Mit Licht messen: Neue Standards in Sicht! - Messen Kontrollieren Optimieren
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FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHYSIKALISCHE MESSTECHNIK IPM
MESSEN · KONTROLLIEREN · OPTIMIEREN
Jahresbericht 2020/2021
Mit Licht messen:
Neue Standards in Sicht!
2020/2021
Messen · Kontrollieren · Optimieren
FRAUNHOFER IPM
MESSEN · KONTROLLIEREN · OPTIMIEREN
EDITORIAL
Koordinaten und Distanzen
mit Licht messen:
Neue Standards in Sicht!
UNSERE GESCHÄFTSFELDER
Sehr geehrte Kundinnen und Kunden, Highlights: minimierter Herbizid-Einsatz, Multikompo-
sehr geehrte Partnerinnen und Partner, nenten-Analytik und Rekorde brechende Magnetokalorik
PRODUKTIONSKONTROLLE
um Längen, Distanzen und Dimensionen zu erfassen, hat der Optisches Messen auf großen Längenskalen, mit hoher
Mensch immer ausgefeiltere Werkzeuge hervorgebracht – Genauigkeit und atemberaubender Geschwindigkeit er-
OBJEKT- UND FORMERFASSUNG vom einfachen Zollstock, im Badischen einfach »Meter«, über setzt mehr und mehr das klassische Vermessen im Bereich
Mikrometerschrauben bis zu taktil arbeitenden Messköpfen: Infrastrukturerfassung und -monitoring. Unsere Kameras
Moderne taktile Koordinatenmessmaschinen erfassen die erfassen von Zügen aus die Vegetation im Gleisbett, und
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE Struktur komplexer 3D-Bauteile auf den Tausendstel Millimeter zwar so schnell und genau, dass Herbizide punktgenau und
genau. Optische Messungen, im einfachsten Fall das mensch- nicht mehr per Gießkanne eingesetzt werden (S. 44)!
liche Auge, galten lange lediglich als Schätzeisen und haben
THERMISCHE ENERGIEWANDLER daher kaum Eingang in Normen und Standards gefunden. Auch für die Gas- und Materialanalytik haben wir un-
sere optischen Werkzeuge erfolgreich weiterentwickelt:
Licht misst schnell, genau und berührungslos Exemplarisch stellen wir hier die Breitbandspektroskopie
mit Frequenzkämmen vor (S. 56). Ein Durchbruch gelang
Lasertechnologie – insbesondere unter Nutzung der zeitlichen beim Betrieb magnetokalorischer Wärmepumpen mit
Kohärenz – und dramatische Fortschritte bei Kameras und 10 Hz Zyklusfrequenz, den wir im Nature-Journal »Com-
Datenverarbeitung ermöglichen immer höhere Genauigkeiten munications Physics« veröffentlichten konnten (S. 64).
des »Photonischen Meters« und laufen taktilen Verfahren zu-
nehmend den Rang ab: Mit Licht lässt sich genauer, deutlich Unsere Innovationsstärke ist ein guter Grund, um auch in
schneller und zudem berührungslos messen. Zeiten der Pandemie in Kontakt zu bleiben. Die Veranstal-
tungsreihe »Online-Forum« startete im Dezember mit fast
Optische Koordinatenmessmaschine 50 Teilnehmenden sehr erfolgreich – an den Folgeveranstal-
tungen nahmen regelmäßig über 100 Interessierte teil. Um
Bei der Koordinatenmesstechnik setzen wir auf die digitale den Dialog mit Stakeholdern aufrecht zu erhalten, haben
Holographie, die entscheidende Mehrwerte im Vergleich zu wir unsere Präsenz in den Sozialen Medien verstärkt.
taktilen Verfahren bietet: Die Schnelligkeit ermöglicht eine
100-%-Kontrolle im Produktionstakt. Das Titelbild zeigt einen Doch ganz gleich, ob Sie über die klassischen oder über
digital-holographischen Sensor für die Werkzeugmaschine. neue Wege mit uns Kontakt aufnehmen: Schauen Sie rein
Bei Werkzeugverschleiß kann aktiv nachgeregelt werden. So – wir freuen uns immer, von Ihnen zu hören! Viel Freude
sichern wir Qualität und minimieren Ausschuss. In unserem beim Stöbern und Entdecken in unserem Jahresbericht
Neubau betreiben wir eine der präzisesten taktilen Koordina- wünscht Ihnen
Bleiben Sie auf dem Laufenden! tenmessmaschinen der Republik. Sie dient uns als Referenz
Mit unserem Newsletter erhalten Sie regelmäßig Informa- für ein optisches Koordinatenmessgerät, das wir im Projekt Ihr
tionen zu aktuellen Projekten und Veranstaltungen: »MIAME – Mikrometer auf Meter: Laserlicht für sub-Mikrome-
www.ipm.fraunhofer.de/info ter-genaue 3D-Messungen auf Meterskalen« entwickeln (S. 33). Prof. Dr. Karsten Buse, Institutsleiter
2 3
16 22 29 44 56 61
3 EDITORIAL 46 G A S - U N D P ROZ ESS T EC H N O LO G I E
I N H A LT
6 ORGANISATION 48 INTEGRIERTE SENSORSYSTEME
8 DAS INSTITUT IN ZAHLEN 50 SPEKTROSKOPIE UND PROZESSANALYTIK
10 PROFESSUREN | KURATORIUM 52 THERMISCHE MESSTECHNIK UND SYSTEME
12 TECHNISCHE AUSSTATTUNG 54 NICHTLINEARE OPTIK UND QUANTENSENSORIK
13 GROSSPROJEKTE – Im Fokus: QUANTENPROJEKTE 56 Im Fokus: SPURENGASANALYSE MIT FREQUENZKÄMMEN
16 MAGAZIN
24 KUNDENINTERVIEW 58 T H E R M I S C H E E N E R G I E WA N D L E R
60 THERMOELEKTRISCHE SYSTEME
26 P RO D U K T I O N S KO N T RO L L E 62 KALORISCHE SYSTEME
28 OPTISCHE OBERFLÄCHENANALYTIK 64 Im Fokus: MAGNETOKALORISCHE HEATPIPES
30 INLINE VISION SYSTEME
32 GEOMETRISCHE INLINE-MESSSYSTEME
66 MESSEN | VERANSTALTUNGEN
34 Im Fokus: MOBILE PARTIKELMESSTECHNIK
68 PUBLIKATIONEN
72 DOKTORARBEITEN | PATENTE
36 O B J E K T- U N D F O R M E R FA SSU N G
73 PARTNER | NETZWERKE
38 MOBILES TERRESTRISCHES SCANNING
