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Cyber Physische Systeme Smarte Komponenten, Systemintegration und Informationstechnik Beitrag zum Themenforum am 16.11.2017 PEOPLE PROCESS PLACES Hahn -Schickard Stuttgart, Germany

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  • Cyber Physische Systeme – Smarte Komponenten,

    Systemintegration und Informationstechnik

    Beitrag zum Themenforum am 16.11.2017

    PEOPLE PROCESS PLACES

    Hahn-Schickard

    Stuttgart, Germany

  • Hahn-Schickard-Gesellschaft

    für angewandte Forschung e.V.

    Angewandte Forschung, Entwicklung + Fertigung in der Mikrosystemtechnik

    ▪ Haushalt 2016: 23,1 Mio. € (5,0 Mio. € Industrie)

    ▪ Mitarbeiter 2016: 192 Personen (181,0 FTE)

    ▪ Teil der Innovationsallianz Baden-Württemberg

    Institut für Mikroaufbautechnik

    Stuttgart

    Institut für Mikro- und Informationstechnik

    Villingen-Schwenningen

    Institut für Mikroanalysesysteme

    Freiburg

    DIN EN ISO 9001:2015

    2Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Mitglieder von Hahn-Schickard

    Auszug der Mitglieder von Hahn-Schickard

    3Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Megatrends als Treiber des Wandels

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 4

    Quelle Fraunhofer IAO

  • Cyber Physische Systeme

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 5

    Quelle Acatech

  • Data

    Storage

    Data

    Processing

    Communication

    Wireline / Wireless(multiple standards)

    Energ

    y

    Energy-Management

    & Harvester

    Micro ElectronicsMixed Signal ASICs

    S1 Sn

    Tailored

    Sensors

    Signal ProcessingSensor ReadoutLow Power / Low Voltage

    Delta-Sigma Technology

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

    Cyber Physische Systeme

    Smarte Komponenten

    6

  • - 3D-Integration of sensors

    - Interfaces for process factors

    - Electical interconnection

    - Antennas / inductive charging

    - Mechanical fixing

    - Robust Package

    S2

    S1

    Antennas

    Inductive

    ChargingProcess factor

    Sn

    Data

    Processing

    Communication

    Signal Processing

    Energ

    yData

    Storage

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

    Cyber Physische Systeme

    Individualisierung via (3D)-Systemintegration

    7

  • Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

    Cyber Physische SystemeInformationsmodell

    8

  • Kernkompetenzen

    am Institut für Mikroaufbautechnik

    9

    ▪ Mikrotechnik – ein interdisziplinäres

    Forschungsgebiet

    ▪ Branchenübergreifende

    Schlüsseltechnologie

    ▪ Wichtiger Enabler für innovative

    Produkte

    Mikrotechnik – interdisziplinär, branchenübergreifend, innovativ.

    Mikrotechnik

    Mechanik

    Elektronik Optik

    Präzisionsbearbeitung

    & Spritzgießtechnik

    Strukturierung von

    Oberflächen

    Mikromontage

    & Packaging

    Bauelemente &

    Systeme

    Modellierung &

    Zuverlässigkeit

    Fertigung

    Mikrotechnik

    Mechanik

    Elektronik

    Optik Fluidik

  • Sensors. Everywhere!Messen am Ort des Geschehens

    ▪ Strategisches Themenfeld bei Hahn-Schickard

    ▪ Nahtlose Integration von Sensoren in allen

    Lebensbereichen.

    ▪ Enabler für Megatrends wie Internet of Things,

    Smart Factory, Smart Home und Ambient Assisted

    Living.

    ▪ Miniaturisierung

    ▪ Anpassung an den Bauraum

    ▪ Beständigkeit unter rauen Umgebungsbedingungen

    ▪ Zuverlässigkeit

    10

  • Beispiel 1:

    Verzahnungsüberwachung in Getrieben

    11

    Motivation (Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.)

    ▪ Condition Monitoring – Überwachen von Maschinen und Anlagen

    ▪ Sensoren zur Erfassung und Auswertung charakteristischer Zustandsgrößen

    Lösungsansatz

    ▪ Intelligentes, industrietaugliches Sensorsystem mit Netzwerkanschluss

    ▪ Basis: Einplatinencomputer mit Sensorleiterplatte als Aufsteckplatine

    ▪ Analoge Sensoren zur Erfassung von Vibrationen bis

  • Beispiel 1:

    Verzahnungsüberwachung in Getrieben

    12

    Implementierung via 2 „ProgramableRealtime Units“ (PRU)

    ▪ Ansteuerung ADC, Auslesen und Abspeichern der Sensordaten

    ▪ Kalibration der Messdaten

    ▪ Fensterfunktion

    ▪ Überprüfen der Grenzwertüberschreitung

    ▪ Auslesen des Temperatursensors

    ▪ Client-Verbindung zur Visualisierung der Sensordaten und für Parametrisierung des Sensorsystems

    Erkenntnis: Condition Monitoring mit Low-Cost Sensoren ist möglich

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Beispiel 2:

    Industrie 4.0 zum Ausprobieren

    13

    „Nicht-disruptives Kit für die Evaluation

    von Industrie 4.0“ (NIKI 4.0)

    ▪ Einfacher, kostengünstiger und risikolos zu

    installierender Industrie-4.0-Werkzeugkasten

    aus Sensorik und Software

    ▪ AdHoc Sensorik (Umweltfaktoren,

    Energieverbräuche, Position, …)

    ▪ Informationskoppler (Profibus, …)

    Partner

    Finanziert durch

    I

    SAdHoc Sensorik

    Informationskoppler

    SS

    S

    I

    I

    S

    Quelle: Firma MAG IAS GmbH

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Beispiel 2:

