Im Kontext von Digitalisierung und Industrie 4.0 rücken Ansätze, die auf KI-Verfahren basieren, zunehmend in den Fokus der Produktentwickler. Einen wesentlichen Schwerpunkt bilden dabei Ansätze, die überall dort Verwendung finden, wo es Entwicklern unmöglich ist, explizite Lösungsverfahren zu beschreiben oder Daten verrauscht vorliegen. Die Grundlage für alle lernenden Verfahren bildet hierbei die Datenerfassung mit Sensoren. Der Trend zur Vernetzung beliebiger Systeme im Internet of Things stellt hohe Anforderungen an die Produktentwicklung. Der Vielzahl individueller Maschinen, Produkte und Systeme auf der einen Seite stehen klassische siliziumbasierte, zweidimensionale AVT aus der Massen-Elektronik gegenüber. Es besteht eine Diskrepanz zwischen dem Bedarf an individueller Sensorik und den am Markt verfügbaren Elektronik-Technologien. Die Verschmelzung der Technologiefelder Additive Manufacturing (AM) und Mechatronic Integrated Devices hat das Potential diesen Herausforderungen zu begegnen. AM ermöglicht neue Bauteilstrukturen und die kostengünstige Fertigung. MIDs sind 3D Schaltungsträger, welche elektrische und mechanische Funktionen in einem Bauteil vereinen. So können Packages mit hoher Funktionssicherheit und -dichte, sowie einem hohen Miniaturisierungsgrad realisiert werden. Zur Umsetzung stellt die Technologie MID eine Vielzahl an Verfahren zur Verfügung. Der etablierte Herstellprozess bei größeren Stückzahlen ist die Laserdirektstrukturierung, bei der mittels Laser ein aktivierbarer thermoplastischer Kunststoff strukturiert und anschließend partiell metallisiert wird. Im Rahmen des Projekts sollen Einsatzmöglichkeiten von AM-MID-Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau analysiert und charakterisiert werden. Dabei liegt der Fokus auf dem CMID Verfahren, das beliebige metallische Grundkörper erlaubt, und dem Stereolithografie-Verfahren, das additiv erzeugte Grundkörper erlaubt und für das ein spezieller MID-Fotopolymer entwickelt wurde.

Die technischen Systeme von morgen beruhen mehr denn je auf dem synergetischen Zusammenwirken verschiedenster Fachdisziplinen. Diese intelligenten technischen Systeme (oder Cyber-Physical-Systems) erweitern vormals singuläre mechatronische Systeme um Kommunikations- und Kooperationsfähigkeiten hin zu vernetzten Systemen. Die Struktur der Teilsysteme besteht jedoch nach wie vor aus den vier Einheiten Grundsystem, Sensorik, Aktorik und Informationsverarbeitung. Die Sensoren liefern die notwendigen Eingangsgrößen für die Informationsverarbeitung und bilden damit die wesentliche Schlüsselkomponente zur Erfassung des Grundsystems selbst und der Umwelt. Neue Konstruktions- und Materialeigenschaften, sowie eine steigende Miniaturisierung bei gleichzeitiger Kostenreduzierung ermöglichen neuartige intelligente Sensoren, die bereits über eine integrierte Informationsverarbeitung verfügen.



Im Kontext von Digitalisierung und Industrie 4.0 rücken Ansätze, die auf Verfahren der künstlichen Intelligenz basieren, zunehmend in den Fokus der Produktentwickler. Einen wesentlichen Schwerpunkt bilden dabei Ansätze des maschinellen Lernens, die überall dort Verwendung finden, wo es Entwicklern unmöglich ist, explizite Lösungsverfahren zu beschreiben oder Daten verrauscht oder unvollständig vorliegen. Die Grundlage für alle lernenden Verfahren bildet hierbei die Datenerfassung mit (intelligenten) Sensoren.





Der Trend zur Vernetzung beliebiger Systeme im Internet of Things (IoT) stellt hierbei hohe Anforderungen an die Produktentwicklung. Der Vielzahl verschiedener, individueller Maschinen, Produkte und Systeme auf der einen Seite stehen klassische siliziumbasierte, zweidimensionale Aufbau- und Verbindungstechnologien aus der Massen-Elektronik gegenüber. Es besteht eine Diskrepanz zwischen dem Bedarf an individueller intelligenter Sensorik und den am Markt verfügbaren Elektronik-Technologien.



