Die Highlights der Research & Technology

Hannover Messe 2015 – Vorbericht für die Leitmesse Research & Technology: Ein zwölfbeiniger Laufroboter namens Road Runner, ein Schiffsanstrich nach dem Vorbild der Haifischhaut und eine Drohne zur Fehlererkennung von Photovoltaikanlagen – die diesjährige Leitmesse Research & Technology hat viel zu bieten. In Halle 2 zeigen die Aussteller, wie sich Wissenschaft und Wirtschaft miteinander verzahnen lassen – und wie unser Leben in einigen Jahren vielleicht aussehen könnte.

Wer Anfang der 80er Jahre Kind war, hat vermutlich keine einzige Folge der Kultzeichentrickserie Captain Future verpasst: Der gleichnamige Held und seine Freunde ziehen im Kampf gegen das Böse mit ihrem Raumschiff durch das Weltall und bestehen mit Mut und Intelligenz ein Abenteuer nach dem anderen. Selbstverständlich nutzen die Freunde in einer Folge auch eine Zeitmaschine und pendeln mal eben ein paar Milliarden Jahre zwischen Vergangenheit und Zukunft. Als erwachsener Mensch ist das Mitfiebern beim Flug in die Vergangenheit und Zukunft nicht mehr ganz so einfach. Und weil leider (noch) keine Zeitmaschinen existieren, sollte man für einen Ausflug in die Zukunft diejenigen Mittel nutzen, die es gibt. Die kleine, aber feine Leitmesse Research & Technology der Hannover Messe bietet in Halle 2 eine solche Gelegenheit.

Welt der Minipartikel

Beispielsweise wenn es darum geht, in die Welt der Nanotechnologie vorzustoßen. Nanopartikel schützen seit einigen Jahren nicht nur in Sonnencremes, sie ersetzten als keramische Nanobeschichtungen toxisches Chrom und Nickel und bieten so Schutz vor Korrosion. Und Hersteller von Windkraftanlagen können die immer größer werdenden Rotoren dank Kohlenstoffnanoröhrchen besonders stabil und dennoch leicht bauen. Auch bei der einfachen Trinkwasseraufbereitung spielen nanoporöse Filter eine Rolle. Besucher, die sich einen Überblick über die aktuellen Einsatzmöglichkeiten in der Industrie verschaffen und zugleich erfahren möchten, an welchen Trends und Visionen die Forschungslabore tüfteln, sollten einen Blick auf den Stand World of Nano, der sich direkt neben dem VDI-Stand befinden wird, werfen. Die Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen beschäftigen sich unter anderem mit ultradünnen Schichten, Lithographie/Elektronik, der ultrapräzisen Bearbeitung von Oberflächen, der Vermessung und Analyse von Nanostrukturen, Nanomaterialien und molekulare Architekturen und der Nanobiotechnologie.

Da muss ich hin

Night of Innovations

• Am Messe-Montagabend findet von 17:15 bis 23:00 Uhr in Halle 2 traditionell die Night of Innovations statt.
• Die Aussteller der Research & Technology verzaubern die Zuschauer mit inspirierenden Shows und originellen Live-Präsentationen aus Forschung und Technik. In der Diskussion wird es dieses Jahr um industrielle Lösungsansätze für die Zukunftsstadt gehen.
• Daneben bietet die Night of Innovations die Gelegenheit, bei Musik, Snacks und Getränken mit Spitzenvertretern aus Wissenschaft, Industrie und Politik ins Gespräch zu kommen.

Composites meet Automation

• Am Messe-Donnerstag findet um 17 Uhr in Halle 14, am Stand L17, eine Gesprächsplattform rund um die Automatisierung im Composites-Leichtbau statt. Das Thema lautet: Integrative Produktionstechnik – Chance für die deutsche Composites-Industrie?!Ingenieure, Wissenschaftler und Praktiker aus den Bereichen Composites, Automation und Forschung diskutieren damit im dritten Jahr die aktuellen Herausforderungen und zukünftigen Perspektiven der Composite-Fertigung.

