ISAT Coburg

Projekte

Im Folgenden finden Sie eine Liste der Projekte unseres Institutes.

Projekte im Fokus
Optische Anregung und Detektion von Oberflächenwellen

Akustische Oberflächenwellen, d.h. Ultraschallwellen, die sich an der Oberfläche eines Substrats ausbreiten, werden bereits für eine Vielzahl an Sensoranwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. 

Über das laserakustische Verfahren des ISAT können Oberflächenwellen nichtinvasiv, d.h. ohne Beschädigung der Oberfläche, angeregt werden. Mit kurzen Laserpulsen werden hierbei Schwingungen in dem zu untersuchenden Substrat erzeugt, die sich anschließend als akustische Oberflächenwellen ausbreiten. 

Eine Detektion der akustischen Oberflächenwellen ist ebenfalls optisch mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers möglich. Die Auslenkung der Welle an der Oberfläche kann hierbei mit einer Auflösung von bis zu zwei Pikometern genau gemessen werden. 

Durch ein Abscannen der Oberfläche können nicht sichtbare Inhomogenitäten, Gefügeänderungen oder auch Mikrorisse detektiert werden. Ferner lässt sich diese Technik auch einsetzen, um z.B. das Elastitzitätsmodul oder die Dicke von Folien bzw. dünnen Schichten auf Oberflächen zu bestimmen. 

Akustische Oberflächenwellen

Die bekannteste akustische Oberflächenwelle ist die Seismische Welle, die in Folge eines Erdbebens auftritt und eine zerstörerische Kraft mit verheerender Wirkung auf den Menschen und seine Umgebung entwickeln kann. Jedoch kann man sich diese Welle in miniaturisierter Form auch für innovative Sensor- und Aktor-Technologien zu Nutze machen. 

Diese akustischen Oberflächenwellen kommen bereits in vielfältigen technischen Anwendungen zum Einsatz, wie beispielsweise in Mobiltelefonen. Ob im Haushalt, der Medizintechnik, der Umwelttechnik oder auch der Automobiltechnik - die Einsatzbereiche dieser Technologie sind sehr vielfältig, sodass durch sie in den vergangenen Jahren neue Marktpotentiale geschaffen wurden.

Das Institut für Sensor- und Aktortechnik verfügt über ein umfangreiches Know-How in der Anwendung dieser akustischen Oberflächenwellen, in das wir Ihnen auf den folgenden Seiten einen Einblick geben möchten.

Bioanalytik / Medizintechnik

Der rasante Fortschritt in Medizin und Life Science verlangt nach neuartigen und spezifischen Sensor- und Aktor-Konzepten. Damit sollen biologische, biochemische und medizinische Vorgänge differenzierter kontrolliert und gesteuert werden können – letztlich auch mit Auswirkungen auf Gesundheit und Lebensqualität eines Menschen.

Das ISAT will mit Ideen und Funktionsmustern zu dieser Entwicklung beitragen und ist daran interessiert, Forschungspartner für eine industrielle Umsetzung zu finden. 

Erste Neuentwicklungen wurden bereits auf den Weg gebracht: Unter Nutzung der akustischen Oberflächenwellen-Technologie wurde ein Sensor zur Online-Überwachung der Biofilmbildung im Inneren von Behältern oder Rohren erfolgreich getestet. 

Im Bereich der Aktorik soll künftig die akustische Separation von Zellen und die Phasentrennung von Emulsionen oder die Beeinflussung des Zellstoffwechsels und der Stoffaufnahme durch gezielte Ultraschall-Einwirkung eingehend untersucht werden.

Biofilmdetektion

Die Biofilmbildung an Grenzflächen ist ein weit verbreitetes Phänomen, welches vor allem dann an Relevanz gewinnt, wenn sich Biofilme in medizinischen Geräten und Bauteilen ablagern, welche sehr hohen hygienischen Anforderungen genügen müssen. Auch bei technischen Anlagen, wie Wärmetauschern oder Klimaanlagen, wird durch anhaftende und schwer zu entfernende Bakterienbeläge deren Effizienz erheblich reduziert. 

