Ist das 3D-Elektronik-Design schon auf der Höhe der Zeit?

Bericht zum virtuellen „EDA-Round Table“ des FED, von Hanno Platz, Leiter des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik

Dreidimensionale Elektronikkonzepte haben in den letzten zehn Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Leistungssteigerung, Miniaturisierung, funktionale Integration oder ergonomische Gerätekonzepte sowie eine einfachere Produktion lassen sich mit 3D-Elektronik optimal realisieren. Weiteres Potenzial bieten neue Materialien und Fertigungstechnologien wie der 3D-Druck, Embedding oder Kunststoffelektronik, die heute serientauglich sind.

Aber wie sieht es mit den Entwurfswerkzeugen und den erforderlichen Datenformaten aus? Was bieten aktuell die Elektronik-CAD-Werkzeuge an echter 3D-Entwurfsuntertützung? Ermöglichen sie es, die großen Vorteile der neuen 3D-Technologien voll auszuschöpfen?

Das wollte der Fachverband Elektronik Design (FED e. V.) von den führenden EDA-Herstellern (EDA, Electronic Design Automation) wissen und hatte deshalb zu einem „Virtuellen Runden Tisch“ am 28. April 2021 eingeladen. Die EDA-Hersteller der Top-5-eCAD-Systeme präsentierten in einer Kurzvorstellung ihre neuen 3D-Funktionen und -Highlights (Altium, Cadence, Siemens EDA-Mentor Graphics, Pulsonix, Zuken). Der FED-Arbeitskreis 3D-Elektronik hatte Fragen zur Entwurfsmethodik der 3D-AVT zusammengestellt. Markus Biener (Zollner Elektronik AG) Michael Matthes (Wittenstein SE) und Hanno Platz (GED mbH) moderierten die Vortrags- und Fragerunde im EDA-Round Table. Während der Veranstaltung, die rund 80 Teilnehmerinnen und Teilnehmer zählte, gab es zwei Umfragen zum Einsatz und Bedarf der 3D-Integration heute und in Zukunft. Die Ergebnisse wurden zum Abschluss präsentiert.

 

Der Hintergrund: Die Leiterplatte wird zum „Leiter-Körper“

In mehreren Branchen haben sich in den letzten Jahren die 3D-Elektronik-Technologien im Serieneinsatz etabliert. Getrieben vom Bedarf an mehr Leistung auf kleinem Bauraum, an steigenden Frequenzen, an höherer Zuverlässigkeit und ergonomischen Gerätekonzepten wird auch der Einsatz in moderner Industrieelektronik immer wichtiger.

Der Hauptvorteil der 3D-Elektronik besteht darin, dass anstelle der starren Leiterplatten elektronischen Bauteile und Verbindungen auch auf der gewölbten Oberfläche eines Gehäuses montiert oder im Substrat bzw. Gehäuse eingebettet werden können. Das Ersetzen von einzelnen Leiterplatten mit Kabeln und Drähten durch eine integrierte Funktionalität bietet somit viele Vorteile:

•        reduzierte Formfaktorbeschränkungen – kleinere Bauform

•        reduziertes Gewicht, weil Leiterplatten, Stecker und Kabel entfallen

•        Verbesserung der elektrischen Performance durch Reduktion parasitärer Verluste

•        einfachere Montage von Elektronik, Beleuchtung, Sensoren, SMD-Komponenten

•        höhere Zuverlässigkeit durch Einbetten von Elektronik in Träger oder Gehäuse – erhöht die Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Vibration.

Der Begriff der 3D-Elektronik steht also für die unterschiedlichen mehrdimensionalen Aufbau- und Verbindungslösungen, die sich mit verschiedenen Material- und Fertigungsverfahren umsetzen lassen. Neben den klassischen Flex- und Starrflex-Leiterplatten, wie sie bereits seit 50 Jahren zur mehrdimensionalen Integration verwendet werden, ist in den letzten Jahren eine ganze Reihe von neuen Aufbau- und Verbindungslösungen entstanden:

Grafik: unterschiedliche neue AVT-Technologien
Zur 3D-Integration in der Elektronik stehen unterschiedliche neue AVT-Technologien zur Verfügung

 

Verschiedene neue AVT-Lösungen mit 3D-Elektronik Technologien

·         IME – In Mould Elektronik

·         MID – Spritzguss mit Leiterstrukturen (Mechatronic Interconnection Device)

·         Embedded PCB – Leiterplatten mit integrierten Bauteilen

·         3D-Hybrid-Druck, Aerosol-Druck, Jet-Printing

·         FHE – Flexible Hybrid-Elektronik

·         OA – Organische Elektronik, Träger mit integrierten Sensoren oder Aktoren

·         Wearable, Stretchable Elektronik

·         funktionale Träger, z. B. die Kombination von Elektronik und Fluidtechnik oder Optik

 

Die Generative Fertigung – 3D-Druck

Besonders interessant sind die sogenannten „Generativen Herstellungsverfahren“, weil sie keine Werkzeuge benötigen und die Elektronik praktisch direkt aus dem CAD-System gefertigt werden kann.