Ingenieurbüro der Natur

Ein anderes großes Thema der diesjährigen Research & Technology ist die Bionik, die sich mit dem Übertragen von Phänomenen der Natur auf die Technik beschäftigt. Premiere feiert in diesem Bereich der Flugzeughersteller Airbus, Stand A01, der das erste Mal mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt Bionik und Additive Fertigung dabei sein wird. Interessierte können sich hier über Forschung zu bionischer Bauteilentwicklung informieren. Mit einem konkreten Praxisprojekt hat sich der Studiengang Bionik der Hochschule Bremen, Stand A01, in Kooperation mit dem Unternehmen Imare und dem Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung (Bremerhaven) befasst und nach neuen Ansätzen zur bionischen Gewichts- und Strukturoptimierung bei der Fahrzeugkonstruktion geforscht. Ausgangspunkt war eine Kugelkopfanhängerkupplung. Dabei bestand die Herausforderung darin, unter Einhalten der geltenden Normvorgaben eine Gewichtsreduktion zu erreichen. Die Vorteile: Je weniger ein Fahrzeug wiegt, desto weniger Treibstoff benötigt es und desto weniger CO2 stößt es aus. Nach dem Vorbild der Materialanlagerung beim Knochenwachstum haben die Forscher Material reduziert, ohne Stabilität und Funktionalität einzubüßen. In einem weiteren Schritt optimierten sie die Querschnitte der Hauptstreben nach dem Vorbild von Kieselalgenskeletten. Dadurch erreichten sie eine Gewichtseinsparung von 74,2 Prozent (von 5,1 kg auf 1,3 kg). So sind zwei Kugelarmbögen entstanden, die über Querstreben miteinander verbunden sind. Zusätzlich ergab sich erstmals die Möglichkeit zur Befestigung eines Abschleppseils, was bisherige Anhängerkupplungen nicht ermöglichen.

Anstrich nach Haifischhaut

In Hannover stellen die Bremer aber noch mehr aus: Am Bionik-Innovations-Centrum B-I-C der Hochschule Bremen ist es gelungen, einen bionisch konzipierten, umweltfreundlichen Schutzanstrich zu entwickeln, dessen biologisches Vorbild die Haihaut ist. Ihr Aufbau wurde abstrahiert und daraus eine Streichfarbe entwickelt, die im Sportbootbereich einsetzbar ist.
Ein neues, von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördertes, Forschungsprojekt soll nun die Anwendbarkeit im großen Maßstab, beispielsweise bei Containerschiffen, prüfen und umsetzen. Labortestverfahren prüfen die Umweltweltverträglichkeit der Testrezepturen. Die mechanische Stabilität und Abriebfestigkeit der Lacksysteme im Langzeiteinsatz wird in einem Dauerrotationstest nach ASTM-Norm D 4939-89 erprobt sowie in der direkten Anwendung an den Handelsschiffen. Mit dabei ist auch der zwölfbeinige, mechanische Laufroboter namens Road Runner, der nach dem Theo-Jansen-Prinzip läuft. Analog zu vielen biologischen Systemen sind hier mehrere Gelenkelemente physikalisch gekoppelt. Dadurch reichen zwei Motoren zur Kontrolle des Bewegungsablaufs aus.
Wer seinen eigenen Bauteilen eine bessere Stabilität verpassen möchte oder Inspiration nach dem Vorbild der Natur sucht, sollte am Bionik-Stand A01 das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) aufsuchen. Die dort entwickelte Zugdreiecksmethode ermöglicht ohne aufwendige Computeranalysen eine Steigerung der Lebensdauer technischer Bauteile durch Kerbformoptimierung. Das KIT erleichtert und erweitert den Einsatz dieser Methode nun mittels Verformungsbildern, die an einfachen Belastungsversuchen an elastischen Proben ermittelt werden.

