Mikrosystemtechnik

Kleiner, schneller, intelligenter 

Mikrosystemtechnik

Die Mikrosystemtechnik (MST) beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung von Bauelementen mit Abmessungen im Mikrometer-Bereich. Dazu kommen sowohl klassische, als auch neue Verfahren aus den Mikrotechnologien zur Anwendung.

Integriert man mikromechanische oder mikrooptische Elemente mit mikroelektronischen Baugruppen, so spricht man von Mikrosystemen. Solche Mikrosysteme beinhalten Strukturen, die in ihrer Größe weit kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sind.

Durch den Trend der Automatisierungstechnik zu „kleiner, schneller, intelligenter“ spielen innovative Sensoren und Aktoren für den Einsatz in miniaturisierten und verteilten Steuersystemen mit integrierter Intelligenz (Smart Systems) eine wichtige Rolle. Smart Systems messen zuverlässig physikalische Größen wie Position, Temperatur, Druck, Vibration und Kraft.

Damit stellen sie Betriebsparameter für die Produktion bereit, unterstützen die Qualitätssicherung oder erleichtern die Instandhaltung von Produktionsanlagen. Die Effizienz dieser Steuersysteme ist umso höher, je mehr physikalische Größen durch intelligente Sensoren gemessen werden können. Durch die Auswertung der Daten können die Prozesse und Systeme optimiert werden. Daraus resultiert auch die Motivation, Sensoren flexibler, robuster und kleiner zu entwickeln. Hierfür sind die Methoden der MST prädestiniert.

Mikroventiltechnik

Bekannte Produkte auf Basis von Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) sind unter anderem im Bereich der  Dosierungssysteme für Flüssigkeiten und anderen medizinische Anwendungen zu finden. Die meisten dieser Ventile werden von einem elektrostatischen oder einem thermischen Antrieb geschaltet. Diese Antriebe sind jedoch weniger zuverlässig und erreichen nur eingeschränkte Hübe. Somit müssen für den Aufbau von Pneumatikventilen mit ihren typischen hohen Anforderungen an Robustheit und Lebensdauer andere Methoden der Mikro- und Feinwerktechnik eingesetzt werden, die den Anforderungen an die Miniaturisierung für einen Einsatz in der industriellen Automatisierung ebenfalls entsprechen.

Die Forschung bei Festo beschäftigt sich daher auch mit Mikroventilen mit Piezo-Biegewandlern oder kompaktbauenden Elektromagnetantrieben. Dabei stehen die virtuelle Auslegung und Simulation (Magnetfeldberechnung oder Piezobiegerverhalten) sowie der Bau von Prototypen im Vordergrund.

Sensorik

Sensoren stellen wichtige Informationen für den Betrieb einer Automatisierungsanlage bereit. Dazu müssen Messgrößen wie Durchfluss, Druck und Position von Antrieben kontinuierlich mit hoher Genauigkeit erfasst werden.

In der Forschung werden Sensoren mit neuartigen Funktionen entwickelt, die die stärkere Miniaturisierung durch Funktionenintegration weiter voranbringen sollen. Beispielsweise wurden in Forschungsprojekten gedruckte Magnetfeldsensoren zur Positionsmessung an pneumatischen Antrieben untersucht. Weitere Forschungsvorhaben beschäftigen sich mit flexibler Elektronik in dünnen Folien, die – zum Beispiel aufgebracht auf einem Greifer – die Bestimmung der Greifkraft und die Objektgröße ermöglichen. Auch gedruckte elektronische Bauelemente für Druck- oder Kraftsensoren sowie Wireless-Ansätze zur Datenübertragung sind Gegenstand der Forschungen. Mit modernsten Simulationstechniken leistet die Forschung zudem einen wichtigen Beitrag zur Auslegung von Sensor-Magnet-Paarungen für das Design von künftigen pneumatischen Antrieben.

Aktorik

Neben Piezo- und Elektromagnetantrieben werden neuartige Aktoren in Form von elektroaktiven Polymeren untersucht. Diese weisen Leistungscharakteristiken ähnlich zu Elektromagneten auf. Sie verhalten sich im Prinzip wie Piezo-Antriebe, das heißt, sie sind sehr energieeffizient, haben aber ein höheres Leistungsvermögen als Piezo-Biegewandler.

Momentan liegt der Nachteil bei elektroaktiven Polymeren, die in Stapelbauweise realisiert werden, bei den hohen Betriebsspannungen von rund 2.000 bis 3.000 Volt. Die Forschung bei Festo arbeitet im Rahmen von Förderprojekten an der Reduzierung dieser Spannung, um den Einsatzbereich für elektroaktive Polymere zu vergrößern.

Kameratechnik und Bildverarbeitung

Immer häufiger werden in der Industrie Kameras für Produktionsprozesse eingesetzt. Die Kameras werden meist beim sogenannten „Griff vom Band“ sowie in der Qualitätskontrolle von Bauteilen und Baugruppen eingesetzt, um die Objekte zu erfassen.

In Zukunft werden in der Produktion Menschen mit Maschinen immer stärker zusammenarbeiten. Hier kann die Kameratechnik – gepaart mit geeigneten Algorithmen der Bildverarbeitung –  einen entscheidenden Mehrwert für die Mensch-Maschine-Interaktion liefern. Daher werden in der Forschung die am Markt verfügbaren Systeme hinsichtlich der Anforderungen der Mensch-Technik-Interaktion evaluiert und mit Forschungspartnern neue Kamerasysteme  entwickelt. Außerdem müssen Algorithmen implementiert werden, welche die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter verbessern oder erst ermöglichen.