74 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT
40 AIRBORNE- UND UNTERWASSER-SCANNING
76 IMPRESSUM
42 SMARTE DATENP ROZESSIERUNG UND -VISUALISIERUNG
44 Im Fokus: E FFIZIENTE VEGETATIONSKONTROLLE
4 5
O R G A N I S AT I O N
INSTITUTSLEITUNG PRODUKTIONSKONTROLLE Seite 26
Institutsleiter Stellv. Institutsleiter Abteilungsleiter Optische Inline Vision Geometrische
Prof. Dr. Karsten Buse Dr. Daniel Carl Dr. Daniel Carl Oberflächenanalytik Systeme Inline-Messsysteme
PD Dr.-Ing. Dr. Tobias Schmid-Schirling Dr. Alexander Bertz
Albrecht Brandenburg
REFERENTEN UND ÖFFENTLICHKEITSARBEIT OBJEKT- UND FORMERFASSUNG Seite 36
Leiter Kommuni- Forschung Organisations Abteilungsleiter Mobiles terrestrisches Airborne- und Unter- Smarte Daten-
kation und Medien Dr. Rosita Sowade entwicklung Prof. Dr. Alexander Reiterer Scanning wasser-Scanning prozessierung
Holger Kock Dr. Heinrich Stülpnagel Dr. Philipp von Olshausen Simon Stemmler und -visualisierung
Prof. Christoph Müller
VERWALTUNG UND IT GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE Seite 46
Verwaltungsleiter Verwaltung Informations- und Personal Abteilungsleiter Integrierte Spektroskopie und Thermische Mess Nichtlineare Optik
Wolfgang Oesterling Sabine Gabele Telekommunikations- Anneliese Zwölfer Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein Sensorsysteme Prozessanalytik technik und Systeme und Quantensensorik
technik Dr. Marie-Luise Bauersfeld Dr. Raimund Brunner Martin Jägle PD Dr. Frank Kühnemann
Gerd Kühner
TECHNISCHE DIENSTE THERMISCHE ENERGIEWANDLER Seite 58
Technischer Leiter Mechanik Gebäude und Technik Abteilungsleiter Kalorische Systeme Thermoelektrische
Clemens Faller und Konstruktion Clemens Faller Dr. Olaf Schäfer-Welsen Dr. Kilian Bartholomé Systeme
Thomas Hinrichs Dr. Olaf Schäfer-Welsen
6 7
DAS INSTITUT IN ZAHLEN
Betriebshaushalt in Mio. Euro
WACHSTUM TROTZ PANDEMIE UND UMZUG
22
21
20
21,2 Mio. Auch unter den erschwerten Bedingungen der Pandemie haben wir 2020 strategische sowie organisatori-
sche Weichen gestellt, zahlreiche Forschungsprojekte erfolgreich realisiert und Forschungsmittel eingewor-
Betriebshaushalt
19 ben. Der Umzug in unser neues Gebäude von August bis Oktober lief trotz der Umstände reibungslos.
18
17
Das Jahr 2020 war außergewöhnlich: Bedingt durch Insgesamt konnten wir das Jahr 2020 trotz Pandemie
16
Bund / Länder die Pandemie sind Fachmessen zur Kundengewinnung und trotz des vollständigen Umzugs unseres Instituts
15
14 3,5 weggefallen und Industriepartner in wirtschaftliche mit gut sieben Prozent Wachstum im Betriebshaushalt
13 Schwierigkeiten geraten. Hinzu kamen strukturelle und einem positiven Jahresergebnis abschließen.
Industrie Sonstige / EU
12 7,3 0,3 Veränderungen ganzer Branchen, insbesondere der
11 Automobilindustrie. Durch digitale Präsenz und Nutzung Bei der Gewinnung hoch qualifizierter Nachwuchskräfte
10
9
8
2020 der bestehenden Kontakte konnten wir diese Heraus-
forderungen meistern, sodass sich unser Industrie
macht sich die immer engere und bessere Vernetzung mit
der Universität Freiburg und auch der Hochschule Furt-
7 ertrag in der Summe kaum verändert hat. Der höhere wangen positiv bemerkbar. Die Zahl der Studierenden,
6 Grundfinanzierungsanteil ist teilweise auf den Umzug die bei uns mitarbeiten, – oft im Rahmen ihrer Master-
5 10,1 in den Neubau zurückzuführen; teilweise aber auch auf Abschlussarbeit – ist deutlich gewachsen. Dies zeigte sich
4 den außergewöhnlichen Erfolg des Instituts, im fraun- deutlich zum Ende des Jahres 2020, nachdem der Umzug
3 Grundfinanzierung
hoferinternen Wettbewerb Forschungsmittel für die vollzogen war und wir auf dem Campus der Universität
2
1 Umsetzung besonders innovativer Ideen einzuwerben. angekommen sind.
Son
Bun
2016 2017 2018 2019 2020
stige
Indu
d/L
Gru
Grundfinanzierung Industrie Bund / Länder Sonstige / EU
strie
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Wissenschaftlich
Wissenschaftlich
befr/entfrbefr/entfr nicht-Wissenschaftlich
nicht-Wissenschaftlich
Personal
246 Beschäftigte nach TVöD: Anteil befristeter/unbefristeter Verträge
entfr/befrentfr/befr Personal Perso
insg
Mitarbeitende
250
225
Studierende
200 befristet unbefristet befristet unbefristet
48 49,2 % 50,8 % 24,7% 75,3 %
175
150 Auszubildende
5
2020
t
2020 2020
esam
125 externe
20
100 Mitarbeitende
g
75
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50 173
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TVöD-Mitarbeitende
25
Pers
2016 2017 2018 2019 2020
wissenschaftlich nicht-wissenschaftlich
TVöD-Mitarbeitende Studierende Auszubildende externe Mitarbeitende
8 9
ch
PROFESSUREN K U R AT O R I U M
PROFESSUREN AN UNIVERSITÄTEN UND HOCHSCHULEN
Fraunhofer IPM ist mit drei Professuren und drei Privatdozenturen an der Universität Freiburg vertreten. Durch die enge Universitäts-
anbindung können wir in unserer Projektarbeit auf neueste Ergebnisse aus der Grundlagenforschung aufbauen. Seit 2019 kooperiert
das Institut im Rahmen des Fraunhofer-Hochschul-Kooperationsprogramms zudem mit der Hochschule Furtwangen.
ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITÄT FREIBURG
Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK
Professur für Optische Systeme Forschungsschwerpunkte Frequenzkämme »Im Strategie-Audit vor vier Jahren ging es hier viel um IT und
Prof. Dr. Karsten Buse
www.imtek.de/professuren/optische-systeme
nichtlinear-optische Materialien schnelles Durchstimmen von Digitalisierung. Es ist toll, dass jetzt die Erfolge zu sehen sind.«
optische Flüstergalerieresonatoren Laserfrequenzen
miniaturisierte Festkörperlaser integrierte Optik Prof. Dr. Andreas Nüchter
optische Frequenzkonverter (optisch-
parametrische Oszillatoren, OPOs)
Professur für Gassensoren Forschungsschwerpunkte Photoakustik
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein mikrostrukturierte Gassensoren katalytische Sensoren für brennbare
UNSER KURATORIUM
www.imtek.de/professuren/gassensoren mikrostrukturierte IR-Strahler für Gase
das MIR Systemintegration Ein hochkarätig besetztes Kuratorium berät und unterstützt uns bei der strategischen Ausrichtung und bei
Laserspektroskopie Weichenstellungen für die Zukunft. 2020 fand die Kuratoriumssitzung digital statt – inklusive Laborführungen.
kompakte optische Gasmesssysteme
Institut für Nachhaltige Technische Systeme – INATECH Vorsitzender Dr. Mathias Jonas Dr. Volker Nussbaumer
Dr. Manfred Jagiella Internationale Hydrographische Volkswagen AG, Group Charging
Professur für Monitoring von Forschungsschwerpunkte dabei Fokus auf die Verknüpfung Endress + Hauser Conducta GmbH & Organisation GmbH
Großstrukturen Inspektion und Überwachung von von Einflussparametern, verursa- Co. KG
Prof. Dr. Alexander Reiterer Objekten und Großstrukturen chenden Kräften und gemessenen Gerhard Kleinpeter Dr. Stefan Raible
www.inatech.de/alexander-reiterer Entwicklung und Implementierung Veränderungen Mitglieder BMW AG ScioSense Germany GmbH.
neuartiger Sensorkonzepte auf Basis Entwicklung und Umsetzung kom- Dr. Lutz Aschke
von Laserscannern und Kameras pletter Systemketten – von der Daten Carl Mahr GmbH & Co. KG Prof. Dr.-Ing. Katharina Klemt-Albert Prof. Dr. Michael Totzeck
Datenanalyse und -interpretation, akquisition bis zur Datenauswertung Leibniz Universität Hannover, Institut für Carl Zeiss AG
Hanna Böhme Baumanagement und Digitales Bauen
FWTM Freiburg Wirtschaft Touristik Prof. Dr. Ulrike Wallrabe
und Messe GmbH & Co. KG Claus Mayer Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,
HOCHSCHULE FURTWANGEN Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK
Stephanie Busse Wohnungsbau Baden-Württemberg
DB Netz AG
Fakultät Digitale Medien Prof. Dr. Andreas Nüchter
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Professur für Computergrafik Forschungsschwerpunkte Fotorealismus in der Echtzeit-
Prof. Christoph Müller Echtzeit 3D-Visualisierung in Computergrafik
www.hs-furtwangen.de/fakultaeten/digitale-medien Industrie und Medizin Software-Engineering in der
interaktive Visualisierungslösungen 3D-Computergrafik
in der Messtechnik synthetische Trainingsdaten für
KI-basierte Bildklassifikation
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GROSSPROJEKTE
UNSERE GRÖSSTEN FORSCHUNGSPROJEKTE IM JAHR 2020
Ein Röntgen-CT der neuesten Generation
Vierzehn Forschungsprojekte mit einem finanziellen Volumen von jeweils mehr als einer Million Euro für
ermöglicht den Blick ins Innere kleiner und Fraunhofer IPM haben unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über das Jahr 2020 bearbeitet. Die
großer Proben. So erhalten wir wertvolle
Informationen für die Entwicklung unserer Liste enthält nur Projekte, die von der Öffentlichen Hand oder der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert wurden.
Systeme.
TOXIG Farbwechsel-basierte Sensoren zur Detektion Elasto-Cool Elastokalorik: Entwicklung hocheffizienter
toxischer Gase Wärmepumpen ohne schädliche Kältemittel zum Heizen
INVESTIERT IN TECHNISCHE AUSSTATTUNG Laufzeit: 01.03.2017 – 31.12.2020 und Kühlen
Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (MAVO) Laufzeit: 01.08.2018 – 31.07.2021
Knapp fünf Millionen Euro hat das Institut im Jahr 2020 in neue Geräte und Maschinen investiert. Viele Förderung: BMBF / VDI/VDE Innovation und Technik GmbH
Anschaffungen wurden auf das Umzugsjahr verschoben, sodass die Summe weit überdurchschnittlich ausfiel. Freifall 100-Prozent Qualitätsprüfung für Halbzeuge durch
Geometrie- und Oberflächenanalyse im freien Fall ISLAS Intracavity-Laserspektroskopie für den hoch
Laufzeit: 01.04.2017 – 30.09.2020 empfindlichen Nachweis von Spurengasen
Koordinatenmessmaschine (Leitz Infinity 12.10.6) Präzisionssiebdruckmaschine (Thieme LAB 1000) Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (WISA) Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
Mit dem Gerät ist Fraunhofer IPM im Besitz einer der ge- Das System mit einem Druckformat von 400 mm × 400 mm mmmmm MM
Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (MAVO)
nauesten Koordinatenmessmaschinen weltweit. Das taktil ermöglicht das selektive Beschichten und funktionale Dru- MagMed Entwicklung einer kältemittelfreien und effizienten
arbeitende System ermöglicht u. a. Referenzmessungen zur cken, z. B. von gassensitiven Materialen. Eine automatische Kühltechnik (Systementwicklung und Messtechnik) QMag Entwicklung zweier komplementärer Quantenmagne-
digitalen Mehrwellenlängen-Holographie bei der topographi- Sieb- und Substratausrichtung sorgt für den positionsgenauen Laufzeit: 01.06.2017 – 31.05.2021 tometer, um kleinste Magnetfelder mit hoher Auflösung und
schen Oberflächenmessung und arbeitet mit Genauigkeiten Druck von Single- und Multilayerschichten mit einer mechani- Förderung: BMWi / Forschungszentrum Jülich GmbH hoher Empfindlichkeit bei Raumtemperatur zu messen
