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17.03.2000 - 

IT im Anlagen- und Maschinenbau

Miniaturisierung: Chance und Crux

Systeme und Subsysteme von Maschinen werden zusehends kleiner, feiner und intelligenter, weshalb sich immer mehr Funktionen auf engstem Raum verwirklichen lassen. Die Potenziale sind bei weitem nicht ausgeschöpft. Doch stehen einer neuen Miniaturisierungswelle noch einige technische Probleme im Weg, wie Johannnes Kelch* herausgefunden hat.

Seit die Preise im Markt für Reinigungsgeräte ausgereizt sind, widmet sich der Hersteller Alfred Kärcher GmbH & Co. einer höchst spannenden Frage: Wie kann man besser, schneller, billiger, gründlicher reinigen und zugleich weniger Wasser und Reinigungsmittel verbrauchen? Hagen Gehringer, Leiter der Abteilung Forschung und Innovation des 5000-Mann-Betriebs in Winnenden bei Stuttgart, hat zu diesem Thema schon jede Menge Ideen entwickelt.

Anstatt alle Flächen - auch wenig verschmutzte - immer wieder intensiv mit konzentrierten Mitteln zu bearbeiten, wäre es aus seiner Sicht sinnvoll, wenn Reinigungsgeräte erst einmal mit Sensoren Schmutzanhäufungen aufspüren und ihre Hafteigenschaften überprüften. Erst dann sollten die Geräte die chemische Keule schwingen, und zwar nur dort, wo es wirklich nötig ist. Mit gezielten Reinigungsaktionen ließe sich nicht nur der Chemikalienverbrauch drastisch senken, auch die Oberflächen würden geschont, argumentiert Gehringer.

Viel verspricht sich der Forschungsleiter von Mikroantrieben, die bei Hochdruckreinigern die Düsengeometrie anpassen, so dass je nach Bedarf ein "optimales Strahlbild" erzeugt wird. Weiter findet es Gehringer überlegenswert, Bürsten von Kehrmaschinen mit einem Verschleißmelder auszustatten. Denn damit könnte man den Verbrauch an Bürsten verringern.

Ideen für den Einsatz von extrem kleinen Systemen im Maschinen- und Anlagenbau gibt es in Hülle und Fülle - nicht nur bei Kärcher. Wie könnte die so genannte Mikrosystemtechnik etwa im Maschinenbau genutzt werden?

Diagnosesysteme, die in Maschinen hineinhorchen, Schwingungen messen und Bilder aus dem Innenleben übertragen, könnten frühzeitig Abnutzungen erkennen, bevor größerer Schaden entsteht. Durch die permanente Überwachung der Maschinen sind verlängerte Lebenszyklen und niedrigere Wartungs- und Servicekosten denkbar.

Mikropumpen könnten Schmiermittel exakt nach Bedarf dosieren und deren Verbrauch auf ein Minimum begrenzen. In der Montage könnten Greifer mit einer integrierten Sensorik die in einer Kiste angelieferten Teile erkennen und vorsichtig herausheben.

Über den bereits bewährten Airbag hinaus ist der Automobilbau ein breites Anwendungsfeld für Mikrosysteme. Eine von vielen Möglichkeiten: Einspritzventile mit Zerstäuberscheiben, die den Kraftstoff in feinste Tröpfchen umwandeln und die Form und Richtung des Strahls exakt bestimmen. Damit könnte man einen Beitrag zur besseren Verbreitung im Brennraum und zu einer saubereren Verbrennung leisten.

So groß die Vorteile miniaturisierter Systeme sind, so schwierig ist es, die Mikrosystemtechnik für den Maschinen- und Anlagenbau nutzbar zu machen. Noch hapert es an der Umsetzung der vielfältigen Ideen in die Praxis. Nach Jahren intensiver Förderung (seit 1994) pumpt Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn jetzt noch mehr Geld in die Mikrosystemtechnik.

Es wurden zu viele Luftschlösser gebautAllein 1999 gab der Bund rund 100 Millionen Mark für dieses zukunftsträchtige Arbeitsfeld aus. Das ursprünglich auf sechs Jahre angelegte Programm wurde über das Jahr 2000 hinaus verlängert. Jetzt steht die "breite Anwendung der Mikrosystemtechnik in wichtigen Industriefeldern" im Mittelpunkt der Förderung. Kleine und mittelständische Firmen würden von der finanziellen Unterstützung profitieren, zumal sie auf fertige Mikrosysteme zurückgreifen könnten, betonte Edelgard Bulmahn 1999 in einer Pressemitteilung. Doch ist die Technik wirklich schon so weit fortgeschritten, dass nur noch die Integration verfügbarer Mikrosysteme in größere Systeme geleistet werden muss?