Sensorgehäuse mit USB-Stecker, kapazitiver Sensor, LED und Antenne - hergestellt im 3D-Multimaterialdruck © GEDmbH
Sensorgehäuse mit USB-Stecker, kapazitiver Sensor, LED und Antenne – hergestellt im 3D-Multimaterialdruck ©GEDmbH
Der digitale Zwilling

Mit dem 3D-Drucker lassen sich sehr einfach Änderungen ohne neue Werkzeuge oder Variantenproduktionen mit Seriengröße 1 Stück herstellen. Hybride 3D-Drucker bieten die Möglichkeit, dielektrische Materialien (Kunststoff, Keramik) und leitfähige Materialien in einem Gerät und einem Durchlauf herzustellen. In Kombination mit SMD-Bauteilen oder Silizium-Dies lassen sich komplexe Mehrschichtaufbauten realisieren (Embedded Components).

 

3D-Elektronik benötigt individuelle eCAD-Software-Funktionalität

Viele Leiterplatten-CAD-Tools bieten heute Unterstützung für das Leiterplattendesign von Starrflex-Leiterplatten. Einige unterstützen auch bereits das Einbetteten von Bauteilen (Embedding) oder sogenannte 2,5D-Technologien.

Für den 3D-Druck oder Mechatronic Interconnection Device (MID) werden jedoch „echte“, also vollumfängliche 3D-Funktionalitäten von Mechanik und Elektronik benötigt. Bauteile müssen sich in allen Rotationen platzieren und die Anschlüsse mit Leiterbahnen verbinden lassen. Es gibt keine Lagen und Löcher können auch quer durch den Verbindungsträger geführt werden.

© Semikron

Was müssen die CAD-Tools können, wie wird das Arbeiten im 3D-Raum unterstützt?

  • kein fester Lagenbezug (endless layer, any angle traces)
  • keine Vias, direkte Verbindung (vertical fanout for µBGA or bare dies)
  • twisted pair, koaxiale Schirmungen, Harness design
  • vertikale Fläche, conductive 3D area (z. B. EMV-shielding LP-Rand)
  • 3D line/spacing, 3D DRC (z. B. min. Abstand zu Substratkontur)
  • Beschreibung von „any-angle“ holes, tunnel
  • Isolationsflächen, Berechnung von Pastenflächen
  • 3D-Abstandsregeln, Isolationsstege, 3D-Soldermask u. v. a. m.

Die interdisziplinären Aufgabenstellungen von Elektronik, Mechanik, Photonik, Robotik, Bionik, Sensorik und vieler anderer Disziplinen werden sich in der Zukunft weiter rasant verstärken. Dafür wird auch für den CAD-Entwurf eine neue Denkweise für die Konstruktionswege von „organischer Elektronik“ benötigt.

 

Interoperabilität der Systeme – Methodologisches Design – Design Thinking

Der EDA-Round Table verdeutlichte: Interoperabilität von eCAD-Tool zu mCAD-Tool, also das barrierefreie Umschalten zwischen den Tools, erweiterte Simulationsschnittstellen zur Feldsimulation direkt aus den EDA-Systemen aufrufbar, Thermo-Simulation und auch die Simulationen der deutlich komplexeren, individuellen, fertigungspezifischen Designrules – all das wird für den Entwurf von 3D-Eketronik unbedingt benötigt.

Diskutiert wurde auch, wieweit „Künstliche Intelligenz“ den Technologie-Design-Flow unterstützen oder übernehmen könnte. Aus den Erfahrungen der letzten 20 Jahre in der EDA-Branche lässt sich jedoch sagen, dass eher nur versierte und erfahrene Elektronikdesigner die Komplexität der interdisziplinären Aufgabenstellungen optimal lösen können. Allerdings könnten intelligente, regel- und technologiegetriebene Tools die Arbeit der Entwickler erheblich unterstützen.

 

Design Thinking

In der Konzeptphase ist oft gar nicht klar, welche der verschiedenen 3D-AVT-Lösungen denn überhaupt am besten geeignet ist. Wie beim „Design Thinking“-Prozess wird iterativ evaluiert, welche Lösung für die komplexe Aufgabenstellung optimal ist. Mit der Methode kann unter Abwägung von Wirtschaftlichkeit, Machbarkeit und Erwünschtheit eine überlegene Lösung entwickelt werden.

Auch hier sind Tools für die Simulationen und Verifikation zur Unterstützung für den Entwickler dringend erforderlich. Denn nicht jede 3D-Verbindungslösung lässt sich mit jeder 3D-Technologie herstellen bzw. umsetzen.

In der Diskussion wurde klar, dass alle beteiligten EDA-Hersteller in den letzten Jahren 3D-Features entwickelt haben, aber auf die Nachfrage des Marktes warten. Projekte wie das Embedding PCB Projekt “HERMES“ werden bisher oft nur in Forschungsprojekten umgesetzt. Wieweit die mehrdimensionalen Aufgabenstellungen, die der FED-Arbeitskreis 3D-Elektronik zusammengetragen hatte, von den Herstellern bereits unterstützt werden, konnte aufgrund des begrenzten Zeitrahmens in der Runde nicht erörtert werden.

 

Der Paradigmenwechsel der Digitalisierung und „More than Moore“ stellen neue, weitergehende Anforderungen an die Leiterplatte sowie an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Die Kombination von Digital- mit Analogtechnologie, die Verbindung vom Siliziumchip zu Analog- und Hochfrequenzbauteilen, von Hochvolt- und Hochspannungsbauteilen, zu Sensoren und Aktoren stellen in den nächsten Jahren große Herausforderungen an die Entwickler und auch die EDA-Tools. Immer häufiger wird eine Integration in die dritte Dimension benötigt.