von bis zu E0: 0,3 + L/1000 in einem Messvolumen von schen Druckgenauigkeit von ±15 µm. Vorteile des Siebdrucks Laufzeit: 21.03.2019 – 31.03.2024
900 mm × 1200 mm × 700 mm. liegen in der Materialflexibilität, dem variablen und homoge- eHarsh Sensorsysteme für extrem raue Umgebungen Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (Leitprojekt)
nen Schichtaufbau sowie einer großen Substratvielfalt. Laufzeit: 01.07.2017 – 30.06.2021
3D-Computertomograph (Baker Hughes, v|tome|x m 300) Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (Leitprojekt) LaserBeat Hammerschlagtest mit Licht – berührungslose
Das 3D-CT analysiert zerstörungsfrei das Innere kleiner und Kalligraphischer Polaufbau zur Mikrostrukturierung und flächenhafte Inspektion von Tunneln auf Basis laser
größerer Proben. Das System ist in der Lage, Details bis in von Lithiumniobatkristallen (Eigenbau) Der kalligraphi- QUILT Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions induzierten Körperschalls
den sub-µm-Bereich darzustellen, aber auch röntgendichtere sche Polaufbau ermöglicht, Lithiumniobatkristalle mikromet- Laufzeit: 01.09.2017 – 30.11.2021 Laufzeit: 01.04.2019 – 31.03.2022
Proben zu durchstrahlen und zu analysieren. Es verfügt über ergenau zu strukturieren, indem eine elektrisch geladene Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (Leitprojekt) Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (WISA)
einen hoch performanten Detektor der neuesten Generati- Metallnadel einzelne Domänen seriell in das Material ein-
on. Streustrahlung kann soweit reduziert werden, dass auch schreibt. Damit lassen sich beliebige Polungsmuster schnell FluMEMS MEMS-basierte katalytisch-thermische Sensoren ElKaWe Elektrokalorische Wärmepumpe
geometrisch komplexe Proben klar dargestellt werden. Ein und effizient herstellen, was mit konventionellen Polungs- für Gase und Flüssigkeiten Laufzeit: 01.10.2019 – 30.09.2023
Soll-Ist-Vergleich gescannter Proben gegen Referenzen ist techniken nicht möglich ist. Das zugrundeliegende Verfahren Laufzeit: 01.04.2018 – 31.12.2021 Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (Leitprojekt)
ebenso möglich wie das Messen nach VDI 2630 1.3. In-situ- wurde gemeinsam mit der Professur für Optische Systeme an Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (MAVO)
Messungen ermöglichen, die Dynamik von Fluiden live zu der Universität Freiburg entwickelt. HochPerForm Hochkompakte, schnelle Aktorik auf Basis
zeigen. Damit liefert das System wertvolle Informationen für MultiVIS Fachhochschulkooperation mit der Hochschule von Formgedächtnislegierungen
die Systemsimulation. Inspektionssystem zur automatisierten Texturanalyse Furtwangen HFU Laufzeit: 01.10.2019 – 28.02.2023
(Eigenbau) Basierend auf Pixel-Shift-Technologie ermöglicht Laufzeit: 01.07.2018 – 31.12.2023 Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (PREPARE)
Halbautomatisches Kathodenzerstäubungssystem der »Tex-Messplatz« mikroskopische Auflösung bei makrosko- Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (Kooperationspro-
(Dreebit Co-Sputteranlage 145) Die Anlage beschichtet pischem Messfeld. Die Bilder mit einer Auflösung von 500 MP gramm Fachhochschulen) MIAME Mikrometer auf Meter: Laserlicht für sub-Mikro
starre und flexible Substrate mit bis zu 200 mm Durchmesser pro Bild werden auf der Grafikkarte ausgewertet. Verschiede- meter-genaue 3D-Messung auf Meterskalen
und einer Höhe von bis zu 10 mm. Sie ermöglicht die Erzeu- ne RGB-Beleuchtungsanordnungen ermöglichen realistische Laufzeit: 01.04.2020 – 31.03.2023
gung von Schichtdicken bis 2 µm. Neben dem Abscheiden Lichtverhältnisse. Die Bauteile werden mithilfe eines Roboters Förderung: Fraunhofer-Gesellschaft (PREPARE)
von Edelmetallen und Metalloxiden können präzise Metall automatisiert zugeführt. Wir nutzen den Messplatz für Textur-
legierungen und -komposite in Dünnschicht erzeugt werden. analysen großer Flächen und komplexer Objekte im Kunden-
Dies erlaubt auch eine stöchiometrische Abscheidung von auftrag ebenso wie für den Nachweis der Prüfmittelfähigkeit
Nitriden und Oxiden. unserer für die Industrie entwickelten Inspektionssysteme.
12 13
ABGESCHLOSSENE GROSSPROJEKTE IM FOKUS: QUANTEN-PROJEKTE
FREIFALL: OPTISCH PRÜFEN OHNE HANDLING QUILT: INFRAROTSPEKTROSKOPIE MIT SICHTBAREN PHOTONEN
ZIEL Entwicklung eines optischen Systems ERGEBNIS Im Rahmen des Projekts PERSPEKTIVE Mit Studien und ZIEL Anwendungsorientierte Messtechnik für Bildgebung und PERSPEKTIVE Im weiteren Verlauf des Projekts wird ein mobiler
zur 100-Prozent-Qualitätsprüfung von »Freifall« erarbeitete Fraunhofer IPM Pilotinstallationen wird die Einsatzfähigkeit Spektroskopie mit verschränkten Photonenpaaren und leistungsfähiger Demonstrator für die Gas-Spektroskopie
Bauteilen durch Geometrie- und Ober gemeinsam mit Fraunhofer IGD eine der Technologie im industriellen Umfeld entwickelt und realisiert, mit dessen Hilfe neue Anwendungsfelder
flächenanalyse im freien Fall Lösung zur automatisierten optischen validiert. Dazu arbeitet das Team an einer HINTERGRUND Verschränkte Photonenpaare erlauben es, erschlossen werden sollen.
100-Prozent-Kontrolle von Massenbau höheren Taktfrequenz und flexibleren Informationen über das infrarote Photon mithilfe seines sichtbaren
HINTERGRUND Die Qualitätskontrolle teilen. Dazu entwickelte das Team ein Einlernverfahren. Im Projekt GUmProDig, »Partners« zu detektieren. Das ermöglicht es, für die Infrarot-Spek-
von Massenbauteilen erfolgt heute häufig Freifall-Prüfsystem: Die zu prüfenden das im Mai 2021 gestartet ist, wird die troskopie und -Bildgebung kostengünstigere, schnellere und
noch per Sichtprüfung durch Menschen. Bauteile werden über ein Zuführsystem in Freifall-Prüftechnologie mit dem Track & deutlich rauschärmere Silizium-basierte Detektoren zu verwenden.