Der Leiter des Instituts für Mikrosystemtechnik an der Universität Freiburg, Wolfgang Menz, warnt vor Illusionen. Man habe in der Vergangenheit die Mikrosystemtechnik als "leicht dargestellt und zu viele Luftschlösser gebaut". Es sei wichtig, jetzt auf "den Boden der Tatsachen zurückzukehren". Menz kritisiert, dass bei dem "außerordentlich diffusen Begriff der Mikrosystemtechnik in 90 Prozent der Fälle Komponenten gemeint" seien.

Die enormen Chancen dieser Technik liegen nach Darstellung des Institutschefs jedoch nicht in den Komponenten, sondern in den Systemen. Und deren Herstellung aus Sensoren, Aktoren, Mikroprozessoren und anderen Bauteilen seien nach wie vor mit gewaltigen technischen Schwierigkeiten verbunden.

So hilft es nach Darstellung des Hochschullehrers nicht, lediglich Strukturen zu verkleinern, niemand sollte sich mit diesem Irrweg "abplagen". Stattdessen sei Kreativität gefragt, um etwa durch eine intelligente Materialwahl aus Gehäuse und Mikrostrukturen eine Einheit zu bilden, die sich kostengünstig herstellen lässt. Menz glaubt, dass die meisten Unternehmen mit solchen Aufgaben überfordert sind: "Die wenigsten Firmen, schon gar nicht mittelständische oder kleine Firmen, sind in der Lage, Mikrosysteme herzustellen."

Diese ernüchternde Bilanz entspricht dem Stand der Forschung. Die Fraunhofer-Institute für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin und für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben mit Geldern aus dem Programm "Mikrosystemtechnik 2000 plus" der Bundesregierung Baukastensysteme für Maschinen- und Anlagenbauer erarbeitet. Die Baukästen, so versprachen die beiden Institute während der Forschungsphase, werden endlich die kostengünstige Herstellung von Mikrosystemen aus vorgefertigten und miteinander kompatiblen Modulen in kleinen und mittleren Stückzahlen zulassen, wie sie für Maschinen und Anlagen benötigt werden.

Doch auch nach langjähriger Forschung reichen die Module und Schnittstellen aus den Baukästen nicht aus, um brauchbare Mikrosysteme mit Sensoren, Künstlicher Intelligenz und Aktoren zu bauen. Nach Auskunft von Matthias Schünemann vom IPA hat die Industrie aus den Elementen der Baukästen inzwischen eine Reihe von Sensoren entwickelt, noch fehle jedoch ein "Universal-Sensor-Interface". Ebenfalls noch nicht verfügbar sei ein 32-Bit-Mikro-Controller. Und noch "finsterer" sehe es im Bereich Aktorik aus. Auch hier wird noch gearbeitet, so an einer "Schnittstelle, die Kraft wirklich auskoppeln kann", so Schünemann.

Wie bei vorläufigen Forschungsergebnissen üblich, ist nun unter dem Namen "Industrieplattform modularer Mikrosysteme" ein Folgeprojekt geplant, das der Baukasten-Idee innerhalb von zwei Jahren zum Durchbruch verhelfen soll. Federführend ist jetzt der Verband des Deutschen Maschinen- und Anlagenbaus VDMA. Volkswirt Klaus Zimmer vom VDMA verspricht sich von dem neuen Projekt, dass die Baukästen am Ende weniger mit Konzeptpapieren, sondern mehr mit abrufbaren Bauteilen gefüllt sind.

Unterdessen beschäftigt sich das IPA in einem Projekt namens "Gulliver" mit der Frage, was denn zu tun sei, um die Miniaturisierung von Baugruppen und Maschinenkomponenten voranzutreiben. Es handelt sich dabei um größere Bauteile, die partiell aus Mikrosystemen bestehen können. Das Ergebnis einer Befragung von Unternehmen und Forschungseinrichtungen ist ernüchternd und vermittelt den Eindruck, dass die Forschungs- und Entwicklungsarbeit eher am Anfang steht als kurz vor dem Durchbruch.

"Gulliver"-Projekt-Mitarbeiter Wolfgang Schäfer vom IPA beklagt an erster Stelle den Mangel an brauchbaren Entwurfswerkzeugen. Um Mechanik, Elektronik und Software in "mechatronischen Systemen" (Mechatronik verbindet Mechanik und Elektronik) zu integrieren, reichten isolierte Entwurfswerkzeuge für die drei Teilbereiche nicht aus.

