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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
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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
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 <3kHz
▪ Digitaler Temperatursensor
Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES
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
Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES
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
Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES
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
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]
Dr. Karl-Peter Fritz - 16.11.2017 - Themenforum PEOPLE PROCESS PLACES 21