Eine exakte und kostengünstige online-Detektion von Biofilmen mit den im ISAT entwickelten Sensorprototypen kann dazu beitragen, die Desinfektionszyklen bei medizinischen Geräten zu optimieren oder die Betriebsdauer technischer Anlagen zu erhöhen. Ein wesentlicher Vorteil der im ISAT entwickelten Methode besteht darin, dass durch die Anregung mikroakustischer Oberflächenwellen auf der Außenwand von Anlagenbauteilen oder Schlauchelementen, die Biofilmbildung im Inneren dieser Bauteile kontinuierlich überwacht werden kann, ohne dass ein Einbau von Sensorelementen in das System erfolgen muss – die Sterilität einer Anlage kann somit problemlos gewahrt werden. 

In verschiedenen Untersuchungen des Instituts konnte erfolgreich gezeigt werden, dass über die akustische Methode die Biofilmbildung im Inneren von flüssigkeitsgefüllten Rohren oder Schläuchen präzise und bereits bei beginnenden Ablagerungen überwacht werden kann. Ferner lassen sich durch dieses vielseitig einsatzbare Verfahren neben Biofilmen auch andere Schichtablagerungen detektieren, sodass frühzeitig Maßnahmen zur Schichtentfernung eingeleitet werden können. Bei Messungen an Biofilm-Ersatzschichten konnte mit dem Verfahren eine Nachweisgrenze von rund 5µm ermittelt und über erste Messungen an realen Biofilmen mittels speziell entwickelten Testsensoren die Praxistauglichkeit des Messverfahrens bestätigt werden.

Flüssigkeitsdetektion

Nicht nur der Mensch besteht zu nahezu 70 % aus Wasser, auch bei technologischen Anwendungen oder im täglichen Gebrauch spielen Wasser und andere Flüssigkeiten eine große Rolle. Insbesondere bei optischen Systemen, z.B. bei Kameralinsen, kann die Ablagerung von Tropfen oder Kondensat zu einer schweren Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit führen. 

Ein weiteres Beispiel hierfür sind  Regensensoren verschiedener Bauart, welche mittlerweile in den meisten Fahrzeugen zur Standardausstattung gehören. 

Ein Nachteil dieser Sensoren ist, dass über sie nur ein geringer Bereich der Scheibe überwacht wird. Über den Einsatz akustischer Oberflächenwellen, die sich auf der gesamten Fläche der Scheibe ausbreiten können, ist es im Gegensatz zu den bisher auf dem Markt befindlichen Regensensoren möglich, das volle Sichtfeld des Fahrers sensitiv auf Regentropfen zu gestaltet. 

Neben dem Einsatz im Automobil kann diese Technologie auch in anderen Anwendungsfeldern eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Regensensoren für Mautkameras oder Anwendungen in intelligenten Häusern, Sensoren zur Detektion von Leckagen oder zur Überwachung von optischen Messsystemen. Durch den Einsatz von speziell entwickelten Ultraschallwandlern konnte bereits auf unterschiedlichen Oberflächen eine Sensitivität gegenüber Flüssigkeiten erzeugt werden. Durch Variation der Wandler-Abstrahlcharakteristik und die Beeinflussung der Schallausbreitung konnten bisher Glasplatten, Metallobjekte und Kunststoffobjekte flüssigkeitssensitiv gemacht und diese in unterschiedliche Sensorzonen unterteilt werden. Neben der Detektion der Flüssigkeit ist dieses System auch in der Lage, die Menge und die Position der darauf befindlichen Flüssigkeit messtechnisch zu erfassen. 

Berührungssensitive Oberflächen

Aus unserer technologie-affinen Gesellschaft sind Touch-Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Vom Smartphone bis hin zum Haushaltsgerät – überall erfreuen sich Touchscreens und Softkeys, die Berührungen auf verschiedenen Oberflächen erfassen und Schaltfunktionen auslösen, zunehmender Beliebtheit. Mit akustischen Oberflächenwellen können solche Softkeys an den unterschiedlichsten Alltagsgegenständen realisiert werden, ohne dabei die Eigenschaften und das Aussehen des Objektes zu verändern. 