 

Heterogene Integration mit 3D-Elektronik

Im BMBF-Forschungsprojekt „FreiForm“ entwickelte GED mbH zusammen mit dem Fraunhofer Institut IZM, Schaeffler und anderen Partnern Konzepte mit verschiedenen AVT-Lösungen für einen IoT-Sensor mit freier Formgebung. Die Partner entwickelten erfolgreich drei verschiedene Technologiedemonstratoren mit unterschiedlichem Integrationsgrad. Dank der „3D-dimensionalen“ FreiForm-Lösung wurden mittels 3D-CSP-Technologie ein „IoT-Multisensor“ inklusive BLE-Antenne und Energy-Harvesting mit einer Baugröße von nur 8 x 20 mm umgesetzt.

Welche 3D-eCAD-Datenformate werden benötigt?

Für die unterschiedlichen Fertigungsverfahren, wie 3D-Druck, 3D-CSP und Hybridflex, werden Daten in den Formaten IDF, STL oder GDSII für die Produktion benötigt. Ein wichtiges Thema am Runden Tisch war daher auch die Erzeugung der unterschiedlichen 3D-Fertigungsformate. Die verschiedenen 3D-Technologien werden mit ganz unterschiedlichen Maschinen und Materialien hergestellt. Gerberdaten sind dazu nicht brauchbar. Z. B. benötigt der MID-Prozess einen Datensatz für das Gehäuse im STEP-Format und einen Datensatz für die Leiterbahnen im IDF-Format. In der Round-Table-Runde gab es unterschiedliche Meinungen, wieweit das vom IPC propagierte Format IPC2581 künftig allen unterschiedlichen 3D-Anforderungen gerecht wird. In internationalen Normgremien wie DKE und IEC beteiligt sich der Arbeitskreis 3D-Elektronik aktiv an der Definition der Designregeln und Datenformate, vertreten durch Mitglied Michael Schleicher. Darüber ist der FED auch im IPC2581-Gremium in den USA aktiv.

Das Ergebnis des EDA-Round Table lässt sich so zusammenfassen: Zur schnellen, erfolgreichen Entwicklung von komplexer 3D-Elektronik werden künftig regelbasierende, leistungsstarke CAD- und Simulationstools mit erweitertem Funktionsumfang dringend benötigt – die Hersteller sind zum Handeln aufgerufen. Die Teilnehmer erwarten von den EDA-Herstellern mehr Technologieunterstützung aus dem CAD-Tool, angefangen bei einfachen Standardregeln, wie z.B. IPC-Klassen 1/2/3 oder normierte Abstände für Spannungen und Leiterbreiten für die Leistungselektronik. Aber auch Technologieregeln für Technologien wie IME oder Embedded PCB und andere stehen auf der Wunschliste. Die Teilnehmer wünschen sich den „EDA-Round Table“ in dieser Form gerne ein- bis zweimal pro Jahr, die Hersteller sollten ihre 3D-Funktionen auch an ganz konkreten Beispielen zeigen, die sie dann am besten live präsentieren.

 

Wie die Studie vom IDtechEx zeigt, wird in den nächsten fünf Jahren eine Verdopplung des Marktes für 3D-Elektronik erwartet, bis 2030 sogar eine Verdreifachung. Der Bedarf ist da und die europäische Elektronikindustrie muss sich jetzt mit dem Thema befassen.

 

Hanno Platz

Geschäftsführer GED mbH, Leiter Arbeitskreis 3D-Elektronik, FED e.V.

 

FED e.V.  – Frankfurter Allee 73C – 10247 Berlin

www.FED.de

https://www.fed.de/verband/arbeitskreise/arbeitskreis-3d-elektronik/

 

Netzwerktreffen 3D-Elektronik: Viele Impulse für Innovationen

Am 4. Mai 2021 fand das sechste Treffen des ZIM-Netzwerks 3D-Elektronik statt (ZIM, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand). Zunächst informierten sich die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der digitalen Veranstaltung über Möglichkeiten, schon länger laufende Projekte fortzuführen, da sich nach knapp zweieinhalb Jahren die geförderte Laufzeit langsam dem Ende zuneigt.

Multisensorik mit KI, hybrider 3D-Druck und 3D-Packaging-Cluster

Es folgten Berichte über den Fortschritt der vier aus dem Netzwerk heraus initiierten FuE-Projekte. Derzeit ist ein weiteres Projekt als „KMU-innovativ“-Antrag zur industrielle Umsetzung der KlettWelding-AVT der NanoWired GmbH bereits in Planung.

GED präsentierte den aktuellen Stand des ZIM-Projekts KI-NO, in dem es darum geht, Multisensorsysteme mithilfe von KI (Künstliche Intelligenz) für ein großes Anwendungsspektrum nutzbar zu machen. Hierzu hat GED die Hard- und Software für die IoT-Sensorplattform  (Basis: GED-SensorNode) entwickelt und – aufgrund eines aktuellen Einsatzszenarios in einem Umformungswerkzeug – zusätzlich ein Datalogger-Modul realisiert. Die Projektpartner Fraunhofer IMS und die TU Chemnitz arbeiten an einer Software zur vorbeugenden Wartung (Predictive Maintenance) von Werkzeugmaschinen mittels KI, lauffähig direkt auf dem Mikrocontroller (On the Edge). Für den autarken Betrieb entwickelt die TU einen Linearbewegungs-Harvester, der das Multisensorsystem über die Umsetzung von Vibrationen aus der Maschine mit Energie versorgt.

