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RESTLADUNG: Entwicklung und hochautomatisierte Produktion einer DC-Wallbox mit Einzelphasenregelung

Das Projekt Restladung zielt darauf ab, Herausforderungen im Elektromobilitätssektor, insbesondere die ungleichmäßige Nutzung dreiphasiger Stromversorgung, zu bewältigen. Daher steht die Entwicklung einer hocheffizienten und kostengünstigen DC-Wallbox im Mittelpunkt, die durch eine optimierte Nutzung der Phasenkapazitäten und intelligente Regelungstechnik einen aktiven Phasenausgleich und damit eine effiziente Ladeinfrastruktur schafft. Das Projekt umfasst die Entwicklung einer kosteneffizienten DC-Wallbox auf Baisis einer Ein-Platinen-Lösung und einer passiven Wärmeabfuhr.

Teilprojekt Lehrstuhl FAPS

Das Teilprojekt des FAPS fokussiert neben dem automatisierungsgerechten Produktdesign insbesondere die hochpräzise Montage der Leistungselektronik in das Gehäuse. Besondere Berücksichtigung gilt demnach der optimalen Wärmekopplung beider Komponenten durch den Einsatz von 3D-Kameratechnik. Es werden der Einfluss von Fertigungs- und Montagetoleranzen auf das Kühlverhalten analysiert und zur Optimierung der Wärmeleitung ein Prozess des flexiblen Toleranzausgleichs mittels adaptiven Auftrages von wärmeleitfähigen Substanzen erarbeitet und im Zusammspiel mit einem darauffolgenden Schraubprozesses prototypisch untersucht.

Aufgaben Lehrstuhl FAPS

  • Ist-Analyse von Wallbox und Hochstromanwendungen
  • Konzeptentwicklung einer montagefreundlichen Einplatinenwallbox
  • Ableitung von Designregeln, insb. für automatisierungsgerechtes Design
  • Entwicklung der Prozessprototypen und Werkzeuge für die Hauptprozesse
  • Detailplanung der Hardware und Steuerungsarchitektur für den Demonstrator
  • Kinematiksimulation und Absicherung der Gesamtmontage im virtuellen Raum
  • Mech. Aufbau, Bilderkennung, Erprobung der Prozesse an einem Demonstrator
  • Wärmemonitoring und systematische Optimierung des Gapfillings zur Wärmekopplung

FORSocialRobots – Soziale Fähigkeiten für automatisierte Systeme und Roboter

Die Vision des Konsortiums in FORSocialRobos besteht darin, dass Mensch und Roboter gemeinsam in flexiblen Teams in allen Bereichen des täglichen Lebens zielführend zusammenarbeiten und neue Roboterapplikation in kürzester Zeit realisiert werden können. Das Projekt FORSocialRobots soll daher in sechs relevanten Anwendungsfeldern robotischer Applikationen (Inspektion, Logistik, Produktion, Service, Seniorenheim und Demenzzentrum) und in fünf wissenschaftlichen Teilprojekten (Architektur sozialer Fähigkeiten, sozial situative Kommunikation, sozial adaptive und proaktive Interaktion, Simulation und Validierung sozial kognitiver Roboter im Digitalen Zwilling und Mensch-Roboter-Interaktion im Arbeitskontext) einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der sozialen Fähigkeiten von Robotern leisten, damit deren Wirksamkeit und Akzeptanz bei den potenziellen Nutzern steigern sowie völlig neue technische Entwicklungen unterstützen.

Das Projektvorhaben ist dabei auf drei Jahre angelegt. Das Projektkonsortium besteht aus Forschungseinrichtungen, Einrichtungen der angewandten Forschung, Unternehmen und Anwendern, welche gemeinsam sowohl das Know-how besitzen, Roboter physisch und softwareseitig zu erforschen als auch geeignete Anwendungsfälle exemplarisch umzusetzen und dabei ethische, rechtliche und soziale Implikationen (ELSI) zu beachten. Prof. Jörg Franke ist der Sprecher des Forschungsverbundes und der Lehrstuhl FAPS  übernimmt die Rolle der Verbundkoordination.

