeit der entwickelten Toolbox für die Überwachung von Industrieanlagen. Multimodale Sensoren erfassen Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfelder sowie akustische und Ultraschallsignale. Das System erkennt Bandspannungen und Blockaden, während KI-Modelle präzise Schadensvorhersagen ermöglichen. Echtzeitkalibrierungen erhöhen dabei die Anpassungsfähigkeit.

Durch die Kombination eigener Sensoren mit einer Edge-Computing-Einheit auf RISCV-Basis werden komplexe KI-Analysen direkt vor Ort realisiert. So können wechselnde Umgebungsbedingungen berücksichtigt, Sensorvielfalt integriert und die Vorhersagegenauigkeit deutlich verbessert werden. Limitierungen eingebetteter Systeme in Echtzeitanalysen werden damit überwunden.

 Datenbrillen können die Produktivität und Genauigkeit in der industriellen Fertigung erheblich verbessern. Sie erlauben es, dass Personen Echtzeitdaten und Anweisungen direkt vor ihren Augen sehen, ohne auf externe Bildschirme schauen zu müssen. Dabei können beide Hände frei bleiben. Diese Funktionen erfordern oft eine ultra-hohe Auflösung, flexible Substrate, Lesbarkeit bei Sonnenlicht, hohe Kontrast, Gesten- und Augensteuerung, Kratzfestigkeit und andere. Genau diese Arten von Mikrodisplays werden am Fraunhofer IPMS entwickelt.

Der wachsende Markt für Wearables verlangt zudem spezielle miniaturisierte Lösungen mit geringem Stromverbrauch. Hier sind neue Gerätefunktionen gefragt. Innovative Eingabe- und Interaktionskonzepte, wie bidirektionale Mikrodiplays (Kombination von Display und Imager auf einem Chip), machen dabei auch noch eine Steuerung der Inhalte über die Augenbewegungen möglich. 

Die Entwicklung von Anwendungen für Industrie 4.0, Smart Health, Smart Security und Automotive ist geprägt von einem zunehmenden Einsatz intelligenter interaktiver Systeme. Die sichere sensorische Informationsgewinnung und der Informationsaustausch von Objekten und Oberflächen im Nahdistanz- und Kontaktbereich sind dabei essentiell. Applikationsfelder wie das feinfühlige und präzise Greifen, Handhaben, Orientieren und Positionieren von Objekten in der Robotik, eine erweiterte menschliche Sinneswahrnehmung (Augmented Reality, künstliche Haut) sowie eine 3D-Umgebungserfassung (tiefenaufgelöste Gestenerfassung, kontaktlose Schalter) bedürfen einer hohen Informationsdichte in Echtzeit mit energieeffizienten KI-gestützten Sensornetzwerken.

Den am Markt verfügbaren optischen und kapazitiven Verfahren fehlt die räumlich-kontinuierliche und präzise Erfassung der Umgebung sowie ein kombinierter Taktilmodus. Das Fraunhofer IPMS verfolgt ein multimodales Sensorkonzept für die ultraschallbasierte taktile Nahdistanzüberwachung. Die entwickelte Sensorplattform ermöglicht erstmals die Integration von Taktil- und Proximitysensoren auf einem Chipmodul und bieten somit eine erhöhte Informationsdichte. Die CMOS-kompatiblen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (CMUT) in Kombination mit einer integrierbaren Elektronik bilden die Grundlage kostengünstige und energieeffiziente multimodale Sensoren auf kleinem Bauraum mit hoher Sensitivität und integrierter Signalverarbeitung dem Markt zugänglich zu machen.

Datenschnittstellen zwischen rotierenden und statischen Bauteilen sind eine der größten Herausforderungen in der Datenübertragung. Häufig werden Schleifringe genutzt, um dieser Herausforderung zu begegnen. Typische Beispiele für den Einsatz von solchen Drehüberträgern sind in Windenergieanlagen, Hubschraubern und Industrierobotern zu finden. Kontaktbasierte Schleifringe kommen häufig materialbedingt an ihre Grenzen, während kontaktlose Lösungen entweder sehr kostenintensiv, störanfällig für Interferenzen oder gering in der Datenrate sind. Li-Fi GigaDock® Transceiver können Datenraten bis 12,5 Gbit/s kontaktlos und in 360 Grad Rotation übertragen und eignen sich daher gut für den Einsatz als Drehübertrager. Da sie die Daten optisch übertragen, sind sie zudem nahezu interferenz- und verschleißfrei. 