Außerdem fehlt es laut "Gulliver"-Ergebnisbericht an Produktionssystemen für miniaturisierte Baugruppen und ihre Integration in Maschinenkomponenten und Produktionsmaschinen. Zwar existieren schon Verfahren, die in Gestalt von Prototypen und Laborgeräten verfügbar sind, die Überführung in echte Produktionssysteme wurde aber noch nicht geschafft. Auf der Wunschliste der Ingenieure steht daher noch eine "flexible Produktion in hoher Variantenvielfalt und kleinen bis mittleren Stückzahlen".

Schließlich bemängelt Schäfer den unzulänglichen Informationsaustausch und Wissenstransfer. Man müsse die Zusammenarbeit zwischen Herstellern miniaturisierter Baugruppen einerseits und den Maschinenbauunternehmen andererseits fördern. Nur so könnte man den Einsatz miniaturisierter Baugruppen beschleunigen und die Produktentwicklung vorantreiben.

Damit ist freilich nur die Spitze eines Berges von Aufgaben benannt. Vor wenigen Wochen machten Vertreter zahlreicher Firmen im Rahmen eines "Aktionsgesprächs" des IPA im Haus des VDMA in Frankfurt deutlich, was aus ihrer Sicht noch alles zu tun ist, um mit der Mikrosystemtechnik und der Miniaturisierung von Baugruppen auf einen grünen Zweig zu kommen.

Manfred Wittenstein, geschäftsführender Gesellschafter der Unternehmensgruppe Wittenstein, betont, nicht nur die Baugruppen, sondern auch die Aufbau- und Verbindungstechnik müsse miniaturisiert und verbessert werden. Die Zusammenführung der Komponenten werde gegenwärtig noch durch "riesige Stecker" erschwert, die mehr Platz beanspruchen als ein kleines intelligentes System. Für Wittenstein fehlt zudem eine "einheitliche Autobahn für eine vernünftige Kommunikation zwischen den Komponenten". Schließlich fordert der Unternehmer, der auch Vorsitzender des VDMA-Ausschusses "Forschung und Innovation" ist, eine "Wirkungsertragsverbesserung mechatronischer Systeme". Die Reibung, die sich bei ganz kleinen Systemen als "extrem großer Störfaktor" bemerkbar mache, müsse unbedingt verringert werden.

Wolfgang Schlenk, Leiter des Fachzentrums Verbindungstechnik und Laserverfahren bei Siemens, macht sich stark für Hard- und Softwarebasismodule, die sich nach einem Produktionswechsel weiterverwenden lassen (ähnlich wie in der Produktion von Mikroprozessoren). Schlenk hat den "Eindruck gewonnen, dass die Software häufig aus dem Ruder läuft". Die Modularisierung der Software sei ein Weg, den auch Siemens verfolge, um den "Knackpunkt Kosten" in den Griff zu bekommen.

Für Herbert König, bei Siemens Projektleiter für Mechatronik, ist die Systemarchitektur bei der Einbindung von Mikrosystemen oder miniaturisierten Baugruppen in größere Systeme noch ein offenes Kapitel. Er fordert deshalb, erst einmal für Klarheit über die "Schnittstellen zwischen und in den Ebenen der Systemhierarchie" zu sorgen. Erst dann könne man Module positionieren. Zur Markterschließung, empfiehlt König, sollte man auf branchenübergreifende "Killerapplikationen" setzen.

Der Reinigungsgerätehersteller Kärcher wird allerdings kaum auf derlei Anwendungen hoffen. Er braucht ganz spezifische Lösungen für eine Branche, um intelligente Geräte zu bauen.

Weitere Informationen: www.miniaturisierung.de

* Johannes Kelch ist freier Journalist in München

Kleiner = teurerMiniaturisierung ist im Maschinenbau schon lange Trend. Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik läuten jetzt eine neue Runde der Verkleinerung ein. Der Vorteil kleiner Subsysteme, Baugruppen und Maschinenkomponenten liegt darin, dass mehr Funktionen auf engem Raum Platz finden und Ressourcen sparsam genutzt werden. Einer kompromisslosen und raschen Miniaturisierung steht jedoch eine höchst unangenehme Erfahrung aus der Praxis entgegen: Je kleiner die Teile, desto höher die Kosten. Preistreiber sind Forschung und Entwicklung. Versuche, die Aufwendungen zu verschlanken, sind - bisher zumindest - nicht von Erfolg gekrönt.