Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

Sensorik und Analytik - Sinne für die Produktion

Licht ist ein hervorragendes Präzisionsmessinstrument, mit dem sich Abmessungen und Geometrien von Objekten hochgenau erfassen und eine Vielzahl von Substanzen mit fast unglaublicher Präzision detektieren und bestimmen lassen.

Die Forschungsarbeiten im Themenfeld optische Sensorik und Analytik zielen darauf ab, die technologischen Grundlagen für die Nutzung des Lichts als Messinstrument bereitzustellen. Aufgrund der Anwendungsvielfalt und des steigenden Bedarfs der Industrie an hochgenauen, flexiblen und schnellen Messverfahren für die Produktions- und Fertigungsüberwachung sind diese Forschungsarbeiten stets eng mit anderen Technologiefeldern verzahnt.

Die Anwendungen reichen von der 3D-Objektvermessung z. B. im Automobilbau oder der Zahnmedizin über die Analyse von Inhaltsstoffen in Luft, Wasser oder Lebensmitteln bis hin zur detaillierten Untersuchung von Verbrennungsprozessen in Kraftwerken oder schadstoffarmen Verbrennungsmotoren, die mit keiner anderen Technologie möglich sind.

Besonderes Augenmerk bei den Forschungsarbeiten zum Themenfeld optische Sensorik und Analytik liegt auf der strengen Ausrichtung der Arbeiten auf die spätere Anwendung. Das bedeutet, dass erhebliche Teile der Forschungs- und Entwicklungsleistung neben der Erforschung der technologischen Grundlagen des reinen Messprinzips in die Auswertung der Messdaten und die Anbindung an bestehende Produktions- und Fertigungssysteme fließen.

Es ist unumstritten, dass optische Mess- und Sensorverfahren der modernen Produktions- und Fertigungstechnik neue Chancen hinsichtlich Qualitätskontrolle, Produktivität und Variantenmanagement bieten. Die Akzeptanz dieser Verfahren hängt jedoch stark von der Robustheit der verfügbaren Systeme und ihres Integrationspotentials in bestehende Standards und Normensysteme ab. Dieser Aspekt wird bei allen Forschungsaktivitäten im Bereich der optischen Messtechnik und Sensorik besonders berücksichtigt.

Themenschwerpunkte der Forschungsaktivitäten in diesem Bereich sind im Einzelnen:

Bildgebende 3D-Messverfahren

Für die nächste Generation von Kameras werden Sensoren und Verfahren erforscht, die neben der üblichen zweidimensionalen Bildinformation zu jedem Kamerapixel den Abstand zum abgebildeten Objektpunkt liefern. Die Arbeiten haben besondere Bedeutung für autonome Roboter und Fertigungssysteme sowie für autonome Fahrzeugsteuerungen ohne spezielle Leitsysteme. 

Optische Bilddatenverarbeitung

Bei herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen werden nur Informationen über die Lichtintensität an jedem Bildpunkt ausgewertet. Das Licht, das die Kamera von einer Szenerie aufnimmt, enthält jedoch viel mehr Informationen. Die Forschungsarbeiten in diesem Bereich zielen darauf ab, alle im Lichtfeld vorliegenden Informationen optisch zu verarbeiten und so eine rein optische Objektklassifizierung zu erreichen. Verlaufen die Arbeiten erfolgreich, werden die Ergebnisse die Grundlage für eine neue Generation intelligenter, bildverarbeitender Sensoren liefern, die autonom Szenerien erkennen und beurteilen können so z. B. in Kameras für selbstfahrende Fahrzeuge oder sehende Roboter.

Gasanalytik mit innovativen Strahlquellen (Quantenkaskadenlaser)

Die optische Gasanalytik ist seit langem etabliert und wird in der Prozessmesstechnik eingesetzt. Neben vielen Vorteilen wie z. B. Berührungslosigkeit, Flexibilität und Nachweisselektivität gibt es einen entscheidenden Nachteil, der eine breite Anwendung der optischen Gasanalytik bisher verhindert hat: Fast alle Messverfahren in diesem Bereich brauchen spezielle Strahlquellen mit genau spezifizierten Wellenlängen.

Quantenkaskadenlaser stellen eine neue Generation von Lasern dar, bei denen weitgehend unabhängig vom Materialsystem die Emissionswellenlänge eingestellt und variiert werden kann. Dies eröffnet der optischen Gasanalytik insbesondere im Bereich MIR-Spektroskopie (MIR: Mittleres InfraRot) völlig neue Möglichkeiten. Fast alle Prozessgase, die in der chemischen Industrie von Bedeutung sind, besitzen im MIR-Bereich signifikante spektrale "Fingerabdrücke" mit denen sich die einzelnen Substanzen auch in sehr geringer Konzentration hochselektiv nachweisen lassen. Dies ist einerseits unter Sicherheitsaspekten sehr wichtig (z. B. Phosgennachweis bei der Polyurethanherstellung) und ermöglicht andererseits die Prozessoptimierung z. B. bei der Herstellung von Polyethylen, einem der weltweit gebräuchlichsten Kunststoffe. Weitere wichtige Anwendungsfelder sind die Spurengasanalyse im Bereich der Umweltanalytik und Lebensmittelanalytik und die Prozesskontrolle in der Pharmaindustrie.  

Oberflächenmesstechnik

Im Maschinenbau kommt den Bauteiloberflächen oft eine besondere Funktion zu. So entscheidet z. B. die Oberfläche eines Zylinders im Verbrennungsmotor über die Lebensdauer und den Ölverbrauch des Motors.

Ausgedehnte aber für das Auge kaum zu erkennende Vertiefungen in Stahlblechen werden erst sichtbar, wenn die Bauteile bereits lackiert sind. Dies führt zu teurem Ausschuss im Karosseriebau. Auch in der Halbleiterfertigung müssen Oberflächeneigenschaften schnell, hochgenau und zuverlässig erfasst werden.
Ziel der Forschungsarbeiten in diesem Bereich ist einerseits die Standardisierung von Messverfahren und andererseits die Erforschung neuer Messprinzipien.

Hybridmessverfahren

Neben den rein optischen Messverfahren eröffnen so genannte Hybridmessverfahren insbesondere im Bereich der Biotechnologie neue Möglichkeiten für die Überwachung von Produktionsprozessen, die Umweltanalytik, die Gesundheitsvorsorge und die Lebensmittelkontrolle. Hierbei werden z. B. "biologische Sonden" wie Antikörper als Messwertaufnehmer verwendet. Das Andocken der Zielsubstanz kann zuverlässig optisch detektitert werden, das optische Verfahren wird nicht direkt zur Messwertaufnahme verwendet. Durch die Kombination von "biologischer" und optischer Sensorik entstehen sehr leistungsfähige Messsysteme für die Detektion und Analyse von organischen Substanzen und Mikroorganismen. Damit lassen sich z. B. ohne  aufwändige Probenpräparation Viren und Bakterien in der Luft, im Wasser oder in Lebensmitteln detektieren. Mit diesen innovativen Messsystemen lässt sich z. B. die Umgebungsluft in Flughäfen oder Bahnhöfen ständig überwachen. Grippeviren könnten so z.B. frühzeitig detektiert und die Ausbreitung von Epedemien oder Pandemien schon im Ansatz verhindert werden.