Intelligente Folien für Industrie 4.0

Im Forschungsprojekt Parsifal 4.0 entwickelt Festo mit Partnern aus Industrie und Forschung neuartige Sensorik und Elektronik in dünnen Folien. Pneumatische Antriebe, aber auch Verpackungen können durch die intelligenten Sensor-Labels Informationen über den jeweiligen Prozess sammeln, bewerten und austauschen. Dadurch lassen sich Fertigungs- und Logistikabläufe optimieren und flexibilisieren.

Maschinen, die selbstständig miteinander kommunizieren – das ist die Vision der Fabrik der Zukunft. Zu diesem Zweck werden Fertigungsanlagen digital vernetzt sein. Dies gelingt, wenn die am Produktionsprozess beteiligten Komponenten, wie pneumatische Antriebe und Werkstücke, über intelligente Sensorik und sichere Kommunikation miteinander interagieren können.

Im Forschungsprojekt Parsifal 4.0, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, arbeiten mehrere Kooperationspartner mit der Unterstützung des Projektträgers VDI/VDE-IT daran, dünne Elektroniksysteme, sogenannte Smart-Sensor-System-Labels (S3-Labels) zu entwickeln. Basis der S3-Labels sind Mikrocontroller, Sensoren, dünne Displays und integrierte Kommunikationsschnittstellen, die alle in Folien eingebettet sind. Mit den erhobenen Daten kann der Zustand einer Komponente bewertet werden, um Anlagen beispielsweise vorausschauend zu warten. Hierdurch lassen sich die Instandhaltungskosten von Produktionsanlagen deutlich verringern. Im Bereich Logistik und Verpackung lässt sich dadurch der Transportweg von kritischen Gütern sicher nachvollziehen.

Demonstratoren von Festo und Bosch

Im konkreten Anwendungsfall des Forschungsprojekts soll ein S3-Label wie ein Klebestreifen auf einem pneumatischen Antrieb von Festo angebracht werden. Die Sensor- und Nutzdaten werden dann drahtlos und sicher an eine entsprechende Steuerung gesendet. So können Antriebsdaten wie Position, Dynamik und Umweltparameter durch mehrere S3-Label in einer Anlage gleichzeitig überwacht werden. Die Ansteuerung lässt sich nachgelagert durch selbstlernende Systeme optimieren. Ein Energy-Harvesting-System, welches durch die Bewegung des Kolbens Energie generiert, soll imZusammenspiel mit einer Dünnfilmbatterie das Foliensystem versorgen.

Bei Bosch soll das Foliensystem als intelligentes Etikett auf Verpackungen empfindlicher Transportgüter eingesetzt werden. Durch die integrierte MEMS-Sensorik, basierend auf mikroelektromechanischen Systemen, können schädigende Einflüsse auf empfindliche Güter wie Stöße oder Temperaturschwankungen überwacht werden. Auch Anwendungshinweise sollen auf dem autonom arbeitenden Label gespeichert werden, die über entsprechende Schnittstellen in der Anlage, aber auch über mobile Endgeräte drahtlos ausgelesen werden können.

„Mit diesem Forschungsprojekt können wir flexible Lösungen auf der Grundlage von folienbasierten Elektroniksystemen für die Weiterentwicklung unserer Komponenten erarbeiten – das ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zu intelligenten Komponenten für die Industrie 4.0“, erklärt Stefan Saller von Festo, Koordinator des Verbundprojekts Parsifal 4.0. Thomas Deuble vom Institut für Mikroelektronik – verantwortlich für die technisch-wissenschaftlichen Aspekte des Vorhabens – ergänzt: „Mit dem Projekt soll die in Folien integrierte dünne Elektronik und Sensorik auf breiter Basis produktfähig werden und einen wichtigen Beitrag für die digitale Vernetzung von Produktionsanlagen, Waren und Menschen leisten.“

Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft

Die Einzeltechnologien werden von den Konsortialpartnern erforscht: Bosch bringt seine langjährige Erfahrung im Bereich der MEMS-Sensorik in das Projekt ein und erarbeitet für seine Sparte Packaging Technology einen Demonstrator für die Verpackungstechnik. Die Entwicklung und Realisierung der Rückdünnungsverfahren für die integrierten Schaltungskomponenten (ICs, Sensoren, MEMS) übernimmt das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS). Die Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V. verfügt über breite Erfahrungen in den Bereichen der Systemauslegung und im Energy-Harvesting. Zusammen mit Infineon Technologies und dem Partner Stackforce werden sichere Kommunikationslösungen für die Demonstratoren erarbeitet. Infineon Technologies konzipiert die Umsetzungsmöglichkeiten für Funkbausteine und deren Konfigurationen. Die Chips zur magnetischen Positionsmessung liefert Micronas. Mit ihrer Flex- und Embedding-Technologie trägt die Firma Würth Elektronik einen wesentlichen Beitrag zur finalen systemischen Umsetzung bei. Und die Erstellung von Qualifikationsverfahren und Testprozeduren für Fehleranalyse sowie die letztliche Qualifikation der Systeme hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit findet bei RoodMicrotec statt. I