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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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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

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Mitglieder von Hahn-Schickard

Auszug der Mitglieder von Hahn-Schickard

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Megatrends als Treiber des Wandels

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Quelle Fraunhofer IAO

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Cyber Physische Systeme

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Quelle Acatech

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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

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Cyber Physische Systeme

Smarte Komponenten

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- 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

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Cyber Physische Systeme

Individualisierung via (3D)-Systemintegration

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Cyber Physische SystemeInformationsmodell

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Kernkompetenzen

am Institut für Mikroaufbautechnik

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▪ 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

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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

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Beispiel 1:

Verzahnungsüberwachung in Getrieben

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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 <3kHz

▪ Digitaler Temperatursensor

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Beispiel 1:

Verzahnungsüberwachung in Getrieben

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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

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Beispiel 2:

Industrie 4.0 zum Ausprobieren

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„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

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Beispiel 2:

Industrie 4.0 zum Ausprobieren

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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

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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

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Beispiel 3:

Automatisierte Planung in der Mikromontage

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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

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Bauteildesign

Lastenheft

Beispiel 3:

Automatisierte Planung in der Mikromontage

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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

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Beispiel 4: Markierungsfreie Rückverfolgung

von Bauteilen mittels Fingerabdruck

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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

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Beispiel 4: Markierungsfreie Rückverfolgung

von Bauteilen mittels Fingerabdruck

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…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

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▪ 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)

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Dr.-Ing. Karl-Peter Fritz.

Bereichsleiter Bauelemente + Systeme

Allmandring 9 b | 70569 Stuttgart

+49 711 685-84792 | [email protected]

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