Für eine automatisierte optische Inspektion eine homogen ausgeleuchtete Hohlkugel Trace Fingerprint-Verfahren zur Bauteilrück- Im Projekt forschen insgesamt sechs Fraunhofer-Institute an
müssen die Bauteile gezielt orientiert befördert. Während das Teil die Prüfkugel verfolgung verknüpft. verschiedenen Anwendungsfeldern und Schlüsseltechnologien.
werden. Die dazu notwendige Handling- passiert, wird es von 24 Kameras von allen
Technik ist aufwändig und teuer. Eine auto- Seiten aufgenommen. Drei zusätzliche PROJEKTSTAND Das QUILT-Team bei Fraunhofer IPM demonst-
matisierte 100-Prozent-Kontrolle insbeson- Lagekameras geben Aufschluss über die rierte erstmalig ein Quanten-Spektrometer in Analogie zur
dere für Halbzeuge war daher bislang Orientierung. Im Rahmen der Bildauswer- Messtechnik eines Fourier-Transform-Infrarotspektrometers. Diese
selten rentabel. tung lassen sich Geometrieabweichungen Messmethode ermöglicht hochauflösende und sensitive Spektros-
detektieren. Hierfür wird die Kontur des kopie. Die Ergebnisse hierzu wurden in wissenschaftlichen
Verschränkte Photonenpaare machen Infrarotspektren mit Interferogram-
Bauteils aus vielen Perspektiven bestimmt Zeitschriften und auf internationalen Konferenzen präsentiert. men im Sichtbaren messbar.
und mit der Sollkontur verglichen. Bilder
von sechs Fluoreszenzkameras geben
zusätzlich Aufschluss über die Reinheit und
Beschichtung der Bauteiloberfläche mit
einer Genauigkeit von 0,01 g/m2. QMAG: HOCHGENAUE MESSUNG SCHWACHER MAGNETFELDER
ZIEL Realisierung neuer Applikationen für quantenoptische Resonanz (NMR) eingesetzt. Mit OPM konzentriert man sich dabei
Magnetfeldsensoren auf Signale bei sehr niedrigen Frequenzen, die auch Metallrohre
durchdringen können. Das Projektteam konnte demonstrieren, wie
HINTERGRUND Optisch gepumpte Magnetometer (OPM) sind sich dabei verschiedene Flüssigkeiten anhand von Signalen
TOXIG: SPÜRNASEN FÜR GIFTIGE GASE in ihrem Kern kleine Laserspektrometer, mit denen sich extrem unterscheiden lassen, die nur wenige Pikotesla (10 –12 T) stark sind.
schwache Magnetfelder detektieren lassen, wie sie z. B. von
ZIEL Detektion brennbarer Gase mithilfe HINTERGRUND Bei einem Feuer entstehen Hirnströmen erzeugt werden. Magnetfelder können die meisten PERSPEKTIVE In der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit wird es
von Farbumschlagsensoren Brandgase, bevor sich Rauch entwickelt. wurden die Sensoren in den Realbrandlabo- Materialien sehr gut durchdringen. In QMAG arbeiten Wissen- darum gehen, die erfolgreich demonstrierten Konzepte zu
Mithilfe von Brandgasmeldern lassen sich ren von Minimax und Hekatron. schaftlerinnen und Wissenschaftler daran, die OPM zur zerstö- Messverfahren weiterzuentwickeln. Parallel dazu sollen weitere
Brände früher erkennen und Leben retten. rungsfreien Werkstoffprüfung oder für den berührungslosen Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden. Um auch an
Kleine und kostengünstige Brandgasmelder PERSPEKTIVE Der im Projekt entwickelte »Blick« in Rohre für Durchflussmessungen einzusetzen. größeren Proben und Bauteilen Grundlagenuntersuchungen unter
sind bisher nicht am Markt verfügbar. Demonstrator hat am Beispiel Brandgase das kontrollierten magnetischen Umgebungsbedingungen durchführen
Potenzial des Farbumschlag-Messprinzips für PROJEKTSTAND In Zusammenarbeit mit Fraunhofer IWM wurde zu können, wird in einem Laborraum eine »magnetisch abge-
ERGEBNIS In Zusammenarbeit mit den sensitiven Gasnachweis gezeigt. Für den ein Aufbau realisiert, in dem Stahlproben mechanisch ermüdet und schirmte Kammer« installiert. Für die spätere wirtschaftliche
Fraunhofer ISC und EMFT entwickelte das serienmäßigen Einsatz in Brandmeldern gilt es dabei deren Magnetfelder gemessen werden. In proof-of-concept- Anwendung soll zudem die Messtechnik in Zusammenarbeit mit
Team um Dr. Marie-Luise Bauersfeld ein nun, die Sensoren mit Blick auf die Langzeit- Experimenten konnten so die magnetischen »Fingerabdrücke« von den OPM-Herstellern so weiterentwickelt werden, dass sie auch
kostengünstiges, miniaturisiertes Gassensor- stabilität weiterzuentwickeln. Das Potenzial Materialien bei verschiedenen Belastungen beobachtet werden. ohne magnetische Abschirmungen eingesetzt werden kann.
System, das brandtypische Gase wie CO, NO2 des Farbumschlag-Prinzips soll darüber hinaus Für den »Blick ins Rohr« werden Techniken der kernmagnetischen
und NH3 sicher und frühzeitig detektiert. Der in Zukunft auch für die Detektion weiterer www.qmag.fraunhofer.de
Brandgasdetektor basiert auf Farbumschlag- Gase in anderen Einsatzfeldern genutzt
sensoren mit Empfindlichkeiten bis in den werden – etwa zur Überwachung von
Aufbau zur magnetomechanischen Werkstoffprüfung: Das optisch
ppb-Bereich. Die Auslesung erfolgt über Grenzwerten am Arbeitsplatz oder für das gepumpte Magnetometer (OPM) in der Mitte prüft das Magnetfeld
Leuchtdioden und Photodetektoren. Getestet Monitoring der Luftqualität in Innenräumen. der Probe.
14 15
MAGAZIN
Freiburgs Baubürgermeister Prof. Dr. Martin
Haag, Landeswirtschaftsministerin Dr. Nicole
Hoffmeister-Kraut, Institutsleiter Prof. Dr.
Karsten Buse, Universitätsrektorin Prof. Dr.
Kerstin Krieglstein und Fraunhofer-Vorstand
Andreas Meuer (v.l.) beim Durchtrennen des
»Roten Bands« im Foyer des Neubaus.