Der Lehrstuhl FAPS ist für das Teilprojekt 1 “Architektur sozialer Fähigkeiten” verantwortlich. Weiterhin ist er am Teilprojekt 5 “Mensch-Roboter-Interaktion im Arbeitskontext” beteiligt. Hier liegt der Fokus auf der Erforschung der Akzeptanz sozialer Roboter in verschiedenen industriellen Szenarien und der Frage was für eine erfolgreiche Integration sozialer Roboter in existierende Arbeitsabläufe beachtet werden muss. Letztlich wird neben der internen Koordination auch die externe Kommunikation des Projekts durch den Lehrstuhl FAPS geleitet.

POV.OS – Entwicklung einer innovativen Automatisierungsplattform als offene Architektur aus Hardware und Software für den Einsatz und die Funktionalisierung von mobilen Arbeitsmaschinen

Im Verbundprojekt POV.OS soll eine innovative Automatisierungsplattform als offene Architektur aus Hardware und Software für den Einsatz und die Funktionalisierung von mobilen Arbeitsmaschinen entwickelt werden. Das Ziel des Projektes ist die ganzheitliche Konzeption und demonstrative Umsetzung einer anwendungsübergreifenden Plattform mit modularen Systemkomponenten, die als Grundlage für eine Spezifizierung und Umsetzung anwendungsbezogener Automatisierungs-, Assistenz- und autonomer Fahrfunktionen genutzt werden kann.

Eine zentrale Recheneinheit mit sicheren und zertifizierten Komponenten sowie standardisierte Schnittstellen ermöglicht allen Firmen der Wertschöpfungskette für professionelle Arbeitsmaschinen die rasche Entwicklung und Modifikation von relevanten Produkten. Durch eine Vernetzung sowie die Möglichkeit der Simulation der mobilen Arbeitsmaschinen unter Nutzung einer einheitlichen Hardware werden zudem zukünftige Entwicklungszeiten und die Einspielung von Updates sowie Upgrades optimiert. Der Fokus des Vorhabens liegt dabei auf der Entwicklung und demonstrativen Umsetzung eines gemeinsamen Kernsystems aus Hardware- und Softwarekomponenten für Ansteuerung, sensorische Erfassung und Vernetzung der professionellen Arbeitsmaschinen.

Durch eine vorwettbewerbliche Zusammenarbeit von Komponentenzulieferer, Fahrzeughersteller, IT-Unternehmen und Forschungseinrichtungen werden Kompetenzen aus allen Bereichen der mobilen Arbeitsmaschinen eingebracht.

Der Lehrstuhl FAPS beschäftigt sich im Rahmen von POV.OS unter anderem mit dem Aufbau einer Entwickler- und Anwenderplattform, dem Themenkomplex des digitalen Zwillings, der Nutzung und Anpassung von ROS 2 sowie der Funktionalisierung von professionellen Arbeitsmaschinen mit einem autonomen Routenzugschlepper als Anwendungsfall.

IntelRadar – Intelligentes Radarsystem durch Kombination von additiver Fertigung, hardware-integrierter Rechnerarchitektur und smarten Prüfroutinen

Der Wunsch nach hochautomatisiertem Fahren erfordert intelligente und vernetzte Fahrzeuge, welche mittels präziser Sensorik ihre Umgebung detailliert und zuverlässig erfassen können. Neben Kameras, Ultraschall- und Lidarsensoren sind Radarsensoren von großer Bedeutung im Automobil der Zukunft. Höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit, z.B. für die Radar basierte Umfelderkennung auf weite Entfernungen von über 200 m, ist essentiell. Diese wird maßgeblich beeinflusst durch die Signalstreuung- und Dämpfung, Antennengüte und Auswerteelektronik, sowie Algorithmen. Aufgrund dieser Einflüsse müssen als wesentliche Voraussetzung für präzise Erfassung Antenne, (Sekundär-)Radom (Sensorabdeckung) und Auswerteelektronik perfekt aufeinander abgestimmt und als Gesamtsystem integriert sein. Dies schließt, um Test- und Auswertezeiten zu minimieren, auch neue Ansätze für die Funktionsprüfung durch den Einsatz Künstlicher Intelligenz für die Sensoralgorithmik und Sensortests mit ein.

