Am 30. November 2021 traf sich das 2018 vom FED initiierte ZIM-Netzwerk 3D-Elektronik zum siebten Mal. Nach nun drei Jahren geförderte Laufzeit beschlossen die Mitglieder aufgrund des Erfolges, ihr Unternehmen und Forschung übergreifendes Technologie-Netzwerk jetzt offen weiterzuführen.
Starke Innovationsprojekte vorgestellt
Die ursprünglich an der Ruhr Uni Bochum geplante Präsenzveranstaltung wurde kurzfristig digital durchgeführt. Die Mitglieder präsentierten die Ergebnisse der aus dem Netzwerk heraus initiierten FuE-Projekte. Die mit öffentlichen Mitteln unterstützen ZIM-Projekte (ZIM, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) verfolgen das Ziel, elektronische Baugruppen komplexer, hochintegrierter, kosten- und energieeffizienter sowie zugleich platzsparender umzusetzen. Beispielsweise entwickelt die Firma metak innerhalb des ZIM-Projekts „BauteilBett“ ein neues Verfahren zur Fertigung von elektronischen Freiformbauteilen. Damit können elektronische Komponenten erstmalig gezielt in Spritzgussteile integriert werden.
Die van Rickelen GmbH sowie das Fraunhofer IMS entwickelten im gemeinsamen FuE-Vorhaben „noKat“ einen neuen optischen Näherungssensor, der in der Lage ist, Menschen mit Hilfe künstlicher Intelligenz zu erkennen. So kann die aktuell sehr hohe Anzahl unerwünschter Erkennungen mit klassischen Näherungssensoren, etwa durch Tiere oder Wind, deutlich reduziert werden. Da es sich zudem um ein Microcontroller-basiertes Embedded-System handelt, werden die Daten lokal verarbeitet und gelangen nicht nach außen. Das Projekt wurde bereits erfolgreich abgeschlossen. Zudem ist ein Folgeprojekt in Planung.
Ein weiteres technisch spannendes Projekt ist der IoT-Sensorbaukasten SensorNode mit Energy Harvesting über Bewegungsenergie (Vibration), den GED entwickelt hat:
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
Fünf Partner starten neues gefördertes AVT-Projekt
Das Netzwerk konnte zum Abschluss der Förderphase noch einen positiven Entscheid zu einem größeren Projektantrag mit einem Fördervolumen von 1,8 Mio. Euro verbuchen. Über das Programm „KMU-innovativ“ des BMBF startet ein Konsortium aus fünf Partnern (NanoWired GmbH, Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH, GED mbH, Huber Automotive GmbH, TU Dresden) eine Entwicklungskooperation zur industriellen Umsetzung einer neuen AVT auf Basis des patentierten Verfahrens „KlettWelding“ von NanoWired. An zwei Demonstratorprojekten sollen optimierte Verbindungslösungen für hohe Signalübertragungsraten bis 20 GHz und hohe Leistungen bis 20 kW auf Basis der neuen Aufbau- und Verbindungstechnik Klettwelding entwickelt werden. Technologische Highlights, wie z. B. die direkte Montage von Leistungstransistoren auf einen 3D-gedruckten Flüssigkeitskühlkörper, sollen zur erheblichen Miniaturisierung und Leistungssteigerung beitragen. Die erforderlichen Zuverlässigkeitsuntersuchungen werden vom Projektpartner am AVT-Institut der TU Dresden durchgeführt.
Digitaler Rundgang
Beim digitalen Netzwerktreffen unternahmen die Teilnehmer einen virtuellen Rundgang durch die Lern- und Forschungsfabrik des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) an der Ruhr Uni Bochum. Diese Einrichtung bildet ein produzierendes KMU mit verschiedenen digitalisierten mechanischen Bearbeitungsmaschinen und einer digitalisierten Handmontagelinie ab. Die Schwerpunkte des LPS liegen auf Teilautomatisierungen und Mensch-Roboter-Kollaborationen. Damit ist der Lehrstuhl ein wichtiger Partner im Konsortium, weil auch in der Fertigung und Montage von 3D-Elektronik neuartige Fertigungs- und Montageprozesse benötigt werden. Im Kontext von Industrie 4.0 werden am LPS neue digitale Fertigungs- und Montageprozesse entwickelt.
Den Impulsvortrag hielt Dr. Bob Wittig, Abteilung Werkstoffentwicklung Metall & Korrosionsschutz UA Elektrik/Elektronik bei Volkswagen. Der Experte skizzierte mögliche Anwendungsfelder der 3D-Elektronik in Kraftfahrzeugen mit charakteristisch sehr hohen Anforderungen an die Langzeitzuverlässigkeit. Entsprechend umfangreich und langwierig sind die Tests, bevor eine neue Technologie akzeptiert und etabliert wird. Künftige Anwendungsgebiete für höher integrierte Komponenten und funktionale Integration sind im Innen- und Außenraum von Fahrzeugen, die in der Runde diskutiert wurden.