GED-SensorNode – modulares IoT-Sensorsystem

  • Mikrocontroller-Modul: 32 bit ARM-Cortex M4, für sensor data preprocessing  und sensor control, Bluetooth Funk BLE 5 50-pin Sensor Bus, Plug&Play
  • Kraftmess-Modul, 24 bit
  • Motion-Modul
  • Datalogger-Modul
  • Power-Modul für Akku und Energy-Harvesting
  • Modul-Baugröße ca. 15 x 18 x 14 mm

 

Darüber hinaus standen zwei spannende Vorträge auf der Agenda: Die Hahn-Schickard-Gesellschaft stellte ihre Forschungsarbeiten im Rahmen des Projekts „Hybrider 3D-Druck“ vor. Ziel ist es, das Funktionsmuster eines kostengünstigen 3D-Multimaterialdruckers zu entwickeln. Sehr aussichtsreich ist die Möglichkeit, Leiterstrukturen mit aufgeschmolzenem Metall auf starren, flexiblen Materialien und auch auf Geweben zu erzeugen. Im Jetverfahren wird das bei über 200 Grad Celsius aufgeschmolzene Metall über eine spezielle Nozzle mit einem Druck von 1 bar aufgetragen. Leiterstrukturen ab 80 Mikrometer sind möglich und können sogar mehrere mm hoch aufgebaut werden.

Im Anschluss präsentierte das Fraunhofer ENAS das 3D-Packaging-Cluster, dass im Rahmen der Initiative „Forschungsfabrik Deutschland“ entstanden ist. Am ENAS in Chemnitz wurde eine Anlage für 3D-konforme Funktionalisierungen entwickelt. Damit ist es möglich, 3D-gedruckte Substrate oder spritzgegossene Strukturen mit unterschiedlichen Beschichtungstechniken herzustellen.  In der kombinierten Anlage ist eine Pick- and Place-Bestückungseinheit integriert, sowie CW-Laser, IR- und UV-Curing, Jetting- und Dispense-Einheiten für die unterschiedlichsten Vor- und Nachbehandlungsprozesse. Das ENAS Institut unterstützt die Industrie bei Entwicklung und Implementierung neuer 3D-AVT Lösungen.

Netzwerke verknüpft

Im zweiten Teil des Tagesprogramms erhielten die Netzwerkpartner die Möglichkeit, sich mit anderen von Jöckel Innovation Consulting betreuten Netzwerken zu verknüpfen. Durch das Zusammenbringen von Teilnehmern aus unterschiedlichsten Branchen und Kompetenzgebieten konnte der Workshop gleichermaßen innovative als auch kreative Ideen generieren und neue Synergien schaffen.

Sowohl das Netzwerktreffen selbst und die informativen Vorträge als auch der Vernetzungs-Workshop stießen auf durchweg positive Resonanz bei den Beteiligten. Eine zeitnahe weitere Veranstaltung ist daher in Planung.

Das Technologienetzwerk 3D-Elektronik wurde 2018 vom FED (Fachverband für Design, Leiterplatten- & Elektronikfertigung e. V.) initiiert.

GED gehört zu den Gründungsmitgliedern des Netzwerks.

           

Null Abweichungen – GED hat QM-Audit bestens bestanden

GED steht auch in schwierigen Zeiten für Kontinuität in Sachen Zuverlässigkeit und Qualität: Mitte April hat das Unternehmen ein dreitägiges Überwachungsaudit zu den Qualitätssystemen nach EN ISO 9001 (Normen für Qualitätsmanagement) und EN ISO 13485 (Qualitätsmanagementsystem für Design und Herstellung von Medizinprodukten) bravourös bestanden. Der Prüfer von der DEKRA Certification GmbH attestierte GED „Null Abweichungen“; die Firma habe sich in den letzten Jahren sehr gut weiterentwickelt und sei auf dem richtigen Weg.

„Über diesen Erfolg freuen wir uns sehr“, sagt der neue GED Qualitätsmanagement-Beauftragte Johannes Erdinger. „Das hervorragende Ergebnis ist dem gesamten Team ebenso zu verdanken wie Sabine König, meiner Amtsvorgängerin bis Ende 2020.“

Für die nächste Herausforderung in der Qualitätssicherung ist GED damit sehr gut gewappnet. Ab Mai 2022 arbeitet das Unternehmen im Bereich Medizinprodukte nach dem schärfern MDR-Standard (MDR, Medical Device Regulation).

 

EDA – Virtual Round Table 2021: Ist das 3D-Elektronik-Design auf der Höhe der Zeit?

Termin: EDA – Virtual Round Table 2021

Die 3D-Elektronik bietet in ihrer Vielfalt starke Vorteile – offen ist, ob die aktuellen CAD-Werkzeuge die hohen Anforderungen erfüllen, die komplexe 3D-Techniken an Designtools stellen. Damit beschäftigt sich am 29. April 2021 ein virtuelles FED-Forum unter Leitung von Hanno Platz, Geschäftsführer GED. Vertreten sind Altium, Cadence/FlowCAD, Mentor Graphics, Zuken, Pulsonix, PESCHGES VARIOMETER. (Bild: ©FED)

Mehr Informationen und Anmeldemöglichkeit finden Sie hier.