WIR SIND DRIN! NEUBAU EINGEWEIHT
Minutiöse Vorbereitung – reibungs- seiner Begrüßungsrede im Rahmen der Alumni und Baubeteiligte die Gelegen-
loser Verlauf: Exakt wie geplant offiziellen Einweihung. »Der 'Campus heit, das Gebäude zu besichtigen. Auch
von Juni bis September dauerte Am Flugplatz' ist die optimale Umge- wenn Teile der Belegschaft aufgrund der
der Umzug in unser neues Ge- bung, in der sich innovative Spitzenfor- Pandemie seit dem Bezug des Gebäudes
bäude auf dem »Campus am schung mit wirksamem Transfer in die von zuhause aus arbeiten: Die neuen
Flugplatz«. Im Oktober wurde der Wirtschaft verbindet«, betonte Prof. Dr. Büros und Labore, zahlreiche zusätzliche
Neubau eingeweiht. Kerstin Krieglstein, die an ihrem ersten Geräte, viel Raum für Begegnungen und
Zur offiziellen Einweihung am 1. Okto- Arbeitstag als neue Rektorin der Univer- nicht zuletzt die Campus-Atmosphäre
ber 2020 kamen rund 40 hochrangige sität Freiburg an der Veranstaltung teil- des Standorts schaffen hervorragende
Gäste aus Politik, Wissenschaft und nahm. Pandemiebedingt wurde auf eine Arbeitsbedingungen – die wir noch
Industrie. »Wohlfühlatmosphäre plus große zentrale Einweihungsfeier ver- intensiver nutzen werden, wenn alle
Hightech« – so beschrieb Prof. Dr. Kars- zichtet. Im Rahmen weiterer Veranstal- Mitarbeitenden wieder regelmäßig am
ten Buse die neue Arbeitsumgebung in tungen hatten auch Forschungspartner, Institut präsent sind.
»... RIGHT NOW, OVER ME« – KUNST AM BAU
Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut
betonte die wichtige Rolle angewandter Forschung
65 unterschiedlich große, farbige Kugelleuch- geführt wird. Die Kugeln sind in acht unter- laufen alle Stränge zusammen und ergeben
40 Gäste aus Politik, Wissenschaft und Industrie für die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit
kamen zur Einweihung des neuen Gebäudes. von KMU. ten hat der Künstler Tobias Rehberger verteilt schiedlich langen Strängen angeordnet, denen ein buntes Farbenspiel – so bunt und lebendig
über das gesamte Gebäude installiert. Für das jeweils eine andere Lichtfarbe zugeordnet ist. wie die Belegschaft des Instituts.
Werk hat sich Rehberger von Optik-Aufbauten Sie können jederzeit durch in den Fluren instal-
Der Neubau hat ein Investitionsvolumen von 43,1 Millionen Euro, die als inspirieren lassen, bei denen Licht durch lierte Schalter eingeschaltet werden. Im Foyer
Sonderfinanzierung von Bund und Land jeweils zu 25 Prozent und zu
verschiedene Linsen, Prismen oder Spiegel
50 Prozent aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwick-
lung (EFRE) getragen werden. Das Bauvorhaben ist die größte Einzelmaß-
nahme, die im Rahmen des EFRE in der Förderperiode 2014 bis 2020 vom
Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württem-
berg unterstützt wird. Für die Erschließung und Erstausstattung des Insti-
tuts wurden von Land und Bund je 50 Prozent Sonderinvestitionsmittel in
Höhe von insgesamt weiteren 14 Millionen Euro bereitgestellt.
16 17MAGAZIN MAGAZIN
Im »Online-Forum« diskutieren Messtechnik
Spaß am Tüfteln: Mit großer Freude experten von Fraunhofer IPM mit Fachleuten
engagierten sich die Jugendlichen aus Industrie und Wissenschaft über Einsatz
im Projekt. und Anwendung neuester Messtechniklösungen.
HOLOGRAPHIE-MIKROSKOP ZUM SELBERBAUEN ONLINE-FORUM: AUSTAUSCH IM VIRTUELLEN RAUM
Im Rahmen einer Schulkoopera- Mit Begeisterung arbeiteten die
tion entwickelten wir mit zwei Jugendlichen gemeinsam mit unseren
Physik-AGs aus dem Freiburger Wissenschaftlerinnen und Wissen- Keine Messen, keine Workshops, 90 Minuten, ein Thema und bis zu mung« – mit großer Resonanz: Knapp
Raum ein günstiges 3D-Mikroskop schaftlern an der Entwicklung und keine persönlichen Treffen – um den fünf Impulsvorträge: 2020 ging unsere 50 Fachleute aus Industrie und Wissen-
auf Basis des Einplatinencompu- Erprobung des Mikroskops in der Austausch während der Corona- neue Veranstaltungsreihe »Online- schaft diskutierten virtuell mit.
ters Raspberry Pi. Ein ausführliches Praxis. Einige der Beteiligten enga- Pandemie aufrecht zu erhalten, Forum« an den Start. Das Forum bietet
Porträt des Projekts erschien im gierten sich auch über ihren Schulab- war 2020 Kreativität gefragt. Mit eine unkomplizierte Plattform für den Auch 2021 wird die Veranstaltungsreihe
Make Magazin 2/2020. schluss hinaus noch im Projekt. Das der Reihe »Online-Forum« startete fachlich fundierten Austausch im digi- fortgesetzt. Die bereits feststehenden
fertige Mikroskop wurde anschlie- Fraunhofer IPM ein erfolgreiches talen Raum. Den Auftakt machte die Termine finden Sie auf Seite 67.
Drei Jahre dauerte das Kooperations- ßend an verschiedenen Schulen, auf neues Veranstaltungsformat. Abteilung Produktionskontrolle mit dem Auf unserer Homepage werden die
projekt zwischen Forschenden von der Maker Faire in Berlin und auf der Thema »Messtechnik für die Umfor- Termine laufend ergänzt.
Fraunhofer IPM und Schülerinnen Konferenz »Digital Holography and
und Schülern verschiedener Frei- 3D Imaging« in Bordeaux präsentiert.
burger Schulen. Das Ergebnis heißt
»HolMOS« – ein digitalholographi- Kooperationspartner war das
sches Mikroskop für Open Science, Freiburg-Seminar, das naturwissen-
mit dem transparente biologische schaftliche Arbeitsgruppen für Schü-
Proben dreidimensional vermessen lerinnen und Schüler aus gymnasialen
werden können. Herzstück ist ein Oberstufen im Freiburger Raum
Raspberry Pi mit Kamera. Mit dieser organisiert. Finanzielle Förderung für
kostengünstigen Hardware und frei das Projekt kam aus dem Programm
veröffentlichter, leicht bedienba- »Open Photonik« des Bundesfor-
rer Software kann das Mikroskop schungsministeriums.
auch ohne Vorkenntnisse aufgebaut
werden – erst als einfaches Mikros-
kop, dann als vollständiges Interfero
metrie-Mikroskop.
Durch seinen einfachen Aufbau ist das Mikro-
skop auch für Anfänger ohne Vorwissen gut
geeignet.