Unsere Leistungen:

• Optik- und Transceiverentwicklung
• Modulintegration
• Systemsetup
• Charakterisierung & Test
• Pilotfertigung
• Kundensupport

Die Mensch-Roboter-Kollaboration bedarf einem hohen Maß an Sicherheit und Präzision für die Zusammenarbeit auf engstem Raum. Multisensorische Ansätze bieten hierfür ein erweitertes Spektrum an Überwachungsmöglichkeiten und steigern zugleich durch Redundanzen die Zuverlässigkeit. Das Fraunhofer IPMS entwickelt optische und akustische Module und Systeme (LiDAR, akustische Kamera, Ultraschall-Proximity-Sensoren, taktile Sensoren) für die zielsichere Erfassung von Personen, Objekten sowie die Detektion von Texturen und Kraftverteilungen an Oberflächen im Abstandsbereich von einigen Metern bis hin zum Kontakt. Im Vergleich zu bisherigen Systemen, bieten die miniaturisierten Lösungen des Fraunhofer IPMS die Integration und die Kombination der Sensormodule in kompakte Bauräume und auf Oberflächen. Dadurch werden neue Applikationen für das Greifen, Positionieren, dem Kollisionsschutz und der Navigation in den Domänen Service-Robotik, Professional Services sowie Machine Tending ermöglicht.

Aktuell werden vorwiegend klassische Verbindungstechniken wie Steckverbinder und Kabelschleppen eingesetzt, um Maschinen und Roboter an die Datenkommunikation anzubinden. Neben mangelnder Flexibilität dieser Lösungen führt der stetige mechanische Kontakt zu Verschleißerscheinungen an den Komponenten. Steckverbinder ermöglichen im Vergleich zur Festverdrahtung, dass Verbindungen auch wieder getrennt werden können – ein großer Vorteil für Reparatur, Wartung und Modernisierung. Allerdings sind die Verbinder in ihren Steckzyklen oft begrenzt, zudem kann häufiges Stecken zu veränderten Übertragungseigenschaften führen. Li-Fi – also die optische Datenübertragung kann als kontaktloser Steckverbinder oder auch als Kabelersatz dienen und überträgt dabei hohe Datenraten im Gigabit-Bereich. Die kontaktlose Verbindungstechnologie ist nahezu verschleiß- und interferenzfrei und eignet sich für den Einsatz in Ex-Schutzbereichen.

Unsere Leistungen:

• Technologie Consulting
• Konzeptentwicklung
• Hardware- und Moduldesign
• Pilotproduktion

Moderne flexible Fertigungslinien mit mobilen Robotern und Werkzeugen, jede Fertigungszelle und Maschine an die Cloud angebunden und miteinander vernetzt. Das sind Industrie 4.0 beziehungsweise M2M Szenarien, die vor allem eines erfordern: sichere und drahtlose Kommunikation. Li-Fi HotSpots nutzen das Spektrum des Lichts anstatt Funk, um Daten zu übermitteln. Im Vergleich zu Funk ist die optische Technologie grundlegend sicherer vor elektromagnetischen Störungen. Es ist abhörsicher und außerdem im Mikrosekundenbereich echtzeitfähig und das bei Datenraten bis 1 Gbit/s. Diese Faktoren prädestinieren die optische Kommunikation für den industriellen Einsatz. Li-Fi kann in Bereichen eingesetzt werden, in denen selbst Industrie WLAN Access Points an ihre Grenzen stoßen.  Die örtliche Diversität erleichtert außerdem die Netzwerkplanung, die aufwändige Antennenplanung  und -ausrichtung ist so nicht mehr notwendig.

Unsere Leistungen:

• Optik- und Transceiverentwicklung
• Modulintegration
• Systemsetup
• Charakterisierung & Test
• Pilotfertigung
• Kundensupport

Um permanent verfügbare und flexiblere Warenflüsse zu gewährleisten werden in der Intralogistik zunehmend automatisierte Lösungen eingesetzt. Fahrerlose Transportsysteme (FTS)  werden im Wesentlichen über WLAN oder andere funkbasierte Übertragungstechnologien mit der übergeordneten Fahrzeug- bzw. Streckenverwaltung oder anderen Leitsystemen verbunden. Viele parallele Teilnehmer in einem funkbasierten Netzwerk  können allerdings zu Interferenzen führen und die Zuverlässigkeit der Datenverbindungen beeinträchtigen.