IoT-Sensor-Modulbaukasten für intelligente Multisensorik

 

Gemeinsam mit Industriepartnern und Forschungsinstituten hat GED den Sensorbaukasten GED-SensorNode entwickelt, der eine sehr einfache Konfiguration eines miniaturisierten Multi-Sensorsystems ermöglicht. Der drahtlose Sensorknoten wird mit Steckmodulen von nur 16 x 18 mm aufgebaut. Mit dieser kleinen Bauform lässt sich der GED-SensorNode selbst in Wellen und Kugellagern unterbringen oder auch an Vorrichtungen und Maschinen leicht nachträglich montieren. Dank integriertem Bluetooth-Funk und Energy Harvesting sind keine Kabel notwendig und eine freie Gehäuseanpassung an die Anwendung eröffnet neue, nahezu unendliche Einsatzgebiete.

GED-SensorNode: Modular steckbar, selbständige Modulkonfiguration, sehr kleine Baugröße (15x18mm)

Aktuell stellt GED sechs Module zur Verfügung, die bereits ein großes Spektrum an Sensorfunktionen abdecken. Module für verschiedene Drahtschnittstellen sind in Entwicklung. Die Module können nach Bedarf zusammengesteckt werden und konfigurieren sich selbstständig. Weitere Sensormodule und Anschlussmodule für abgesetzte Sensoren bei kundenspezifischen Anwendungen sind kurzfristig realisierbar. Für Anpassungen von Hardware, Software und Gehäusen bietet GED einen umfassenden Entwicklungsservice.

Das Konzept: Modulares und intelligentes IoT-Sensorsystem

Kern des GED-SensorNode ist der leistungsstarke 32-bit-Microcontroller und das auf Sensoranwendungen ausgelegte Hardwarekonzept. Über das Realtime-Operating-System können parallele Tasks und vorgegebene Messabläufe gesteuert werden. Zur Vorverarbeitung der Sensordaten sind verschiedene Filter integriert, sodass die Daten direkt an der Messstelle schnell und energieeffizient verarbeitet werden können. Über das universelle Sensor-Frontend sind viele unterschiedliche messtechnische Aufgabenstellungen bereits abgebildet. Der Microcontroller mit integriertem Bluetooth-Funk (BLE, Bluetooth Low Energy, Version 5) kann die Daten von mehreren integrierten und externen Sensoren verarbeiten. So konnte GED einen intelligenten Multisensor zur Sensordatenfusion in sehr kleiner Bauform realisieren. In der Software sind statistische Funktionen und ein Ablaufautomat integriert, der insbesondere als Wartungs- und Überwachungssensor einsetzbar ist (Predictive Maintenance).

Multi-Sensor On the Edge – mit dem GED-SensorNode

Energy Harvesting – Autarker Sensorbetrieb optional auch mit LiIo-Akku

 Für den IoT-Baukasten wurden Powerschaltungen für verschiedene Harvesting-Methoden integriert. So lässt sich über Solar-Harvesting mit nur vier Zellen in 3mm-LED-Bauform der komplette Sensorknoten betreiben. Weitere Harvestingmethoden, wie Temperatur, Piezo und Bewegungsenergie, können in das GED-SensorNode Konzept integriert werden. GED entwickelt derzeit einen eigenen Linear-Bewegungsharvester. Die Miniaturbauform soll eine Integration in Schrauben ermöglichen. Für den optionalen LiIo-Akku ist die Ladeschaltung integriert. Damit ist ein intelligentes Powerkonzept umgesetzt, dass mittels Harvesting Energie sammeln kann und in definierten Zyklen Messungen vornimmt.

Embedded Software und PC-Software GED-SensorHost

Die Firmware für den Microcontrollers verfügt über ein Real-Time-Operating-System (RTOS); eine flexible Tasksteuerung ermöglicht die intelligente Multisensorsteuerung für IoT-Anwendungen, z. B. für die vorbeugende Wartung (Predictive Maintenance). Über implementierte BLE-Charakteristiken kann der Sensorknoten weitreichend konfiguriert werden, um den prinzipbedingt erforderlichen Kompromiss zwischen Energiebedarf und Antwortverhalten möglichst ideal an die jeweilige Anwendung anzupassen. Die implementierte Sensor-Ablaufsteuerung ermöglicht es, schnell und einfach besonders flexible, „intelligente“ Sensorfunktionen zu konfigurieren.

PC-Software GED-SensorHost, zur Konfiguration und Visualisierung

Mit der zusätzlich verfügbaren Programmoberfläche GED-SensorHost können die Sensorknoten per PC über die Bluetooth-Verbindung konfiguriert und auch eingestellt werden (z. B. Alarmwerte). Die Messwerte lassen sich grafisch visualisieren. Graphen von mehreren Sensorknoten können in einem Fenster dargestellt werden; mehrere Datenmittelungen sind möglich, u. a. arithmetisch-geometrische Mittelung. Über das moderne und sichere BLE-Funkprotokoll sind diese auch auf einem Smartphone oder Tablett darstellbar. GED bietet aktuelle die Betaversion einer Smartphone-App an.