Mit der berührungssensitiven Fliese ist dem ISAT die Umsetzung seiner auf Oberflächenwellen basierenden Technologie in einen funktionsfähigen Prototyp gelungen. Diese sensitiven Fliesen können in Privathaushalten z.B. in Badezimmern und Küchen als multifunktionale Schalter eingesetzt werden und dabei höchsten Ansprüchen hinsichtlich elektrischer Isolierung, Sterilität und einfacher Reinigung gerecht werden. Auch deren Einsatz in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen ist denkbar, da vor allem auch dort leicht zu reinigende und steril zu haltende Flächen benötigt werden. Herkömmliche Schalter, in welchen sich Schmutz und pathogene Keime ablagern und vermehren können, werden so effizient substituiert.

Es ergeben sich viele weitere beispielhafte Szenarien, in denen die Fliese nicht nur als Schaltelement, sondern auch zur modernen Raumüberwachung beiträgt und sowohl gestürzte Personen als auch Wasserschäden erkennt. 

Die keramische Fliese stellt hierbei nicht die alleinige Umsetzungsmöglichkeit zur Erzeugung berührungssensitiver Oberflächen und Gegenstände dar, da nicht nur auf  keramischen Werkstoffen, sondern auch auf Glas-, Metall- und Plastikoberflächen akustische Softkeys erzeugt werden können. Potentiellen Einsatzgebieten und -orten sind somit nahezu keine Grenzen gesetzt.

Förderprojekte
Innoterm

InnoTerm

Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2020

Im Rahmen des EFRE-Projekts „InnoTerm“ werden Forschungs- und Entwicklungspartnerschaften mit kleinen und mittleren Unternehmen in der ehemaligen nordbayerischen Grenzregion (Oberfranken und nördliches Unterfranken) aufgebaut und bestehende vertieft.

Die Aufgabenstellungen und Ideen aus Firmen fließen in unmittelbare Forschungstätigkeit im ISAT ein und sollen in Firmen in vermarktungsfähige Anwendungen überführt werden. Ein ‚Innovationsterminal‘ als regionale Plattform für einen kontinuierlichen Technologietransfer soll etabliert werden.

Actuations

Actuations

Laufzeit: 1.10.2012 bis 30.09.2014

Im Rahmen des EFRE-Projekts „Actuations“ sollen Forschungs- und Entwicklungspartnerschaften mit kleinen und mittleren Unternehmen in der ehemaligen nordbayerischen Grenzregion (Oberfranken und nördliches Unterfranken) aufgebaut werden. Bereits im Institut für Sensor- und Aktortechnik erforschte und teilweise in Entwicklung befindliche neuartige Verfahren der Aktorik (engl.: Actuation) sollen dabei zur Anwendung kommen. Damit sollen weitere Innovationsimpulse in der Zielregion ausgelöst werden.

Während im Bereich der Sensortechnik der Technologietransfer mit kleinen und mittleren Unternehmen der Region gut etabliert ist, besteht im Bereich der Aktorik noch erhebliches, bisher nicht ausgeschöpftes Entwicklungspotential. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass teilweise ähnliche Technologien wie in der Sensorik zum Einsatz kommen können, insbesondere mikroakustische Technologien.
Vorhandenes Know-How und Einrichtungen werden hierbei auch für die mikroakustische Aktorik genutzt.

Adolis

Akustische Verformung von Flüssigkeitsoberflächen

Laufzeit: 1. August 2012 bis 31. Juli 2015

Geräte mit Toucheingabe haben steigenden Einfluss auf das alltägliche Leben. Oft wäre es jedoch wünschenswert, eine eindeutige taktile Rückmeldung von einem solchen Gerät zu bekommen, insbesondere für die Handhabung durch erblindete Benutzer. Obwohl aktuell vermehrt Aktivitäten auf diesem Bereich zu beobachten sind, gelingt es meist nicht, frei formbare Oberflächen zu erzeugen. Ziel des Vorhabens „Adolis“ ist es, den am Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) beobachteten Effekt der lokalen, akustischen Verformung von Flüssigkeiten auf nicht piezoelektrischen Substraten weiter zu untersuchen, um daraus ein taktiles Display zu entwickeln. Das Konzept soll sowohl Einsatz in Brailledisplays, als auch im Bereich der Weißen Ware finden. Dieses Projekt wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert.