Mit dem Einsatz von Li-Fi als optische Datenübertragungstechnologie lassen sich stabile interferenzfreie Datenlinks aufbauen und so immer eine sichere Datenübertragung gewährleisten. Mit Li-Fi kann der parallele Betrieb von vielen Fahrzeugen mit Datenlinks bei gleichbleibender Bandbreite realisiert werden.

Unsere Leistungen:

• Optik- und Transceiverentwicklung
• Modulintegration
• Systemsetup
• Charakterisierung & Test
• Fertigungsunterstützung
• Kundensupport

Um maschinelles Sehen in drei Dimensionen zu ermöglichen, entwickelt ein Team am Fraunhofer IPMS ein „scannendes Auge“. Das Institut arbeitet seit Jahren an sogenannten MEMS-Scannerspiegeln, die zur gezielten Ablenkung von Licht für Anwendungen in Industrie, Medizin und Alltag eingesetzt werden. Diese kompakten mikrooptischen Bauteile mit integriertem Antrieb sind äußerst robust und zuverlässig.

Maschinelle 3D- Sicht mit LIDAR

Am Ende eines Roboterarms installiert, kann ein Scannerspiegel dem Roboter jederzeit „bewusst“ machen, was in seiner Umgebung passiert, welche Arbeitsschritte er zu erledigen hat und wie die Qualität seiner Arbeit ist. Dieses Scannermodul ist eine Art Auge für den Roboter, das hochauflösende Bilder in den drei Raumachsen aufnimmt. Das System lenkt und erkennt einen Laserstrahl in zwei Dimensionen und erfasst gleichzeitig die Tiefe als dritte Dimension, indem es die Laufzeit des Lichts zwischen dem Objekt und dem Detektor misst, auch bekannt als LiDAR (Light Detection and Ranging). Produktionsanlagen oder Fahrzeuge, die mit dieser Scantechnologie ausgestattet sind, gewinnen ein zuverlässiges Verständnis ihrer Umgebung und ebnen den Weg für völlig autonome Systeme.

Erweitertes maschinelles Sehen - 4D

Als Ausbaustufe des Systems können breitbandige Lichtquellen eingesetzt werden, um spektrale Informationen über feste, flüssige oder gasförmige Stoffe zu erhalten. Zusätzlich zur Laufzeitmessung wird ein optisches Gitter auf dem Mikrospiegel verwendet, um die Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu steuern, was die spektrale Analyse verschiedener Substanzen ermöglicht. Dieser Systemansatz wird nicht nur als Sicherheitsmerkmal in Mensch-Maschine-Schnittstellen genutzt, sondern kann auch zur Überwachung der Trinkwasserqualität, zur Qualitätsprüfung im Pharmabereich, zur Fernüberwachung von Produktionsanlagen oder zur Dichtheitsprüfung von Pipelines eingesetzt werden. Damit ermöglichen die Entwicklungen des Fraunhofer IPMS eine neue Art der Umweltdatenerfassung, um Anlagen sicherer zu betreiben, Prozesse stabiler zu gestalten und den persönlichen Kontakt mit Gefahrstoffen zu vermeiden.

Vorteile

• Berührungslose Analyse der Umgebung
• Ultrahohe Auflösung
• Äußerst kompakt
• Perfekt für mobile Anwendungen
• Robust, zuverlässig und wartungsfrei

Fabriken werden in der Zukunft noch flexibler als heute individuelle Einzelprodukte fertigen und eine höhere Wirtschaftlichkeit erzielen: in kurzer Zeit, zu niedrigen Kosten, bei höchster Qualität. Dabei werden die Mitarbeiter durch moderne AR-Assistenzsysteme bestmöglich unterstützt und in die Produktions- und Serviceprozesse eingebunden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen sowie der Produktionsprozesse und eröffnet zudem völlig neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungen.

Ziel des Verbundprojektes secureAR ist die Erforschung von innovativen Dienstleistungen im industriellen Produktionsumfeld. Hierfür wird eine branchenübergreifende und offene cloudbasierte Serviceplattform mit offenen Industrieschnittstellen realisiert. Diese Serviceplattform erfasst Daten entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Planung, über die Produktionsprozesse bis zur Wartung der Anlagen und ermöglicht eine orts- und situationsbezogene Bereitstellung und Visualisierung der Daten über ein neuartiges AR-Assistenzsystem.