Ziel des Projekts ist die Verbesserung eines automobilen Radarsystems entlang der Fertigungskette von der Elektronikarchitektur des Sensors, der Entwicklung einer KI-gestützten Prüfroutinenoptimierung der Winkelkalibration des Sensors und der Integration von resistiven Radomheizelementen mittels additiver Funktionalisierung auf Freiformgehäusen. Hierdurch soll die Zuverlässigkeit des Radarsystems erhöht werden. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, der in Form eines Demonstratorsystems am Ende des Projekts validiert werden soll.

Projektziele

  • Verbesserung automobiler Radarsysteme
  • Ganzheitliche Betrachtung der Fertigungskette
  • Optimierung der Hardwarearchitektur des Radars
  • Sensor-Prüfzeitreduzierung durch KI-Algorithmen
  • Integration resistiver Heizelementen mittels gedruckter Elektronik auf 3D-Geometrien

 

 

E|Form – Dreistufig, automatisiertes Endformen von Flachleiterspulen im Blechpaket

Ein wesentlicher Ansatz im Projekt E|Form ist es, die Fertigung von Elektromotoren mit Formspulentechnik zu automatisieren. Im Rahmen der Produktion von Antrieben für den schienengebundenen Verkehr sind auf Grund von geringen Stückzahlen viele händisch durchgeführte Arbeitsschritte gängiger Standard. Durch den Einsatz von Sensorik und Aktorik sowie speziell auf den Montageprozess ausgelegten Vorrichtungen soll ein insgesamt dreistufiges Montageumfeld geschaffen werden. Mit dessen Hilfe ist eine signifikante Reduktion der Montagezeit möglich, da die Hauptmontage der vorgewickelten Spulen nicht sequentiell und händisch, sondern allumfassend automatisiert erfolgt.

Prozesse zur additiven Fertigung von 3D-Schaltungsträgern: Ableitung von Designregeln aus Zuverlässigkeitsuntersuchungen

Das heutige Produktionsumfeld ist unter anderem geprägt von den Megatrends Kundenindividualisierung, Konnektivität und Digitalisierung. Aus diesen ergibt sich unter anderem die Notwendigkeit, mechanische Bauteile mit integrierter Intelligenz in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen zu können. Gleichzeitig soll die Integration der zusätzlichen Funktionen nicht dem Streben nach Miniaturisierung entgegenwirken. Zudem wird aus ökonomischen und ökologischen Überlegungen heraus eine energie- und ressourcenschonende Produktion angestrebt. Trotz über 15 Jahren weltweiter Forschung an Prozessketten, insbesondere der additiven Fertigung, besteht die Notwendigkeit, den Reifegrad der Prototypenfertigung zu überwinden und die Langzeitbeständigkeit der hergestellten Bauteile nachzuweisen.

Im Projekt Pistazie sollen Prozessketten für die additive Herstellung von mechatronischen Prüfkörpern ausgewählt und eingesetzt, die aufgebauten Prüfkörper verschiedenen Belastungstests unterzogen und Daten zu Ausfallzeitpunkt und Ausfallursache erhoben werden. Die Grundkörper werden dabei mit additiven Fertigungsverfahren wie dem Fused Filament Fabrication (FFF), Digital Light Processing (DLP), Material Jetting (MJT), Selective Laser Sintering (SLS) und anderen Verfahren hergestellt. Anschließend werden die Bauteile mit den Verfahren LDS, Inkjet und Aerosol-Jet funktionalisiert. Die Haftfestigkeit der leitfähigen Schichten auf dem Substrat sowie die Lötbarkeit auf den Metallstrukturen wird untersucht, um ungeeignete Prozessketten erkennen zu können.

