Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
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Cyber Physical Systems - Fraunhofer IZM
© Fraunhofer IZM

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Trendthemen

Cyber Physical Systems

Was sich auf den ersten Blick wie eine Wortschöpfung aus einem Science Fiction-Roman liest, ist bei näherem Hinsehen auf dem besten Weg, unsere Wirtschaftswelt ähnlich zu verändern wie weiland die Einführung des PCs. Das Kunstwort  Cyber Physical System, kurz CPS, beschreibt dabei die zukünftige Vernetzung der physikalischen Welt der Maschinen, Anlagen und Geräte mit der virtuellen Welt des Internets, dem Cyberspace. Erste Ansätze sind bereits in Navigationsgeräten zu finden, bei der neben aktuellen Stauinformationen auch die Bewegungsprofile der Verkehrsteilnehmer zur Verbesserung der Vorschlagsgüte alternativer Routen herangezogen werden. Das Beispiel zeigt indirekt, dass die Grundlagen für Cyber Physical Systems gelegt sind.

  1. Schätzungen zu Folge arbeiten schon heute etwa 98 Prozent der Mikroprozessoren in Steuerungen von Maschinen, Anlagen und Geräten. Elektronik entscheidet maßgeblich über die Funktionalität von Produkten im Arbeits- wie im Privatleben.
  2. Das Internet hat im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik die Welt global vernetzt. Zunehmend werden Geschäftsprozesse im Internet abgebildet und entsprechende Dienstleistungen angeboten. Selbst Software und Rechenleistung soll zukünftig via Internet genutzt werden (Cloud-Computing).
  3. Die nächste Stufe wird die Vernetzung der Maschinen, Anlagen und Geräte via Internet sein. Deren Steuerung wird dann nicht mehr fest vorgegebenen Abläufen folgen oder zentral organisiert sein. Die Kommunikation untereinander wird in höchstem Maß kontext- bzw. situativ abhängige Regelstrategien erlauben. Werkstücke werden sich Ihren Weg selber durch die Fertigung suchen und bei Maschinenausfällen im Austausch mit anderen Werkstücken flexibel reagieren können

Wissenschaft und Forschung werden einem Positionspapier der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften zu Folge vor neue Herausforderungen gestellt: Wie ist mit heterogenen vernetzten Gebilden umzugehen, die eine ganzheitliche systemische Sicht und interdisziplinäre Zusammenarbeit von Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik erfordern? Wie sind Cyber-Physical Systems technisch zu beherrschen, wie sind sie zu bauen, zu steuern, zu kontrollieren und zu warten? (vgl. acatech (Hrsg.): Cyber-Physical Systems. Innovationsmotoren für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion (acatech POSITION), Heidelberg u.a.: Springer Verlag 2011.)

Das Fraunhofer IZM unterstützt diese Entwicklungen mit der Bereitstellung von Technologien für:

  • Drahtlose Sensorik
  • Anwendungsspezifisches Packaging von Sensoren

Drahtlose Automatisierungstechnik

Im Bereich der drahtlosen Automatisierungstechnik konzentriert sich das Fraunhofer IZM vorrangig auf die Themen Energieversorgung, Vernetzung und robuste Kommunikation sowie den anwendungsspezifischen Aufbau von Sensorknoten.

Die Bereitstellung von und der Bedarf an Energie ist eines der zentralen Themen beim Einsatz von autarken Sensorknoten, entscheidet dieser Punkt doch häufig über die Konkurrenzfähigkeit autarker Sensorlösungen. Das Fraunhofer IZM unterstützt bei der energieeffizienten Auslegung von Sensorknoten, der Bereitstellung von Energie durch Brennstoffzellen und anwendungsspezifische Batterien sowie der Wandlung von Umgebungsenergie. Die Kommunikation zwischen den Knoten und einer zentralen Empfangseinheit stellt das zweite große Forschungsgebiet dar. Auch hier spielt Energieeffizienz eine große Rolle, aber auch Themen wie Robustheit der Funkverbindung oder Antennendesign werden betrachtet. Abschließend widmet sich das Fraunhofer IZM dem Packaging von Sensorknoten und beantwortet die Frage, welche Technologien für kunden- oder besser anwendungsspezifische Sensorknoten zur Verfügung stehen.

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Anwendungsspezifisches Packaging von Sensoren

Sensoren in der Automatisierungstechnik müssen zum Teil Wunder vollbringen. Auf der einen Seite müssen Sie hochgenau Messdaten erfassen, auf der anderen Seite sind sie zum Teil rauesten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Dem Packaging kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Es muss den Sensor vor den Einflüssen der Umgebung schützen, ohne die Funktionalität zu beeinflussen. Das Fraunhofer IZM ist spezialisiert auf:

  • Stressfreies Packaging, etwa von Druck-, Hall- oder Beschleunigungssensoren
  • Hochrobustes Packaging, etwa wenn Medienresistenz, Hochtemperatur- oder Vibrationsfestigkeit gefordert ist.
  • Packaging von optischen Sensoren, etwa miniaturisierten Kamerasystemen, Spektrometern oder Fasersensoren
  • Packaging von Sensoren mit Freistellungen für Prozessfenstern, etwa für Feuchte- oder Gassensoren
  • MEMS-Packaging, auch im Waferverbund

Mehr Informationen zum Packaging von Sensorik