    Industrie 4.0 zum Ausprobieren

    14

    Sammlung und Aggregation der

    vorhandenen Daten

    ▪ Drahtlose Kommunikation

    ▪ Datenaggregation und –verarbeitung

    Darstellung der Daten zur Ableitung

    individueller Nutzungspotentiale

    ▪ Augmented Reality

    ▪ Datenanalyse

    Open-Source-Plattform

    Projektbegleitender Ausschuss

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Fertigungstechnologie

    für miniaturisierte CPS-Komponenten

    Mega-Trend: Mass-customization

    Randbedingungen für die Fertigung

    ▪ Produktlebenszyklen < 1-2 Jahre

    ▪ Typische Stückzahlen 1.000 – 100.000

    ▪ Kurze Umrüstzeiten gewünscht

    ▪ Rückverfolgbarkeit

    ▪ Anlagenkosten nicht durch ein Produkt amortisierbar

    ➢ Hohe Anforderungen bzgl. Wandlungsfähigkeit

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 15

  • Beispiel 3:

    Automatisierte Planung in der Mikromontage

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 16

    Greifen

    Glasfaser

    Konfektionierung

    Glasfaser

    Dispensen

    Klebstoff

    Dispensen

    Klebstoff

    x/y/z-Handling

    Spiegel

    x/y/z-Handling

    Glasfaser

    Dispensen

    Vergussmasse

    Aushärten

    Klebstoff

    Greifen

    Objektiv

    x/y/z-Handling

    Objektiv

    Dispensen

    Klebstoff

    Dispensen

    Klebstoff

    x/y/z-Handling

    Kamerachip

    Active Alignment

    Objektiv

    Aushärten

    Klebstoff

    Wickeln

    Spulendraht

    x/y/z-Handling

    Draht+Spulendraht

    Greifen

    Draht

    Dispensen

    Vergussmasse

    x/y/z-Handling

    Draht

    Löten

    Spulendraht

    Dispensen

    Silikonmasse

    Test+Kalibration

    Sensor

    Produkt A Produkt B Produkt C

    Wiederkehrende

    MM-ProzesseSpezialprozess

    80%20%

    Für wiederkehrende MM-Prozesse

    gibt es meist schon verfügbare MM-Lösungen

    können Sonderlösungen entfallen

  • Bauteildesign

    Lastenheft

    Beispiel 3:

    Automatisierte Planung in der Mikromontage

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 17

    Produktportal

    Dis

    1

    xyz

    2

    Dis

    2

    xyz

    3

    xyz

    1

    Löt

    2

    Kam

    1

    Löt

    1

    Kam

    2

    Kam

    3

    AH

    1

    Prozessmodell

    Dis

    1 xyz

    3

    Greif

    1 Konf

    1

    xyz

    2Dis

    2

    Greif

    2

    Bauteildesign

    Beschreibungs-

    Tool mit

    FrageassistentenGreifen

    Konfektionierung

    Dispensen

    x/y/z-Handling

    x/y/z-Handling

    Funktionale

    Prozess-

    beschreibung

    Konfigurator

    Lastenheft-

    generator

    Lastenheft

  • Beispiel 4: Markierungsfreie Rückverfolgung

    von Bauteilen mittels Fingerabdruck

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 18

    Grenzen herkömmlicher

    Tracking-Verfahren:

    ▪ Traceability oft nicht ab Beginn der

    Wertschöpfungskette (z.B. Spritzguss)

    ▪ Kleinstbauteile aus technischen, optischen

    oder Kostengründen nicht markierbar

    ▪ Geringer Schutz vor Fälschungen

    Lösungsmöglichkeit

    ▪ Markierungsfreie Identifikation von

    Bauteilen anhand einzigartiger

    Oberflächenstruktur

    …1001101001010010100101…

    Reduktion

    der Bilddaten

    auf Bitfolge

  • Beispiel 4: Markierungsfreie Rückverfolgung

    von Bauteilen mittels Fingerabdruck

    19

    …0010101010111001001111…

    …0101000100111100100001…

    …1001101001010010100101…

    …1110100100101111110010…

    Datenbank

    !…0010101010111001001111…

    Machbarkeitsstudie

    (Point4Micro)

    ▪ 30 von 30 Bauteilen aus MID-

    Prozesskette wurden identifiziert

    BMBF Projekt Track4Quality:

    ▪ Screening geeigneter Materialien

    ▪ Analyse der Zuverlässigkeit

    insbesondere bei Umwelteinflüssen

    auf die Bauteiloberfläche

    ▪ Implementierung und Test in

    industrieller Fertigung von

    Projektpartnern

    Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • ▪ Fördergeber:

    ▪ Partner:

    ▪ Laufzeit:

    Projektsteckbrief

    Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Textil vernetzt

    BMWI, Projektträger DLR

    DITF, STFI, ITA der RWTH, GV Textil+Mode

    01.11.17–31.10.20

    ▪ Ziel: Bestehendes Wissen über Industrie 4.0 in den

    Mittelstand transferieren

    ▪ Lösung: Durchführung von Transfermaßnahmen zum

    ➢ Informieren

    ➢ Demonstrieren

    ➢ Qualifizieren

    ➢ Umsetzen

    ▪ Transfer mithilfe von „begreifbaren“ Demonstratoren,

    spannenden Veranstaltungen und professionellem Info-

    Material

    ➢ Showroom in Berlin beim GV Textil+Mode

    ➢ Schaufenster bei HS in Stuttgart (TransferFab)

    20Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES

  • Dr.-Ing. Karl-Peter Fritz.Bereichsleiter Bauelemente + Systeme

    Allmandring 9 b | 70569 Stuttgart

    +49 711 685-84792 | [email protected]

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