Projektpartner:

  • Fa. ViewPlus Technologies, Inc.
  • Fa. Robert Seuffer GmbH&Co.KG
  • Fraunhofer ISC

Belakustik

Systematische Untersuchung der Transportvorgänge in elektrochemischen Energiespeichern zur Beschleunigung des Ladevorgangs am Beispiel eines Blei-Schwefelsäureakkumulators

Zeitrahmen: 01.10.12 – 30.09.2015

Die allgemeine Zielsetzung des Fördervorhabens ist die systematische Untersuchung der Transportvorgänge in elektrochemischen Energiespeichern am Beispiel eines Blei-Schwefelsäureakkumulators und die Beeinflussung der Kinetik dieser Vorgänge durch gezielte Einstrahlung hochfrequenter Schallwellen, bevorzugt sogenannter akustischer Oberflächenwellen. Eine Erhöhung der Kapazität solcher Energiespeicher sowie eine Verkürzung der Ladezeiten oder Verringerung der zur Ladung benötigten Energie ist ein strategisch wichtiges Erfordernis für die Umsetzung von Elektromobilitäts-Konzepten und für den Betrieb dezentraler elektrochemischer Energiespeicher-Netze.

·         Ausgangspunkt: Untersuchungen zur gezielten Schalleinstrahlung in die Grenzschicht Elektrode/Elektrolyt, an welcher die meisten transportlimitierenden Vorgänge ablaufen, sollen zeigen, ob und wie durch Schalleintrag Abläufe im Akkumulator optimiert werden können.

·         Anlass: Die Erhöhung der Kapazität von Energiespeichern sowie eine Verkürzung der Ladezeiten oder Verringerung der zur Ladung benötigten Energie ist ein strategisch wichtiges Erfordernis für die Umsetzung von Elektromobilitäts-Konzepten und für den Betrieb dezentraler elektrochemischer Energiespeicher-Netze.

·         Zielsetzung: Gemeinsam mit dem Verbundpartner der Firma Seuffer GmbH & Co. KG soll eine Komponente zur gezielten Schalleinstrahlung entwickelt und unter realen Einsatzbedingungen getestet und in bestehende Akkumulatoren eingebaut werden. Zudem ist ein übergeordnetes Projektziel, der Übertrag der Erkenntnisse auf andere elektrochemische Energiespeicher.

Projektpartner:

·         Fa. Seuffer GmbH & Co. Kg

ELSY

Entwicklung effizienter elektronischer Systeme und Online-Diagnosefunktionen für Anlagen und Geräte

Zeitrahmen: 01.11.2012 - 31.10.2015

Pumpen erbringen einen für den technischen Prozess der Druckerhöhung bzw. des Fluidtransports wesentlichen Energieeintrag und sorgen so für den im Prozess erforderlichen Druck und Durchfluss. Sie stellen damit einerseits ein wesentliches Aktorelement zur Beeinflussung des technischen Prozesses dar und sind dabei andererseits einer der "Hauptverbraucher" der im Prozess benötigten elektrischen Energie.

Zur Verbesserung der Wirkweise und zur Verbrauchs- und Verschleißminimierung verfügen moderne Pumpen heute über integrierte Drehzahlregler, integrierte Sensorik (Druck, Differenzdruck und Temperatur), integrierte Funktionen zur optimierten Steuerung und Regelung der an sie gestellten hydraulischen Prozessanforderungen sowie integrierte Schutzfunktionen. Dieser hydromechatronische Charakter moderner Pumpen und Pumpensysteme bedingt, dass in der heutigen Produktentwicklung die Entwürfe fachspezifischer Komponenten Hydraulik (Pumpe, Armatur, Verrohrung), Mechanik, Sensorik, Leistungselektronik, Elektromechanik, Hardware und Firmware der Steuerung sowie PC-basierte Software zum Gerätemanagement und zur Systemintegration nach den jeweils fachspezifischen Entwurfsmethoden und – wo vorhanden - mit den jeweils spezifischen Entwurfswerkzeugen erfolgen. Was fehlt, sind ein vorgelagerter anforderungsbasierter und anwendungsorientierter Funktionsentwurf sowie darauf aufbauend ein adäquater durchgehend methodischer und fachübergreifend integrierender System- und Architekturentwurf.