Adaptronik – Zusammenschluss mehrerer Gebiete

Richtig spannend wird es auf dem Themenstand der Querschnittstechnologie Adaptronik. Die Fraunhofer Allianz Adaptronik, ein Zusammenschluss verschiedener Fraunhofer-Institute zeigt am Stand C22 beispielsweise Exponate zu Smart Materials. Dabei handelt es sich um intelligente Werkstoffe, die auf elektrisch und magnetisch schaltbaren Materialeigenschaften beruhen und Funktionsverdichtungen ermöglichen. Hochelastische dielektrische Drucksensoren und hochempfindliche piezoelektrische Dünnschichtsensoren in Kombination mit steuerbaren magnetorheologischen Elastomeren können als haptische Elemente in Bauteile integriert werden. Ebenfalls zu sehen: sensorische Unterlegscheibensysteme, die hauptsächlich als Mess- und Sicherheitssystem in Schraubverbindungen dienen, und mit denen sich die Lastverteilung in der Schraubverbindung messen lässt. Für Besucher, die ihr Augenmerk auf Industrie 4.0 richten, dürften auch die Sensormodule für die zukünftige flexible und ressourceneffiziente Produktion interessant sein. Solche Sensorsysteme lassen sich auch direkt auf Maschinenelementen aufbringen. In der Fertigung messen sie die kritischen Prozessgrößen wie Druck und Temperatur in direktem Kontakt mit dem zu fertigendem Werkstück.

Sicherheit von Industrie 4.0

Der Cyberkriminalität Paroli bieten: Am Institut für Theoretische Informatik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Spezialisten eine Lösung für die Kombination von Firewalls entwickelt, die auch dann noch sicher ist, wenn eine einzelne Firewall von einem Angreifer kontrolliert wird. Interessierte können das Konzept auf dem TU9-Stand erleben. Bild: Martin Breig/KIT

Wobei wir beim Thema wären: Industrie 4.0 ist seit vier Jahren eines der Schlagworte auf der Hannover Messe. Für Fachleute hängt die Entwicklung von Industrie 4.0 jedoch vor allem an der Frage der Sicherheit. „IT-Sicherheit ist ein erfolgskritischer Faktor für praxisorientierte und umfassende Industrie-4.0-Lösungen“, bestätigt Dr. Olaf Sauer vom Geschäftsfeld Automatisierung am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe. Es geht also darum, Wissen vor Cyber-Kriminalität zu schützen, Produktionsnetzwerke sicher zu gestalten und vertrauenswürdige Verbindungen mit anderen Unternehmensteilen sowie der Außenwelt herzustellen.

Wie die künftige Automatisierungsarchitektur angesichts dieser Sicherheitsgesichtspunkte aussehen wird, ist bis jetzt noch nicht klar. Das Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) stellt am Stand C16 das Verbundprojekt SecurePlugandWork vor. Das Ziel des Verbundprojekts, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreut wird: Produktionsnahe Softwarekomponenten sollen sich über alle Ebenen der Automatisierungsarchitektur hinweg unter Nutzung offener Standards, wie beispielsweise AutomationML und OPC UA, selbst konfigurieren. AutomationML ist eine offene XML-basierte Normenreihe (IEC 62714) zur Beschreibung und Modellierung von Produktionsanlagen und -komponenten. Die Vision, die dahinter steckt, ist ein verbesserter durchgängiger Datenaustausch zwischen verschiedenen IT-Tools bei Anlagenherstellern und -betreibern, der Produktionsumstellungen und -inbetriebnahmen deutlich erleichtert.