Die Prüfverfahren orientieren sich an den Hauptausfallursachen für elektronische Bauteile, also Temperaturwechsel, Vibrationen und Feuchte, und werden durch eine statistische Versuchsplanung unterstützt. Auf der Grundlage der ermittelten Daten sollen allgemeine Designregeln abgeleitet werden, die es Unternehmen prozessspezifisch ermöglichen, langlebige Produkte zu entwerfen und dadurch dazu führen, die über Jahre erforschten Prozessketten in der Industrie zu etablieren.

ColEP – Kollaborative Nutzung von Daten in der Elektronikproduktion

Eine zentrale Herausforderung für den Einsatz datenbasierter Methoden zur Analyse und Optimierung von Prozessen in der Elektronikproduktion besteht in der Unausgeglichenheit der Daten. Trotz der großen anfallenden Datenmengen in Hochvolumenproduktionen ist der Informationsgehalt der Daten begrenzt, da bei der überwiegenden Mehrheit der Inspektionen keine Fehler erkannt werden. Um einen Fehlerschlupf zu vermeiden sind die automatisierten Inspektionsschritte, welche in der Regel auf konventionellen Bildverarbeitungsmethoden basieren, so sensitiv eingestellt, dass meist eine relativ hohe Rate an Pseudofehlern entsteht. Diese Bauteile erfüllen eigentlich die Spezifikationen, werden jedoch fälschlicherweise als fehlerhaft eingestuft, sodass ein hoher manueller Nachprüfaufwand entsteht.

Um diesen Aufwand zu reduzieren können als fehlerhaft identifizierte Bauteile mittels KI-Methoden nachgeprüft werden, sodass ein Teil der Pseudofehler erkannt wird, was eine Reduktion des Prüfaufwands zur Folge hat. Die Qualität der eingesetzten KI-Methoden ist entscheidend von der verfügbaren Datenmenge und -qualität abhängig. Um trotz der unausgeglichenen Datenlage in der Elektronikproduktion eine große Datenbasis zu Verfügung zu haben, werden im Forschungsvorhaben ColEP Vorteile und informationstechnische Lösungen der kollaborativen Verwertung von Prozess-, Qualitäts- und Metadaten von Elektronikfertigern und Anlagenherstellern untersucht. Dabei werden anhand ausgewählter KI-Anwendungsfälle in der Elektronikproduktion Verbesserungspotentiale analysiert, für die kollaborative Datensätze besonders geeignet erscheinen. Diesbezüglich erfolgt eine automatisierte Anonymisierung und Aufbereitung der Daten, um eine Grundsicherheit zu gewährleisten. Weiterhin wird unter Nutzung der GAIA-X-Konzepte ein Framework erarbeitet, dass die Souveränität der Daten für den Besitzer sicherstellen soll.

In diesem Kontext werden sowohl Frameworks zum föderalen Lernen als auch die Einbindung in existierende souveräne Dateninfrastrukturen untersucht. Im Gegensatz zu zentralisiertem Lernen, bei welchem Daten aus unterschiedlichen Quellen auf einem zentralen Server gesammelt werden, bleiben beim föderalen Lernen Trainingsdaten jederzeit lokal bei den teilnehmenden Unternehmen, wodurch Datensicherheit und -souveränität gewährleistet sind. Das Modelltraining erfolgt lokal, woraufhin die trainierten Modelle zu einem zentralen Server gesendet werden, welcher diese zu einem globalen Modell vereint.

Ziel des Projekts ist es, die Anwendbarkeit von föderalem Lernen im industriellen Kontext anhand von Use Cases in der Elektronikproduktion zu untersuchen. Dabei soll sowohl ein Vergleich der Modellperformance beim föderalen Lernen mit zentralisiertem und lokalem Lernen stattfinden. Zudem sollen datenschutzspezifische Vorteile von föderalem Lernen untersucht und sicherheitsrelevante Herausforderungen wie Datenmanipulation und Rekonstruktion von Trainingsdaten kritisch betrachtet und durch geeignete Methoden verhindert werden.