18 19INNO
COOL MAGAZIN
Mit »InnoCool – Konsortialstudie Kalorik«
Mit »InnoCool
entstand – Konsortialstudie in dem
ein Expertengremium, Automatische Bilderkennung zur
Kalorik«Fragen
offene entstand einZukunft
zur Expertengre-
der kalorischen Dokumentation verlegter Erdkabel.
mium, in demanalysiert
Kühltechnik offene Fragen zur
werden. Die Daten werden umgehend in ein
Zukunft der kalorischen Kühltechnik 3D-Bild sowie in ein Geo-Vermes-
analysiert werden. in cooperation with: sungssystem übertragen.
GEMEINSAMER BLICK IN DIE ZUKUNFT DER KÄLTETECHNIK FRAUNHOFER-AKQUISITION DES MONATS: PROJEKT »TRENCHLOG«
Seit einigen Jahren forscht Fraun- Die kalorische Klima- und Kältetech- Kalorik« ein Konsortium von knapp Den fraunhoferweit größten Auftrag Position unterirdisch verlegter Versor- wird das weltweit erste KI-basierte
hofer IPM an kalorischen Sys- nik rückt als Alternative zu her- 15 Unternehmen und Forschungs- aus der Industrie im März 2020 erhielt gungsleitungen vollautomatisiert zu System sein, um georeferenzierte Da-
temen zum Heizen und Kühlen. kömmlichen Kühltechniken immer institutionen aufzubauen. In ge- ein Team unserer Abteilung Objekt- dokumentieren. Erfasst werden die ten für den Netzausbau zu erzeugen.
Mit »InnoCool – Konsortialstudie mehr in den Fokus. Doch noch meinsamen Workshops werden nun und Formerfassung. Rund eine Million Baugruben mithilfe handelsüblicher
Kalorik« bringen wir Hersteller, sind viele Fragen offen: Wird diese offene Fragen diskutiert und mögliche Euro investiert die Bayernwerk Netz Tablet-PCs, ausgerüstet mit einer
Technologieentwickler, Anwen- neue Technologie den Sprung in die Entwicklungsszenarien analysiert. Ziel GmbH in das Digitalisierungstool Stereokamera. Aus den Kameradaten
der und Forschungsinstitutionen Anwendung schaffen? Für welche ist die Vernetzung entlang der Wert- »NEXT.TrenchLog«, welches das Team werden automatisch georeferenzierte
zusammen, um über den Stand Bereiche ist sie interessant, und was schöpfungskette – um frühzeitig die im Rahmen des Projekts bis Mai 2022 3D-Daten erzeugt, verlegte Leitungen
der Technik zu informieren und sind die spezifischen Anforderungen? richtigen Weichen für einen erfolgrei- entwickelt. Mit dem Tool will Bayerns werden mittels künstlicher Intelligenz
gemeinsam Zukunftspotenziale Im vergangenen Jahr gelang es uns, chen Markteintritt dieser Technologie größter Netzbetreiber Baufirmen in erkannt und in ein Geo-Vermessungs-
Prof. Dr. Alexander Reiterer (l.), Simon Stemm-
zu eruieren. mit »InnoCool – Konsortialstudie zu stellen. die Lage versetzen, Art, Länge und system übertragen. »NEXT.TrenchLog« ler, Dr. Christoph Werner (r.)
KOMPETENZZENTRUM HEATPIPES TALENTA
Fraunhofer IPM und Fraunhofer ISE Drei unserer Doktorandinnen er- Qualifizierung und Vernetzung. »Für meine eigene Arbeit einzuschätzen,
bündeln ihre Kompetenzen auf dem halten derzeit individuelle Förde- mich ist es sehr wertvoll, mich mit Kolle- motiviert mich und gibt mir Ideen, wie
Gebiet der Heatpipe-Forschung. rung für ihre Forschungsprojekte ginnen anderer Institute auszutauschen ich Dinge noch besser angehen kann«,
durch das Fraunhofer-Karrierepro- und Kontakte aufzubauen. Das hilft mir, findet Nora Bachmann.
Vor diesem Hintergrund entstand eine gramm TALENTA.
gemeinsame Internet-Seite, die Fakten
zur Heatpipe-Technologie sowie Neuig- Nora Bachmann forscht für ihre Doktor-
keiten aus Forschung und Anwendung arbeit an elastokalorischen Systemen,
bereithält. Heatpipes werden für einen Laura Engel entwickelt Farbumschlag-
effizienten und passiven Wärmetrans- sensoren und Chiara Lindners Arbeit
port in unterschiedlichen Bereichen widmet sich der Quantensensorik. Alle
eingesetzt – so etwa zur Elektronik- drei werden im Rahmen des Programms
Kühlung, in der E-Mobilität, der TALENTA start gefördert, das besonders
Gebäudetechnik oder in der Luft- und talentierte Mitarbeiterinnen in der frü-
Raumfahrt. Für zukünftige Anwen- hen Phase ihrer Karriere unterstützt. Die
dungen arbeiten Fraunhofer IPM und Förderung durch TALENTA soll jungen
Fraunhofer ISE an neuen Konzepten Frauen den nötigen Freiraum für ihre
unterschiedlicher Arten von Heatpipes, Promotion und die fachliche Weiterent-
www.heatpipes.fraunhofer.de
an Herstellungsverfahren sowie an der wicklung ermöglichen und bietet zudem Nora Bachmann hat Maschinenbau an der TU Darmstadt studiert und entwickelt im Rahmen ihrer
Charakterisierung der Wärmerohre. verschiedene Angebote zur weiteren Doktorarbeit bei Fraunhofer IPM ein neues Konzept für elastokalorische Kühlsysteme.
20 21MAGAZIN
Minister Hubert Aiwanger mit den
Hugo-Geiger-Preisträgern: Dr. Simon
Fichtner, Dr. Annelie Schiller,
Dr. Christian Kalupka. Zu den
Gratulanten gehörten auch die Chiara Lindner promoviert seit 2018
Fraunhofer-Vorstandsmitglieder bei Fraunhofer IPM im Bereich der
Andreas Meuer und Prof. Alexander Quantensensorik
Kurz (v. l.).