Netzwerk öffnet sich für neue Mitglieder
Das Netzwerk 3D-Elektronik soll auch künftig weiter unter der Leitung der Technologieberatung Jöckel Innovation Consulting geführt werden. Aktuell beteiligen sich 15 Unternehmen und Forschungseinrichtungen mit unterschiedlichen Kompetenzbereichen am Netzwerk: Embedded-Leiterplatte, Flexsubstrate, Kunststoff, Keramik, AVT und Mikrosystemtechnik. Im Netzwerk können auf kurzem Weg Informationen ausgetauscht und Partner für gemeinsame Forschungsprojekte zusammenfinden. Zur Fortführung des Netzwerkes ist jährlich ein Innovationstag geplant. Die Mitglieder erhalten im Netzwerk verschiedene Services wie Tech-Talks, Entwicklung gemeinsamer Demonstratoren, Informationen zu Förderprojekten, Beratung für Fördermittel sowie die weitere Pflege der Webseite www.3D-Elektronik.net. Interessierte Unternehmen wenden sich bitte an Ann-Cathrin Hubschneider (E-Mail: a.hubschneider@joein.de) von Jöckel Innovation Consulting und an Hanno Platz (E-Mail: h.platz@ged.pcb-mcm.de) von GED mbH, Leiter des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik, der technische Fragen beantwortet.
Auch in diesem Jahr konnten die E-Motorsportler der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (BRS Motorsport e.V.) große Erfolge bei den Formula Student Events feiern. So erzielte das Studierendenteam mit seinem Elektro-Rennwagen G21e, Spitzname „Luna“, sogar erstmals einen Gesamtsieg.
GED sponsert seit vielen Jahren den Elektromotorsport an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg. Aktuell arbeiten zwei Mitglieder des BRS-Motorsportteams bei GED.
Höhepunkt der Saison war für BRS die Formula Student Spain auf der Rennstrecke Barcelona-Catalunya. Hier belegte das Team aus Sankt Augustin in vielen Einzeldisziplinen wie im Beschleunigungs- und im Langstreckenrennen Top-Platzierungen. Den 75-Meter-Sprint schaffte Luna in herausragenden 3,48 Sekunden. In der Disziplin Cost und Manufacturing Event (Kostenanalyse) erreichte das Team 95 von 100 Punkten, im Engineering Design Report (Konstruktionsbericht) sogar die Höchstpunktzahl. Spannung bis zuletzt: Erst bei der Siegerehrung realisierte das Team, dass es den ersten Platz bei der Formula Student Spain 2021 errungen hatte. Dies war der erste Gesamtsieg für den BRS Motorsport bei einem Weltranglisten-Event.
Wie in Spanien konnte die BRS-Crew auch bei der Formula Student Germany (FSG) im September auf dem Hockenheimring den Sieg beim Cost Event für sich verbuchen. Das war für das Team der erste Sieg in einer Teildisziplin bei der FSG. Insgesamt reichte es in einem starken Teilnehmerfeld den achten Platz. Beim letzten Event der Saison 2021, der Formula Student Alpe Adria in Kroatien, holt Luna den dritten Platz in der Disziplin Beschleunigung.
Das Team freut sich über die Ergebnisse der Wettbewerbe. Bereits seit Saisonende tüftelt es am Elektroflitzer für die Renn-Events im Jahr 2022.
GED gratuliert zu den großen Erfolgen und den gezeigten Leistungen in einem hochkarätigen, internationalen Wettbewerbsumfeld!
Weitere Informationen zum E-Motorsport an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg finden Sie hier.
Intelligente elektronische Pflaster können heute weit mehr als nur Wunden abdecken: Mit entsprechender Sensorik ausgestattet, überwachen sie Körperparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert, Sauerstoffsättigung und elektrische Potenziale.
Mehr als 3 Millionen Patienten benötigen allein in Deutschland eine langfristige Behandlung chronischer Wunden. Im EU-Projekt ULIMPIA (Ultraschallsensoren für intelligente medizinische Pflaster) hat GED gemeinsam mit 17 Partnerinnen und Partnern aus sechs Ländern ein intelligentes Pflaster entwickelt, das auch physikalische Prozesse tief im Körper erkennen kann – etwa indem es der Blutdruck misst, oder die Blasentätigkeit überwacht. Dazu kombinieren die Forschenden hochmoderne MEMS-Ultra-Sound-Technologie (CMUT) von Philipps mit Innovationen in der konformen Patch-Technologie.
Wissenschaftler des deutschen Konsortiums entwickelten im Rahmen des Projekts eine Packaging-Technologie zur Integration von Sensoren und Ultraschall-Aktoren. GED hat dabei zusammen mit NXP Semiconductors die Entwicklung der Elektronik übernommen. Für die 4 unterschiedlichen Demonstratoren wurde ein BLE-Controller-Modul entwickelt sowie das anspruchsvolle Powerkonzept, mit Lowpower-Sensorik und Hochspannungserzeugung von 5 Volt auf +/- 30 Volt und 150 Volt zur Ansteuerung der CMUT-Ultraschallsensoren.