TU9-Gemeinschaftsstand

Um IT-Sicherheit und Industrie 4.0, aber auch um Medizintechnik und Elektromobilität geht es am Gemeinschaftsstand C40 von Deutschlands führenden technischen Universitäten, der TU9-Allianz.  Diese Allianz umfasst: RWTH Aachen University, TU Berlin, TU Braunschweig, TU Darmstadt, TU Dresden, Leibniz Universität Hannover, Karlsruher Institut für Technologie, TU München, und die Universität Stuttgart. Dabei bringt das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen das elektrisch angetriebene Lieferfahrzeug namens Deliver mit.

Nutzfahrzeugmodell für innerstädtische Anwendungen mit einer Reichweite von 100 km: Am Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University haben die Forscher unter Beteiligung von europäischen Partnern ein leichtes Nutzfahrzeug mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 2200 kg und einer maximalen Zuladung von 700 kg entwickelt. Bild: ika/RWTH Aachen University

Ziel des im November 2011 gestarteten europäischen Verbundprojekts war es, ein Konzept für ein elektrisch betriebenes Lieferfahrzeug für den innerstädtischen Lieferverkehr zu entwickeln, mit dem sich die Umweltbelastung in Städten um 40 Prozent senken lässt.
Das Projektergebnis ist ein leichtes Nutzfahrzeug mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 2200 kg und einer maximalen Zuladung von 700 kg, und 18 Prozent zusätzlicher Ladekapazität verglichen mit heutigen Lieferfahrzeugen gleichen Radstands. Zum Einsatz kommen aktuellste Technologien, wie beispielsweise ein vollelektrischer Antrieb mit als permanenterregten Synchronmaschinen ausgeführten Radnabenmotoren, die über ein zweistufiges Getriebe verfügen, sowie einer Hochvoltbatterie aus 80 prismatischen Li-NMC-Zellen, welche die Energieeffizienz und Reichweite erhöhen.
Dank seiner ergonomischen Fahrerkabine ohne B-Säule lassen sich die Arbeitsbelastung und auch die Lieferzeit deutlich reduzieren: Der Fahrer kann auf beiden Seiten einfach ein- und aussteigen, was Laufwege reduziert und die Sicherheit verbessert. Das Türkonzept ohne Seitenschweller reduziert zusätzliche Behinderungen beim Einsteigen. Mit einer Mindestreichweite von 100 km und einer Höchstgeschwindigkeit von 100 km/h fungiert das Fahrzeug als attraktives Nutzfahrzeugmodell für innerstädtische Anwendungen wie beispielsweise Zustelldienste, Supermärkte oder städtische Versorgungsbetriebe.

Der ökonomische Gang unter der Lupe

Mithilfe der Orthoprothese Pako (Powered Ankle Knee Orthoprosthesis) wollen die Forscher vom Lauflabor der TU Darmstadt untersuchen, was den Gang ökonomischer macht. Bild: Katrin Binner / TU Darmstadt

Am Lauflabor der TU Darmstadt berechnet und verwirklicht das Team Versuchsplattformen, mit denen der natürliche Gang bestmöglich simuliert werden kann. Dazu entwickelt es Prototypen, die zunächst für gesunde Menschen gebaut werden, um dort die Bewegungsmodelle direkt implementieren zu können.
Das Exponat Pako (Powered Ankle Knee Orthoprosthesis), Stand C40, ist der Prototyp einer Orthoprothese, also einer Kombination aus einer Orthese (Bewegungen stabilisierend und führend) und einer Prothese (Bewegungen übernehmend), die den gesunden Fuß umfasst und ersetzt. Die Forscher wollen damit  untersuchen, was den Gang ökonomischer macht. Durch Modelle abgeleitete Konzepte sollen im Hardwareversuch auf ihre Funktionalität geprüft werden. Dabei tritt Technik an die Stelle der biologischen Strukturen: Ein Motor ersetzt die Wadenmuskulatur, und Federn treten an die Stelle von Sehnen und Bändern.