Standard- und kundenspezifische GED- SensorNode- Gehäuse

 Eine weitere Besonderheit des GED-SensorNode Konzepts ist die Möglichkeit, das Gehäuse an die Anwendung kundenspezifisch anzupassen. Mittels generativer Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck können selbst komplexe Formen umgesetzt werden – nicht nur für die Bemusterung, sondern auch für die Serie. Das ist gerade dann wichtig, wenn in einem Gehäuse verschiedene Sensoren an bestimmten Positionen sitzen müssen. Bei größeren Serien setzt GED weiter auf den Kunststoffspritzguss. In Kooperation mit einem Hersteller können auch Kunststoffgehäuse mit Multimaterial hergestellt werden. Mit wärmeleitenden Kunststoffen oder Hochtemperatur-Kunststoffen ergeben sich neue Möglichkeiten für Low-Cost- und High-End-Anforderungen, z. B. für die Medizintechnik, wo zusätzliche Anforderungen wie die Biokompatibilität bestehen.

GED-SensorNode
Sensor mit Dehnungs-Messstreifen,
Akku und Antenne im Edelstahl-Gehäuse

Rechts: verschiedene Gehäuseformen in Kunststoff

Sensor on the Edge

Moderne Microcontroller sind heute in der Lage, die Daten von verteilten Systemen linear zu verarbeiten und lokalen Daten zu filtern; also eine rekursive Kombination durch eine Datenfusion der Messungen bereits im Sensorknoten vorzunehmen. So entsteht aus verschiedenen einzelnen Sensorinformationen eine viel größere Information oder ein Trend. Durch diese Sensordaten-Vorverarbeitung auf dem Microcontroller lässt sich außerdem die Übertragung großer Datenmengen erheblich reduziert und Echtzeitberechnungen können direkt vor Ort am Sensor durchgeführt werden. Auch der Energieverbrauch des Sensors lässt sich deutlich reduzieren, weil die Datenübertragung per Funk viel mehr Energie benötigt als Rechenoperationen auf dem Embedded-Controller.

Die Perspektive – Industrie 4.0

Das Zusammenwachsen der realen mit der virtuellen Welt durch CPS (cyber-physische Systeme) eröffnet der Industrie neue Möglichkeiten für intelligente Produktionssysteme sowie für die Realisierung vernetzter Produktionen mit übergreifenden Logistik- und Wertschöpfungsketten. Dafür werden miniaturisierte Multisensoren benötigt, die möglichst nahe an der Maschine, dem Werkzeug oder dem Werkstück angebracht werden können. So lassen sich mit einem IoT-Baukasten wie dem GED- SensorNode künftig sehr einfach neue Lösungen und Geschäftsmodelle für vielfältige Einsatzgebiete realisieren.

Internet of Things und cyber-physische Systeme im Kontext von Industrie 4.0

Die GED-SensorNode Module sind ab sofort zu beziehen, einzeln oder auch in einem Kit mit einem Standardgehäuse und LiIo-Akku und Antenne.

Smartphone App                                                                 GED-SensorNodes                                                     Gateway

Startschuss gefallen: EQUIFit© und EQUIMedi© sind online erhältlich

Die innovativen Schwindeltherapie und -diagnose-Systeme EQUIFit© und EQUIMedi© stehen seit Kurzem Betroffenen und Arztpraxen als Serienprodukte zur Verfügung. Der Vermarktungsstart erfolgte im November 2020 nach der Zulassung als Medizinprodukte. Interessierte Patentinnen und Patienten sowie Ärztinnen und Ärzte können sich auf der komplett neu gestalteten Website equivert.de über diese ersten EQUIVert-Produkte informieren und direkt bestellen.

 

Effektives Training, optimierte Diagnose

Zentrale Bausteine von EQUIFit© und EQUIMedi© sind ein Kopfhörer mit Lagesensorik, Audiofunktionen, Gestenerkennung und weiterer Technik sowie die Software für die Schwindeltherapie und -diagnose. Mit EQUIFit© können Anwenderinnen und Anwender zuhause ihren Gleichgewichtssinn einfach und effektiv trainieren, um vor allem das Symptom Schwindel zu lindern. Die individuelle Trainingsanleitung erfolgt dabei über akustische Signale, komfortabel ohne Tasten oder Schalter.

EQUIMedi©  ermöglicht es vor allem Ärztinnen und Ärzten, das Gleichgewicht ihrer Patentinnen und Patienten objektiv und präzise zu messen – und dies bei hoher Kosteneffizienz. Mit der zugehörigen Software EQUISoft© können Mediziner die Daten auswerten, eine Diagnose stellen und eine Therapie gezielt empfehlen. Allen Nutzergruppen bieten die EQUIVert©-Geräte solide Qualität und ausgefeilte Haptik im modernen, ansprechenden Design.

Oberfläche der PC-Software EQUISoft©
PC-Software EQUISoft©

Alle Komponenten des nach ISO 13485 zertifizierten Medizinprodukts wie Hardware – Embedded und PC-Software – sowie das Gehäuse wurden bei GED entwickelt.

Für den Vertrieb von EQUIFit© und EQUIMedi© zeichnet die neu gegründete EQUIVert GmbH & Co. KG verantwortlich. Sie ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft des Herstellers GED mbH.

