Produktion

Sensor im Maßanzug

Das Fraunhofer FHR forscht an innovativen Sensoren, mit denen sich das Ziel »Null-Fehler-Produktion« realisieren lässt. Neben in-line-Fähigkeit und Zuverlässigkeit ist der Preis ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung.

Ist in jedem Stück Schokolade wenigstens eine Mandel? Hat das Material die erforderliche Stärke? Ist das Produkt eventuell verunreinigt? Alle diese Fragen können mit einem Sensor beantwortet werden: Radar.

Seit 1957 beschäftigt sich das Fraunhofer FHR mit allen Aspekten der Radartechnologie und ist eines der führenden Forschungsinstitute auf diesem Gebiet europaweit. Sensorik für Produktion und Industrieanwendungen sind bereits seit vielen Jahren ein Schwerpunktthema seiner wissenschaftlichen Arbeiten. Meist sind die Fragestellungen so spezifisch, dass verfügbare kommerzielle Lösungen an ihre Grenzen stoßen, oder die Umweltbedingungen in der Produktionsstätte sind zu harsch für andere Sensoren. Doch Hitze, Rauch und Dampf beeinflussen Radar nicht. Radar ist außerdem unabhängig von Licht und Dunkelheit. Das Anwendungsspektrum reicht von der Abstandsmessung im Stahlwerk bis zur Detektion von Verunreinigungen Lebensmitteln. Auch die Bestimmung des Reifegrades von Früchten oder die sortenreine Sortierung von Recycling-Abfällen ist möglich.

Im Grenzbereich der Sensortechnik

Bei der Entwicklung einer kundenspezifischen Lösung stehen neben Preis und möglichst kurzer Entwicklungsdauer auch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Anlage im Fokus. Doch bevor die Wissenschaftler mit der Konzeption eines neuen Systems beginnen, erfassen sie die Rahmenbedingungen: Wie sieht die Anlage genau aus? Was ist die Aufgabe des Sensors? Wie schnell muss er messen? Welche Auflösung wird verlangt? Wo kann er am besten verbaut werden? Wie sind die Umweltbedingungen? Welche Schnittstellen müssen integriert werden? Was darf das System maximal kosten? Denn der Kerngedanke von Fraunhofer ist kostenbewusstes Forschen für praktische Anwendungen mit Vorteilsnutzen für die Partner. Dabei zählt nicht, was die eleganteste und aufwändigste Lösung ist, sondern die beste für den Kunden und seinen Bedarf.

Bereits binnen zwei bis vier Wochen können die Wissenschaftler in einer ersten Kurzanalyse sagen, ob etwas prinzipiell funktioniert. Eine konkrete Machbarkeitsstudie dauert je nach Ausführlichkeit drei bis sechs Monate. Auch die Konzeptionierung des Systems sowie den Bau eines Prototyps übernehmen die Wissenschaftler auf Wunsch. Dafür brauchen sie durchschnittlich sechs bis 24 Monate. Natürlich begleiten sie den Kunden auch bei der Integration einer Testanlage in seinen Produktionsbetrieb. Von der Idee bis zur Nullserie bekommt er alles aus einer Hand. Durch kurze Innovationszyklen sorgen die Wissenschaftler dafür, dass die Technologie stets auf dem neusten Stand ist. Das hilft den Unternehmen, ihre Marktposition zu festigen.

Das hauseigene Testlabor des Institutes verfügt über umfangreiche Ausstattung. Experimentalaufbauten unterschiedlicher Scan-Konzepte können Materialproben von 100 Megahertz bis 300 Gigahertz durchleuchten, prüfen und charakterisieren. Das Ganze bei Bedarf auch auf einer Bandstraße bei bis zu einem Meter pro Sekunde Bandgeschwindigkeit. Ergänzend stehen auch ein Terahertzspektrometer bis 2 Terahertz sowie weitere Radarsensoren zur Verfügung. In aufwändigen Simulationen verifizieren sie das Schaltungsdesign sowie die elektromagnetische Verträglichkeit der Komponenten.

Ein Chip, ein Radar

Zur Ergänzung seines Portfolios hat das Fraunhofer FHR eine Kompetenz im Chip-Design am Institut aufgebaut. Die Arbeitsgruppe entwirft kostengünstige und massenmarkttaugliche Hochfrequenz-Schaltungen auf Basis von Silizium-Germanium. Ein solches Radar-on-a-Chip ist in großen Stückzahlen sehr günstig. Aber auch für kleine Stückzahlen werden Systeme entwickelt. Das Besondere dabei: Die Schaltungen werden bis 100 Gigahertz und mehr in der PCB-Technologie (Planar Circuit Board) umgesetzt. Das spart Kosten, erlaubt eine kompakte Bauformen und ermöglicht es gleichzeitig, die Systeme kundenspezifisch aufzubauen.

Als Mitglied verschiedener Verbünde und Allianzen hat das Fraunhofer FHR Zugang zu breitgefächertem Know-how insbesondere im Bereich des maschinellen Sehens. Dank seiner guten Vernetzung innerhalb und außerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft findet das Fraunhofer FHR stets das optimale Konsortium. So erarbeiten die Forscher auch bei komplexen Projekten eine auf den Kunden zugeschnittene Lösung. Dabei setzen sie auf modulare Komponenten, die im Forschungsprojekt an die jeweilige Aufgabe angepasst werden, beispielsweise durch ein neues Systemkonzept, Antennendesign oder spezielle Algorithmen. Ein Sensor im Maßanzug sozusagen. Aktuell verfügt das Fraunhofer FHR über »Basissysteme« in unterschiedlichen Frequenzbereichen (30, 60 und 90 Gigahertz). Eine derzeit im Aufbau befindliche 120 Gigahertz-Zeilenkamera bringt die Wissenschaftler näher an ihr Ziel: Die Entwicklung eines abbildenden, echtzeitfähigen und in-line-fähigen Sensors.

Damit folgt das Fraunhofer FHR ganz der Tradition des Namensgebers der Fraunhofer-Gesellschaft: Als Wissenschaftler und Unternehmer hatte Joseph von Fraunhofer nicht nur im Blick, wie es noch besser geht, sondern eben auch preiswerter.