NiMm3 – Nickelfreie Metallisierungssysteme auf 3D MID Substratwerkstoffen

Molded Interconnect Devices (MIDs) sind meist thermoplastische 3D-Substratmaterialien, die typischerweise zunächst Laserdirektstrukturiert (LDS) und danach außenstromlos mit Kupfer, Nickel und Gold metallisiert werden. Dabei fungiert das direkt auf dem Substrat befindliche Kupfer als elektrischer Leiter, während die Nickelschicht die Diffusionsbarriere zur Goldoberfläche darstellt. Letztere ermöglicht verschiedene Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) für elektronische Komponenten wie z.B. Löten, leitfähiges Kleben und Drahtbonden, um schließlich komplexe Schaltungsträger mit einer hohen Integrationsdichte zu erhalten.

Die Zuverlässigkeit der metallischen Leiterbahnen auf LDS-fähigen Substratwerkstoffen ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für die brachenübergreifende Anwendung von MIDs. Eine Befragung von Vertretern aus der Industrie zum Thema Zuverlässigkeit von MIDs ergab, dass Delamination sowie die Entstehung von Mikrorissen in den Leiterbahnen die häufigsten Ausfallursachen von MIDs darstellen. Daher ist das Bestreben groß diese beiden Ursachen weitmöglichst zu unterbinden, um so die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von MIDs deutlich zu steigern und deren Marktdurchdringung weiter voranzutreiben.

Herausforderung

Ausfallursache 1: Delamination
Die Wahl des Substratmaterials und der verwendete Laserparametersatz beeinflussen maßgeblich sowohl die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Kupfer als auch die Differenz deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten. Letzteres ist nicht nur für die Anwendung von MIDs bei erhöhten Temperaturen relevant, sondern spielt auch für die AVT, z.B. beim Löten, eine wesentliche Rolle.

Ausfallursache 2: Mikrorisse
Studien im Rahmen der IGF Vorhaben LDS-MID-ChaMP (16737N) und MetaZu (19754N) haben gezeigt, dass Leiterbahnrisse überwiegend in der Nickelschicht entstehen. Diese Mikrorisse weiten sich durch weitere Belastung aus und dringen in die Kupferschicht vor. Bei zu großer Belastung führen diese schließlich zum Ausfall der Leiterbahn und damit zum Versagen des Schaltungsträgers.

Lösungsansatz

Um die beiden genannten Ausfallursachen zu eliminieren werden im geplanten IGF Vorhaben NiMm3 drei aufeinander aufbauende Themen adressiert.
1. Wechselwirkung zwischen Substratmaterial und Kupfermetallisierung
Es werden verschiedene Substratmaterialien betrachtet. Zusätzlich zu Thermoplasten kommen Duroplaste und Keramiken für einen erweiterten Einsatzbereich von 3DSchaltungsträgern infrage. Durch Variation der Laserparametersätze wird Einfluss auf Rauheit und Haftfestigkeit, und dadurch auf die Zuverlässigkeit der Leiterbahn unter mechanischer und thermischer Belastung (Biegewechselfestigkeitstests und Umwelttests) genommen. Bildgebende Verfahren wie die Ultraschall-Mikroskopie (SAM) und die Untersuchung von Querschliffen mittels Rasterelektronenmikroskopie können weitere wichtige Erkenntnisse liefern.
2. Alternative, nickelfreie Schichtsysteme
Es werden verschiedene nickelfreie Schichtsysteme untersucht und mit dem etablierten Schichtsystem Cu/Ni/Au verglichen. Mögliche Varianten sind hierbei Cu/Ag, Cu/Sn, Cu/Pd/Au, Cu/Au sowie Cu/OSP (org. Passivierung). Auch hier werden Leiterbahnen u.a. unter mechanischer und thermischer Belastung betrachtet. Wobei nicht nur das Schichtsystem variiert wird, sondern auch die Schichtdicke der einzelnen Komponenten.
3. AVT und Einfluss des Lötprozesses
Die Bestückung mit elektronischen Komponenten ist in der MID Technologie ein wesentlicher Schritt hin zu hochintegrierten Schaltungsträgern. Daher wird abschließend die Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit bzw. Bondbarkeit der verschiedenen Oberflächen-Finishes betrachtet, sowie der Einfluss des Lötprozesses auf die Haftfestigkeit der Metallisierung z.B. mittels Schertests und SAM untersucht.