Unser Tipp: Wenn Sie selbst von Schwindelsymptomen betroffen sind, informieren Sie sich auf der EQUIVert-Website  über die neue Therapie-Lösung und ihre Vorteile. Gern können Sie EQUIFit© auch Verwandten und Freunden empfehlen, die unter Schwindel leiden oder ein erhöhtes Sturzrisiko tragen.

GED nimmt hohe Hürde

Im Oktober 2020 war es endlich soweit: Die Biofeedback-Systeme EQUIFit© und EQUIMedi© wurden als Medizinprodukte für die Schwindelbehandlung zugelassen und dürfen somit das CE-Zeichen tragen. 

Die Lösung hat GED gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg, der Universität Duisburg-Essen und dem HNOnet NRW eG entwickelt. 

Die Vermarktung ist inzwischen gestartet. Hauptbestandteile von EQUIFit© und EQUIMedi© sind Kopfhörer mit Beschleunigungs- und Drehratensensorik, Audiofunktionen, Gestenerkennung und weiterer Technik sowie Software für die Schwindeltherapie und -diagnose.  

 

Die Zulassung von EQUIFit© und EQUIMedi© gemäß Medizinproduktegesetz (MPG) basiert auf einer mehrstufigen, arbeits- und zeitintensiven Prüfung mit vielen Audits, Risikomanagement-Bewertungen, klinischen Evaluationen sowie Risiko-Nutzen-Analysen. Als „Benannte Stelle“ im Sinne des MPG hat die DEKRA Certification GmbH das gesamte Verfahren bei und mit GED durchgeführt. „Über die Zulassung haben wir sehr gefreut“, sagt GED-Geschäftsführer Hanno Platz. „Wir sind stolz darauf, dass unser Biofeedback-System die verschärften Bedingungen des neuen Medizinproduktegesetzes für Vertigo-Diagnostic nachweislich erfüllt.“

Die grundlegenden Normen zur Entwicklung von Klasse 1m und 2A Geräten sind:

  • Regulatorische Grundlagen nach EN93/42 EWG
  • Softwareentwicklungsprozesse und IEC 62304
  • Usability Engineering und IEC 62366
  • Risikomanagement und ISO 14971
  • Qualitätsmanagement, Dokumentation nach ISO 13485

Die Geräte EQUIFit© und EQUIMedi© wurden im akkreditierten EMV-Labor geprüft und in der Umwelt-Prüfstelle nach der Norm DIN EN 60601 untersucht und abgenommen. Für das Patientengerät EQUIFit© gelten erweiterte Anforderungen und Grenzwerte für die Anwendung zu Hause.

Der große Aufwand und das lange Warten habe sich nicht nur im Hinblick auf EQUIFit© und EQUIMedi© gelohnt. Hanno Platz: „Wie mit der EN-ISO-13485-Zertifizierung als Medizinprodukte-Unternehmen haben wir mit dieser Produktzulassung unser Profil als Entwicklungspartner in der Medizintechnik deutlich geschärft. Wir sind jetzt mit vielen gesetzlichen Anforderungen in diesem Bereich bestens vertraut und können Kunden regulatorisch, technisch und wirtschaftlich optimale Lösungen und Lösungskomponenten anbieten.“

Schärfere Regeln: Von MDD zu MDR

Ursprünglich lief die Übergangsfrist zur Erneuerung der alten MDD-Regeln (Medical Device Directive) im Mai 2020 aus, wurde dann wegen Corona-Pandemie um ein Jahr verschoben. Ab Mai 2021 tritt das neue Medizinproduktgesetz nach der EU-Medizinprodukteverordnung MDR, Medical Device Regulation, endgültig in Kraft. Das bedeutet, dass neue Produkte nach wesentlich schärferen und umfangreicheren Regeln geprüft werden. Es gibt eine neue Einstufung bezüglich der Klassifizierung, alte Produkte laufen dann aus und müssen wahrscheinlich komplett neu entwickelt werden. Auch z. B. Embedded und andere Software muss künftig mitberücksichtigt und zertifiziert werden. Das verschiebt sogar Geräte der bisherigen Klasse 1m in die Klasse 2A oder wohlmöglich 2B. Das alles macht die Zulassung erheblich aufwendiger.

Interview mit Hanno Platz: „Modulbaukasten mit sehr kleinen Leiterplatten“

Im Interview: Hanno Platz, GED

 

©Eurocircuits TV

Auf der embedded world 2020 hat GED den innovativen GED SensorNode präsentiert: Der IoT-Baukasten für industrielle Anwendungen verknüpft Multisensorik, intelligente Datenverarbeitung und -kommunikation mit flexibler Gestaltung auf minimalem Raum. In einem Messe-Interview mit Eurocircuits TV erläutert GED-Geschäftsführer Hanno Platz prägnant die Funktionalität und die Vorteile der smarten Lösung.

Sehen Sie hier das Video!

GED Kundeninformation: Wir sind für Sie da!

Wir sind für Sie da!

Die COVID-19-Pandemie ist „ohne Vergleich in der jüngeren Geschichte“ (Prof. Harald Lesch). Weltweit hat sie Alltag, Wirtschaft und Arbeit einschneidend verändert. Das gilt, wie Sie alle wissen, auch für die Elektronikbranche. Die Krise und die Maßnahmen zu ihrer Bewältigung stellen auch uns vor große Herausforderungen.