Der Cyberkriminalität Paroli bieten

Keine Firewall kann den perfekten Schutz bieten. Und auch eine Reihenschaltung, also mehrere Firewalls hintereinander, hilft nur gegen einfache Sicherheitslücken. Am Institut für Theoretische Informatik des KIT wurde eine Lösung für die Kombination von Firewalls entwickelt, die auch dann noch sicher ist, wenn eine einzelne Firewall von einem Angreifer kontrolliert wird. Dies geschieht über einen speziellen Hardwarebaustein, der eine Parallelschaltung von Firewalls ermöglicht. Dabei ist der Hardwarebaustein in seiner Funktionalität wesentlich einfacher als eine Firewall. Dass das Karlsruher Konzept sicher ist, wurde per Universal-Composability-Sicherheitsmodell bewiesen: Dazu wurde ein ideales, fehlerfrei funktionierendes Netzwerk nach dem KIT-Konzept mit einem realen Netzwerk verglichen. Weil das ideale und das reale Netzwerk von außen nicht mehr zu unterscheiden waren, ist die Sicherheit bewiesen. Auf dem TU9-Stand C40 können Besucher das Firewall-Konzept anhand eines Simulators greifbar erleben.

Drohne für PV-Anlagen

Fehlerquellen in Photovoltaikanlagen, wie fehlerhafte Zellen, interne Anschlussfehler und nicht angeschlossene Module, könnten künftig schnell erkannt und ausgemerzt werden: So hat das Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung (BiFAM) für diesen Zwecke eine Drohne zur automatischen Thermografie für die Fehlererkennung bei Photovoltaikanlagen entwickelt. Den Oktocopter mit Thermographie-Kamera finden Interessierte auf dem Gemeinschaftsstand B30 des Innovationslandes NRW.

Das Bielefelder Institut für angewandte Materialforschung (BiFAM) zeigt in Hannover auf dem Gemeinschaftsstand Innovationsland NRW eine Drohne zur automatischen Thermografie für die Fehlererkennung bei Photovoltaikanlagen. Bild: Bielefelder Institut für AngewandteMaterialforschung (BIfAM)

Einem nützlichen kleinen Assistenzsystem namens Fifi können Interessierte am Stand B16 begegnen: Er schleppt Wasserkästen und hilft bei anderen intralogistischen Aufgaben. Das fahrerlose Transportsystem erfasst seine Umgebung mit einer 3D-Kamera, erkennt dadurch entsprechende Gesten und kann so Befehle ausführen. Das Winken mit dem rechten Arm ist das Signal für die Anmeldung einer Person. Sobald dies geschieht, wechselt der Roboter in den Folgemodus. Den Helfer gibt es bisher in zwei Varianten: Das kleine Fahrzeug, das Andreas Trenkle und sein Team vom Institut für Fördertechnik und Logistiksysteme am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt hat, ermöglicht den Transport von Lasten bis 30 Kilogramm und hat eine Grundfläche von 50 mal 50 Zentimetern.

Das größere Gefährt wurde vom Industriepartner des KIT, Bär Automation, entwickelt und kann Lasten bis 300 Kilogramm befördern und einen Wagen ziehen. Damit der Mensch nicht immer auf seinen kleinen Helfer achten muss, sind die Roboter mit einigen Sicherheitsfunktionen ausgestattet. So ist zur Vermeidung von Kollisionen mit Personen oder Objekten ein Sicherheitslaserscanner installiert, dessen Schutzbereich sich dynamisch an die Geschwindigkeit des Gefährts anpasst. Sollten Menschen oder Gegenstände in das Feld eintauchen, hält Fifi sofort an.
Bleibt zum Schluss nur noch zu sagen: Schade, dass man Fifi für den Messebesuch nicht mieten kann. Ein Helfer, der einem die Prospekte schleppt, wäre doch mal eine wirklich gute Sache.

Das Assistenzsystem Fifi schleppt Wasserkästen und andere lästige Dinge. Bild: IFL, KIT

Autorin: Angela Unger, Redaktion