Bei der Entwicklung konnte GED aus Know-how und Erfahrungen von Vorgängerprojekten schöpfen wie FreiForm und HySep – zwei BMBF-Projekte, bei denen innovative Konzepte für die Multisensor-Integration entwickelt wurden. Für die neue Generation der IoT-Sensoren (IoT, Internet of Things) und der Healthcare-Sensorik liegen die Aufgaben ähnlich:
Aufbereitung der analogen und digitalen Sensorsignale,
Vorverarbeitung der Sensordaten auf dem µController,
energiesparender Langzeitbetrieb,
gesteuerte Datenübertragung per Funk,
Adaption an die Messapplikation,
Verpacken im Gehäuse.
Die Herausforderungen in der Entwicklung des ULIMPIA-Pflasters waren sehr vielfältig:
modulares NXP-Mikrocontroller-Modul mit BLE-Funk und Antenne,
Umsetzung der kleinen Sensorsignale in digitale Größen,
Spannungsversorgung mit Lowpower-Funktion,
Spannungserzeugung von 5V Akkuspannung auf +/- 30 Volt und 150 Volt,
Adaptierung des Ph-Foliensensors von Fraunhofer (mit15µm Leiterstrukturen),
Elektrische Kontaktierung eines dehnbaren Sensor-Patches,
Aktor-Steuerung für ein Flächen-Heizpatch mit 5 Watt Leistung,
Interconnection zwischen Sensorebene und Controllermodul,
Packaging Feuchtesensor und Füllstandsensor als leitendes Gewebe.
Im Rahmen der 3-jährigen Kooperationsentwicklung entstanden neue Anforderungen und Gesichtspunkte. Normativen Anforderungen des Medizinproduktegesetzes, aber auch Umweltaspekte machten Änderungen bzw. Anpassungen der Aufbaukonzepte erforderlich. Im Vortrag werden die einzelnen Technologien und Disziplinen erläutert.
Ergebnis der Entwicklung ist ein hautfreundliches, flexibles Sensor-Pflaster mit den zugehörigen Mikroelektronik-Komponenten für Datenerfassung und Funkverbindung. Daten und Alarmzustände werden kontinuierlich per BLE-Funk auf eine App übertragen. Die entstandene Plattform kann für unterschiedliche Sensoraufgaben genutzt werden. Der Fokus liegt auf Produkten mit medizinischen Anwendungen.
Am 11. November 2021 findet das 8. Fachsymposium des HybridSensorNet e.V. statt. Das Thema „Innovative Sensorik, verteilte Sensorsysteme, neue Technologien und Anwendungsfelder“ verspricht spannende Vorträge und vielfältige Anregungen.
Innovative Sensorsysteme und datenbasierte Soft-Sensoren liefern umfassende Informationen, detektieren potenzielle Gefährdungen und sind unverzichtbar bei der Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz. Neuartige vernetzte Sensoren überwachen kritische Infrastrukturen. Hierzu ist auch eine hohe IT-Sicherheit erforderlich.
Experten aus Forschung, Wissenschaft und Industrie stellen im 8. Fachsymposium des HybridSensorNet den Stand der Forschung und Entwicklung sowie die interdisziplinären Anforderungen an innovative Projekte dar. Das Symposium bietet eine offene Plattform zur Förderung von Kooperationsgesprächen und Diskussionen. Eine Partnerbörse ermöglicht die Darstellung der Kompetenzen der Teilnehmer zur Initiierung neuer, gemeinsamer Projekte.
GED-Geschäftsführer Hanno Platz wird auf dem Symposium das vernetzte elektronische Pflaster des ULIMPIA-Projekts vorstellen. Die Abstracts seines Vortrags finden Sie hier.
Interessierte sind herzlich eingeladen, am Symposium teilzunehmen!
Die Veranstaltung findet am 11. November 2011 online statt. Die Teilnahme ist kostenfrei.
Weitere Informationen und Anmeldung auf der Website des HybridSensorNet.
Bericht zum virtuellen „EDA-Round Table“ des FED, von Hanno Platz, Leiter des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik
Das 3D-Elektronik-Design hat 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-Konzepten 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:
• 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:
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.
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).
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.
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.
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.
3D-Elektronik-Projekte: 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.
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.
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).
Gemeinsam mit Industriepartnern und Forschungsinstituten hat GED den Sensorbaukasten GED-SensorNode entwickelt, der eine sehr einfache Konfiguration eines miniaturisierten Multi-Sensorsystems ermöglicht. Der drahtlose Multisensorik-Knoten 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: Modulare und intelligente Multisensorik
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.
Alle Komponenten des nach ISO 13485 zertifizierten Medizinprodukts wie Hardware – Embedded und PC-Software – sowie das Gehäuse wurden bei GED entwickelt.
Bluetooth Funk BLE 5, 50-pin Sensor Bus, Plug&Play