Additive Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden mittels selektivem Laserschmelzen

Vorliegendes Vorhaben beschäftigt sich mit der Erforschung der additiven Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden mittels selektivem Laserschmelzen für die Leistungselektronik. Als leistungselektronische Substratmaterialien werden derzeitig meist keramische Schaltungsträger, gefertigt anhand von DCB- (direct copper bonded) oder AMB- (active metal brazing) Verfahren, angewandt. Beide Verfahren beinhalten den Verbund von keramischem Substrat mit einer metallischen, elektrisch leitenden dünnen (0,2-0,5 mm) Schicht, meist in Form von Folien. Die Verbindung der beiden Werkstoffe wird beim DCB-Prozess über die Benetzung von geschmolzenem Cu2O an der Kupferfolienunterseite in direktem Kontakt mit einer Oxidkeramik (meist Al2O3) in einem Brennprozess bei ca. 1064 °C erzielt. Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung erzielt, welche im Einsatz von leistungselektronischen Schaltungsträgern aufgrund der CTE-Unterschiede von Keramik und Metallisierung notwendig ist. Beim AMB-Prozess sind es Titanzusätze zu einer Lotlegierung (meist Ag-Cu-Lote), welche beim Brennprozess in Kontakt mit keramischen Materialien eine Reaktionsschicht ausbilden. Besagtes Lot fungiert demnach als Interface zwischen keramischem Substrat und Metallfolie. Beide Prozesse weisen jedoch Schwächen im Bereich der Flexibilisierung, 3D-Fähigkeit der Metallisierung und dem Ressourcenverbrauch auf. Um letztlich die leitenden Strukturen des Schaltungsträgers zu erhalten sind diverse Lithographie-, Ätz-, und Waschvorgänge nötig, welche die Prozesskette maßgeblich verlängern und zusätzlich die Umwelt durch den Einsatz von Chemikalien belasten.

Das selektive Laserschmelzen bietet hierfür eine Alternative: Es können Pulvermaterialien auf ca. 500 °C heißen keramischen Substraten in einem Prozessschritt selektiv geschmolzen werden, was der letztendlichen Metallisierung entspricht. Dieses Verfahren kann als selektives Laser Brazing (SLB) beschrieben werden. In diesem Forschungsvorhaben werden aufgrund der Analyse des Standes der Technik und den umfangreich durchgeführten Vorarbeiten Cu-Ti-Pulver als Metallisierungsmaterialien verwendet. Als Substratmaterial soll Al2O3 fungieren. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wird das Schmelzverhalten der Pulvermaterialien ohne keramischem Substratmaterial qualifiziert. Hauptbestandteil der Forschung jedoch ist die Ermittlung des Benetzungsverhaltens der Pulver auf der beheizten Al2O3-Keramik mit einhergehenden Parameterstudien. Als Qualifizierungsmaßnahmen werden Haftfestigkeitsprüfungen, Stromtragfähigkeiten sowie Langzeitstabilitäten der Metallisierung vor und nach einer thermischen Nachbehandlung in inerter/evakuierter Atmosphäre überprüft. Anhand von EDX- und WDX-Analysen im REM soll die Kernfragestellung – der Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung von Titanhaltigen Pulver mit Al2O3 in Form von einer Ausbildung von Magneli-Phasen mittels SLB/SLM – des Forschungsvorhabens beantwortet werden.