Als verantwortungsbewusstes Unternehmen stehen dabei für GED die Gesundheit und Sicherheit unserer Geschäftspartner und unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an erster Stelle. Wir betreiben konsequente Risikominimierung und halten uns an die einschlägigen Hygienevorschriften und Abstandsregeln. Zudem haben wir unseren Workflow entsprechend reorganisiert; die Hälfte des Teams arbeitet nunmehr vom Homeoffice aus. Besprechungen finden nach Möglichkeit telefonisch statt. Auf dieser Basis läuft der gesamte Geschäftsbetrieb weiterhin uneingeschränkt.

Für Sie als unsere Kunden bedeutet das: Wir stehen Ihnen mit sämtlichen Services und Kapazitäten weiterhin wie gewohnt zur Verfügung – in den Bereichen Entwicklung und Design ebenso wie gerade auch in der Fertigung. Unverändert sind wir in der Lage, auch kurzfristig neue Aufgaben zu übernehmen und sie zeitgerecht in hoher Qualität zu erledigen.

Wir sind uns sicher, dass wir alle zusammen die Krise überwinden werden. Aus unserer Sicht empfiehlt es sich auf jeden Fall, laufende Projekte fortzusetzen und über Neuentwicklungen nachzudenken. Es kommt darauf an, sich bestmöglich vorzubereiten, um jederzeit wieder startklar zu sein für die Anforderungen der Märkte. Machen wir es doch wie die Ingenieure bei Volkswagen, die gerade jetzt „wild entschlossen“, so VW-Chef Herbert Diess, die Entwicklung neuer Elektrofahrzeuge vorantreiben.

Gern sprechen wir mit Ihnen über Ihre Ideen, beraten Sie zu Ihren Projekten und unterstützen Sie mit unseren Dienstleistungen. Rufen Sie uns einfach an oder senden Sie uns Ihre Nachricht.

Innovationen im virtuellen Meeting: 4. Treffen des Technologienetzwerks 3D-Elektronik

Das vom FED initiierte Technologienetzwerk 3D-Elektronik hat am 29. April 2020 sein viertes Netzwerktreffen abgehalten. Statt der geplanten Tagung am Fraunhofer-Institut ENAS in Paderborn hatte der Organisator Jöckel Innovation Consulting (JÖIN) zu einem virtuellen Meeting eingeladen. Ein neues Mitglied, das Start-up NanoWired GmbH, und ein Gastunternehmen erhielten die Gelegenheit, ihre Firmen vorzustellen und über herausragende neue Technologien zu berichten. Insgesamt nahmen fünf Unternehmen, zwei Fraunhofer-Institute sowie die TU Dresden an der Veranstaltung im Netz teil.

Multisensorik, KlettWelding und mehr

Das jetzt 16 Monate alte Netzwerk ist inzwischen in der Phase 2 angekommen, die durch staatliche Förderung aus dem Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) ermöglicht wird. Von den bisher eingereichten Projekten erhielten drei Netzwerkpartner die Gelegenheit, ihre Ergebnisse den Teilnehmern zu präsentieren: Die Firma Metak GmbH & Co. KG informierte über den Stand der Entwicklung von funktionsintegrierten elektronischen Freiformbauteilen auf Basis des Folienhinterspritzens. Das Fraunhofer-Institut IMS stellte eine gemeinsame Entwicklungsarbeit mit dem Softwareunternehmen van Rickelen GmbH & Co. KG vor – einen intelligenter Bewegungssensor, der, aufbauend auf einem optischen Sensor, mithilfe von KI in der Lage sein soll, zwischen verschiedenen beweglichen Objekte zu unterscheiden. Die Firma GED mbH präsentierte ihr Projekt einer energieautarken Multisensorplattform. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut IMS und der TU Chemnitz sollen auf einem Microcontroller KI-unterstützte Funktionen für einen IOT-Sensorknoten entwickelt werden. Mit der Integration eines kinetischen Energy-Harvesters sollen die intelligenten Sensoren sogar in eine Schraube passen.

Die Netzwerkpartner besprachen außerdem ein größeres BMBF-Förderprojekt, das auf der 2019 mit dem „Hermes Award“ ausgezeichneten Verbindungstechnologie „KlettWelding“ von NanoWired aufsetzt. Hanno Platz, GED, gab hierzu einen Überblick über den aktuellen Planungsstand.

Virtuell erfolgreich

Zum Abschluss des virtuellen Treffens informierte Sophia Bäppler, JÖIN, über die neuen Konditionen des ZIM-Förderprogramms, die seit Januar 2020 gelten. Die maximale Fördersumme wurde sowohl für Unternehmen als auch für Forschungseinrichtungen erhöht, andere Konditionen wurden angepasst. Darüber hinaus gab es Informationen zu neuen steuerlichen Programmen zur Innovationsförderung.

Alle Teilnehmer waren sich einig, dass das virtuelle Treffen ein Erfolg war. Auch im großen Kreis ließen sich die Informationen online klar und verständlich kommunizieren. Für den persönlichen Austausch zwischen einzelnen Personen und zur Besichtigung der Forschungslabore freuen sich alle jedoch schon auf das nächste Treffen – dann hoffentlich wieder ganz real.

Weitere Informationen zum Technologienetzwerk finden Sie auf der Website www.3d-elektronik.net.