Das Projekt hat für die Domäne der hydromechatronischen Produkte die Ziele,

- die Grundlagen und Methoden für den fachgebietsübergreifenden durchgängig modellbasierten Entwurf zu erarbeiten,

- die Einsetzbarkeit der Technologie rekonfigurierbarer Hardware in der Domäne zu prüfen und entsprechende Plattformkonzepte zu erarbeiten,

- durch Adaption einer neuartigen Sensortechnologie ein innovatives Online-Diagnoseverfahren für Pumpensysteme zu ermöglichen.

Projektpartner:

  • KIT – Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Technik der Informationsverarbeitung(ITIV)
  • Martin-Luther Universität (MLU) Halle, AG Software-Engineering
  • Fa. LeiKon GmbH
  • Fa. BestSens AG
  • Fa. KSB AG
IBridge

Intelligente Brückenüberwachung durch neuronal vernetzte Sensoren

Zeitrahmen: 01.08.2013 – 31.07.2016

Als wichtigstes mitteleuropäisches Transitland steht Deutschland vor der Herausforderung, die Leistungsfähigkeit der Verkehrsinfrastruktur zu erhalten und kontinuierlich auszubauen. Neben dem Bau neuer bzw. dem Ausbau bestehender Trassen kommt dem Erhalt der Infrastruktur eine Schlüsselrolle zu. Neuralgische Bauwerke sind vor allem Brücken, da ihre Erhaltung bzw. ihr Ersatz enorme Investitionskosten zur Folge hat und damit volkwirtschaftlich in hohem Maße zu Buche schlägt. Grundsätzlich sind erhebliche Aufwendungen zur Gewährleistung und Aufrechterhaltung der Verfügbarkeit, Verkehrssicherheit und Lebensdauer für Brückenbauwerke erforderlich. Vor diesem Hintergrund ist es eminent, Schäden oder Schadenspotenziale möglichst frühzeitig zu erkennen. Ziel ist die Entwicklung eines Systems zur Überwachung eines Brückenbauwerkes in Echtzeit mittels eines neuronalen sensordatenverarbeitenden  Systems unter Einsatz von faseroptischen Sensoren (FBG und Raileigh-System).

Im Gegensatz zur heutigen Technologie stehen hierbei nicht mehr einzelne Sensoren und deren Messgrößen im Fokus der Auswertung, sondern alle Sensordaten werden fusioniert und in einem entsprechend programmierten neuronalen Netzwerk verarbeitet. Durch eine derartige „intelligente“ Brückenüberwachung wird es möglich, ein sich selbst konfigurierendes Überwachungssystem zu realisieren, welches den Betreiber detailliert über den Ist-Zustand des Brückenbauwerks informiert. Die zur Verfügung gestellten Daten informieren in Echtzeit über die Standsicherheit und erlauben damit Maßnahmen nutzungs-/verschleißabhängig und damit effizient und zum „richtigen Zeitpunkt“ einzuleiten. Hierdurch wird ein erhebliches Einsparpotenzial nutzbar, da Brücken effektiver gewartet werden können. Lästige und in ihrer volkswirtschaftlichen Auswirkung nicht zu unterschätzende Verkehrssperrungen können verkürzt werden oder gänzlich ausbleiben. Folgekosten durch weniger aufwendige Sanierungen werden reduziert und Entscheidungen über Ersatzneubauten können auf Grundlage fundierter Daten durch zuverlässigkeitsorientierten Analysen und Prognosen effizienter erfolgen.

Als Projektpartner ist das Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) für die Auswahl faseroptischer Sensoren, die Validierung der Sensoren, die Generierung von Testdatensätzen zur Entwicklung des neuronalen Netzwerks, sowie für die Einbringung der Sensoren in das Netzwerk zuständig.

Projektpartner:

  • Fa. Pötzl Ingenieure GmbH
  • Fa. Ci-Tec GmbH
  • Karlsruher Institut für Technologie - Institut für angewandte Informatik
Sensilo

In Bearbeitung.