Die Verschmelzung der beiden Technologiefelder Additive Manufacturing (AM) und Mechatronic Integrated Devices (MID) hat das Potential diesen Herausforderungen zu begegnen. AM ermöglicht neue Bauteil-strukturen mit erweiterten geometrischen Freiheiten, die sich mit etablierten Fertigungsverfahren nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand umsetzen lassen. Die kostengünstige Fertigung, durch den Verzicht auf Formgebungswerkzeuge, spricht ebenfalls für die additive Fertigung. MIDs sind drei-dimensionale, i.d.R. spritzgegossene Schaltungsträger. Durch die Integration von mechanischen und elektronischen Funktionen auf einem räumlichen Schaltungsträger können Packages mit hoher Funktions-sicherheit und -dichte sowie einem erheblichen Miniaturisierungsgrad realisiert werden. Zur Umsetzung stellt die Technologie MID eine Vielzahl an Verfahren zur Verfügung. Der etablierte Herstellprozess bei größeren Stückzahlen ist die Laserdirekt-strukturierung (LDS), bei der mittels Laser ein aktivierbarer thermo-plastischer Kunststoff strukturiert und anschließend partiell metallisiert wird.





Im Rahmen des Projekts sollen Einsatzmöglichkeiten von AM-MID-Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau analysiert und charakterisiert werden. Dabei liegt der Fokus auf dem CMID Verfahren (Pulverlackbasiert), das beliebige metallische Grundkörper erlaubt, und dem Stereolithografie-Verfahren, das additiv erzeugte Grundkörper erlaubt und für das ein spezieller MID-Fotopolymer entwickelt wurde.







Die übergeordnete Zielsetzung gliedert sich dabei in zwei Handlungsstränge. Zum einen erfolgt die Erarbeitung einer erweiterten Systematik die Hinweise zur Gestaltung, fertigungsspezifische Restriktionen und funktionale Lösungsaspekte integriert. Zum anderen sollen die Inhalte der Systematik basierend auf der Gestaltung und Umsetzung von Demonstratoren validiert werden. Dafür werden geeignete Baugruppen der Partnerunternehmen ausgewählt.



 Wie bereits festgestellt, fehlt es an geeigneten Methoden und Hilfsmitteln, welche die Entwicklung von



individuelle IoT-Sensorsysteme auf MID-Basis vereinfachen und den Aufwand verringern. Um auch ungeübten Anwendern die Entwicklung individueller MID-Sensorsysteme zu ermöglichen, wird eine Systematik erarbeitet, welche sich aus drei wesentlichen Bestandteilen zusammensetzt: 



1. Vorgehensmodell: Das erarbeitete Vorgehensmodell gliedert den Entwicklungsprozess in klar abgegrenzte Schritte, fasst die zugehörigen Aufgaben zusammen und zeigt die erwarteten Ergebnisse auf. Der Entwicklungsprozess wird so für die Beteiligten nachvollziehbar und transparent.  

2. Sensorbaukasten: Kern der Systematik ist ein Sensorbaukasten. Hierfür wird eine Referenz-architektur drahtloser Sensorsysteme erarbeitet. Diese Architektur wird in unterschiedliche Funktions-blöcke, unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen aufgeteilt. So besitzt jeder Funktionsblock unter anderem eine feste Größe, Anordnung der Schnittstellen und ein fertigungsgerechtes Layout. Dem Nutzer ist es so möglich entsprechend seinem Anwendungsfall geeignete Komponenten auszuwählen und zu einem Gesamtsystem zu verschalten. Um den Entwicklungsaufwand weiter zu verringern, wird eine teilautomatisierte modulare Softwareerstellung realisert. Mit auswählen der Komponenten wird ein lauffähiger Code erzeugt, der die Grund-funktionalitäten des Sensorsystems, wie z.B. Datenerfassung und Datenübertragung realisiert.

3. Fehlerkatalog: Ein wesentliches Merkmal von MIDs ist die starke Abhängigkeit zwischen Produkt- und Produktionssystem. Das Design des MID-Bauteils wird schon zur Entwicklung durch Fertigungs-restriktionen beeinflusst. Wichtig ist während der Entwicklung spezifische Design Guidelines zu berücksichtigen. Nichtsdestotrotz treten in der praktischen Fertigung unvorhergesehene Fehler oder Probleme auf. Der technologiespezifische Fehlerkatalog ermöglicht die Identifikation typischer Fehlerbilder, ihre Ursachen und geeignete Gegenmaßnahmen. Die Fertigung von MIDs ist insgesamt ein äußerst komplexer Prozess, der sich durch eine Vielzahl Wechselwirkungen auszeichnet. Mit dem Fehlerkatalog ist es besonders für unerfahrene Anwender möglich spezifische Fehler zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.