Smarte Entwicklungspartnerschaft für smarte Technologien

SmartFilter – Intelligentes Mikrosystem zur Filterüberwachung

Smarte elektronische Systeme entwickeln, das hat sich der Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister Turck duotec auf die Fahnen geschrieben. Innerhalb der Turck duotec und im Verbund mit der EDC Electronic Design Chemnitz entstand ein Entwicklungscluster, das kundenspezifisch forscht und entwickelt.
Jüngstes Beispiel für die gemeinsame Kompetenz ist das Projekt "SmartFilter", in dem ein intelligentes Mikrosystem zur Filterüberwachung entstand.

Turck duotec & EDC Electronic Design Chemnitz

Turck duotec hat neben verschiedenen Entwicklungs- und Fertigungsstandorten eine strategische Entwicklungsabteilung auf dem Campus der TU-Chemnitz, im Firmengebäude der EDC Electronic Design Chemnitz.
"Wir haben in den letzten Jahren eine standortübergreifende Entwicklungskompetenz aufgebaut, die sich eigenständig und im Verbund mit der EDC Electronic Design Chemnitz mit der intelligenten und energieeffizienten Leistungselektronik, der Sensorik sowie der modernen Aufbau- und Verbindungstechnologie beschäftigt", erklärt Christian Seliger, Entwicklungsleiter am Standort Beierfeld von Turck duotec.
"Mit unseren Spezialisten, einem agilen Projektmanagement und modernsten technischen Systemen begegnen wir den individuellen Herausforderungen der unterschiedlichsten Kunden", unterstreicht Seliger. "Von der Idee bis zur Serienreife und darüber hinaus erhalten unsere Kunden alles aus einer Hand".

Das erfordert neben der Produkt-, Betriebsmittel- und Prozessentwicklung ein leistungsfähiges Labor, einen Musterbau sowie eine bedarfsorientierte Serienfertigung. Turck duotec und EDC ergänzen sich in der Entwicklung sowohl im KnowHow, als auch in der Kapazität. Für Beide gleichermaßen bedeutend ist die angewandte Forschung und das strategische Technologie- und Innovationsmanagement.

Verbundprojekt "SmartFilter"

Unter diese Prämisse stellten die Partner auch das Entwicklungsprojekt "SmartFilter – Intelligentes Mikrosystem zur Filterüberwachung". Dabei handelt es sich um ein Verbundprojekt, das im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Förderprogramm KMU-innovativ - Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) gefördert und durch den VDI/VDE Innovation + Technik aktiv begleitet wurde.

Unter der Leitung von EDC Electronic Design Chemnitz entwickelten Turck duotec in Grünhain-Beierfeld und die X-FAB Semiconductor Foundries aus Erfurt gemeinsam. Unterstützt wurden sie dabei durch die Forschungsleistungen der Professur Elektronische Bauelemente der Mikro- und Nanotechnik der TU Chemnitz. Die Systementwicklung – Systementwurf, System- und IC-Design sowie die Charakterisierung übernahm dabei EDC. Die Prozessentwicklung für die AVT kam von Turck duotec:
"Wir haben mögliche Technologien der AVT resp. des Packagings des Sensor-RFID-Moduls analysiert, Alternativen evaluiert und schließlich die bevorzugte Variante ausgewählt", schildert Seliger. Ebenfalls aus dem Hause Turck duotec kam der Systemaufbau und die Untersuchungen zur Funkschnittstelle. Der dritte Partner im Bunde, die X-FAB, erarbeitete die Halbleitertechnologie.

Das Ziel: Die Entwicklung eines Mikrosystems

Entwicklung eines Mikrosystems, das basierend auf der Detektion und anschließenden Auswertung von Druckdifferenzen den Arbeitszustand industrieller Filter erfasst. "Damit wird ermöglicht, dass das Mikrosystem SmartFilter den Verschmutzungsgrad einer Filterpatrone in industriellen Absauganlagen detektiert", erklärt Seliger.

Durch die Umsetzung eines ganzheitlichen Entwicklungsansatzes ist es den Projektpartnern gelungen, ein intelligentes Filterüberwachungssystem zu konzipieren, das zahlreiche Innovationen vereint und in seiner Funktionalität und Komplexität einzigartig ist. Neben der Bestimmung des Verschmutzungsgrades einer Filterpatrone ermöglicht das SmartFilter-System die Identifikation des Filters und der Filterklasse. Das führt zu einer wesentlichen Verbesserung des Arbeitsschutzes, weil sowohl die erforderliche Filterwirkung als auch die Verwendung der für die Absauganlage geeigneten Filterpatrone durch das System sichergestellt werden.

Die Einsatzmöglichkeiten: Überwachung von Spezialfiltern

"Der smarte Filter wird zukünftig aktiv die einwandfreie Filterfunktion verschiedener Spezialfilter überwachen können", so Seliger. Der Einsatz in Filtersystemen von Operationssälen oder in Unterdruckanlagen die bei der Asbestsanierung benutzt werden, sind dabei laut Seliger nur zwei Beispiele aus dem breiten Spektrum möglicher Anwendungen. In allen Einsatzbereichen verbessert die im SmartFilter-System implementierte Temperaturmessung zusätzlich die Arbeitssicherheit und ermöglicht die aktive Brandüberwachung in der Filterpatrone.

Der Aufbau: Technische Details

Im technischen Aufbau verfügt das Mikrosystem über eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung. Diese – mittels RFID-Schnittstelle realisierte Systeminnovation – reduziert den Wartungsaufwand für die industriellen Filteranlagen signifikant, da das kabellose Gesamtsystem einen schnellen Wechsel der Filterpatrone und damit eine kurze Stillstandzeit der Anlage ermöglicht.
Für den Aufbau des Systems haben die Entwicklungspartner moderne Prozess- und Aufbautechnologien zusammengeführt. Durch diese Kombination konnten die Partner im Rahmen des Projektes eine monolithische Integration von Sensorelement, Auswerteelektronik und RFID-Schnittstelle umsetzen. Diese Systembestandteile wurden in hoher Funktionsdichte auf einem Mikrochip platzsparend vereint und sind zukünftig in der 350nm CMOS-Technologie in großen Stückzahlen fertigbar.

Patent und Förderung

Die im Rahmen des Projektes vollzogene Entwicklung haben die Beteiligten aufgrund ihres Neuheitswertes bei der Filterüberwachung als Patent angemeldet. Das Patent für ein Monolithisches Mikrosystem für einen lösbaren Filtereinsatz in einer Filtereinrichtung zur überwachten Reinigung von Medien wurde im Mai vergangenen Jahres vom Deutschen Patent- und Markenamt erteilt. Basierend auf den bestehenden Schutzrechten für die Entwicklung und dem vorliegenden, funktionsfähigen Demonstrator sind die Projektpartner derzeit dabei, das Gesamtsystem in ein serienreifes Produkt zu überführen.

Die Förderung des Verbundvorhabens SmartFilter durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) betrug in der Projektlaufzeit vom 1. September 2010 bis 28. Februar 2014 rund 560.000 Euro. Mehr als 480.000 Euro wurden von den kooperierenden Unternehmen zusätzlich in das Entwicklungsvorhaben investiert.

Der vollständige Artikel ist im August 2014 in der Markt&Technik P&D3 2014 erschienen.

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