DR. ANNELIE SCHILLER ERHÄLT HUGO-GEIGER-PREIS CHIARA LINDNER forscht im Rahmen ihrer Promotion bei Fraunhofer IPM seit 2018 zur
Quantensensorik. Ihre Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie sich verschränkte Photonenpaare für die
Schiller zeigte in ihrer Promotion, seit Jahren auf diesem Gebiet und hat Geschwindigkeitsvektor zu kompensie- Infrarotspektroskopie nutzen lassen.
dass digital-holographische Mes- das digital-holographische Messsystem ren – nicht vom Radius des rotierenden
sungen auch an bewegten Ob- HoloTop erfolgreich zur Qualitätskontrol- Objekts abhängt. Stattdessen hängt
jekten möglich sind. Dafür wurde le bei Industriekunden installiert. Bislang der Anteil der kritischen Bewegung am
sie mit dem Hugo-Geiger-Preis für störten jedoch schon kleinste Bewegun- Geschwindigkeitsvektor linear von der
herausragende Promotionsleistun- gen die Aufnahme der Interferenz-Bilder, Winkelgeschwindigkeit und der Sensor-
gen im Bereich der angewandten die durch Überlagerung von Mess- und position ab. DREI FRAGEN AN … CHIARA LINDNER
Forschung ausgezeichnet. Referenzstrahl erzeugt werden. Damit
waren Messungen nur für stillstehende Frau Lindner, was fasziniert Sie am Thema Quanten- Revue passieren zu lassen. Wenn man dann einen Kon-
Die digitale Holographie hat in den ver- Objekte möglich. Dieses Problem hat sensorik? ferenzvortrag vorbereitet und das Ganze von außen be-
gangenen Jahren Fahrt aufgenommen. Schiller in ihrer Dissertation »Messung Ich komme aus der angewandten Physik, mein Thema war trachtet, stellt man fest, wie weit man schon gekommen
Digital-holographische Messungen liefern der Topographie bewegter Objekte schon immer die Optik. Daraus ist dann die Quantensensorik ist. Das ist ein tolles Gefühl.
extrem genaue 3D-Daten von Oberflä- mittels digitaler Holographie« gelöst: Sie geworden, die ja gerade ein sehr aktuelles und aufstreben-
chen. Moderne Lasertechnik, exzellente konnte zeigen, dass sich sowohl linear des Thema ist. Dieses neue Forschungsfeld baut auf den Was waren bislang die größten Herausforderun-
Kameras und schnelle parallele Datenver- bewegte als auch rotierende Objekte grundlegenden Prinzipien der Photonik auf. Auch wenn die gen in Ihrer Promotion? Was waren die schönsten
arbeitung auf Grafik-Karten ermöglichen digital-holographisch vermessen lassen. Quantensensorik am Institut noch ein sehr junges Thema ist, Momente?
es mittlerweile, Bilder mit 10 Millionen Besonders bemerkenswert sind Schillers haben wir es so erstaunlich schnell geschafft, einen Beitrag Eine Promotion an sich ist natürlich eine Herausforderung.
3D-Punkten innerhalb von 100 Millise- Lösungen für rotierende Objekte: Sie zum Stand der Technik zu leisten. Für viele ist es wie auch für mich der Berufseinstieg. Man
kunden aufzunehmen und zu prozessie- nutzt dabei aus, dass das Verstimmen muss selbstständiger arbeiten, als man es aus dem Studium
ren. Damit ist das Verfahren ausreichend des Referenzstrahls – eine Vorausset- Der Vorteil unseres Ansatzes ist: Mit extrem kleinen Licht- kennt. Das ist aber auch eine der nachhaltigsten und wich-
Dr. Annelie Schiller forscht als wissenschaftli-
schnell für den Einsatz direkt in der zung, um den durch die Rotationsbewe- che Mitarbeiterin an digital-holographischen mengen können wir erstaunlich gute spektroskopische tigsten Kompetenzen, die man daraus mitnimmt.
Fertigungslinie. Fraunhofer IPM forscht gung hervorgerufenen kritischen axialen Messverfahren. Ergebnisse erreichen. Da gibt es sehr spannende Anwen-
dungsfelder. Biologische Proben beispielsweise reagieren Ein Highlight war sicherlich meine Teilnahme an der »Photonics
teilweise sehr empfindlich auf Licht. West« in San Francisco, kurz vor Pandemiebeginn. Es ist wirk-
lich spannend, seine eigenen Forschungsergebnisse auf einer
Letztes Jahr haben Sie im Projekt einen Durchbruch so riesigen internationalen Konferenz vorstellen zu dürfen. An-
erzielt: Sie haben ein Quanten-Spektrometer entwi- fang 2021 wurde außerdem mein zweites Paper angenommen
ckelt. Wie fühlt sich das an? und direkt zum Editor’s Pick gekürt. Das hat mich sehr gefreut,
Es kam ja nicht ganz unerwartet, man arbeitet natürlich damit hatte ich überhaupt nicht gerechnet.
darauf hin. Es ist ein bisschen so, als würde man
Ein neuartiger holographischer Lini- einen Schal stricken. Man setzt Masche um Masche,
ensensor erfasst 3D-Oberflächenpa-
rameter eines rotierenden Metall- und irgendwann hält man inne und stellt fest: Man hat
zylinders in Bewegung und erkennt schon zwei Meter gestrickt. Im Alltag nimmt man sich
selbst feinste Bearbeitungsspuren und
Defekte. nicht immer die Zeit, den eigenen Forschungsfortschritt
22 23INTERVIEW
> Zur automatisierten Erfassung von Pla-
nungsdaten für den Glasfaserausbau hat
Fraunhofer IPM spezielle Mobile-
Mapping-Messfahrzeuge entwickelt:
die T-Cars.
>> Niko Gitzen, Projektleiter bei der
Deutschen Telekom Technik GmbH:
»Mit Unterstützung von Fraunhofer IPM
konnten wir unsere Planungszeiten für
den Netzausbau um bis zu 75 Prozent
reduzieren.«
»Wir haben beide fest an den Die Deutsche Telekom Technik GmbH (DT Technik) ist eine Tochtergesellschaft der Telekom
Deutschland GmbH. Sie verantwortet innerhalb Deutschlands die Planung, den Bau und den Betrieb der
Erfolg geglaubt«
Festnetz- und Mobilfunkinfrastruktur der Deutschen Telekom. Zudem erteilt die DT Technik Auskunft
über die Lage technischer Einrichtungen an Behörden, Tiefbaufirmen und Versorger. Der Sitz des
Unternehmens ist Bonn.
»Schnellerer Glasfaserausbau dank vollautomatisierter Trassenplanung«, so beschreibt Niko Gitzen das Ziel
der Zusammenarbeit mit Fraunhofer IPM. Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Team nicht nur Messfahrzeu-
ge entwickelt und aufgebaut, sondern auch ein revolutionäres Planungs-Tool. Beides zusammen ermöglicht
eine automatisierte Trassenplanung, die weltweit einzigartig ist. Das Verfahren basiert auf hochgenauen war von Beginn an sehr ambitioniert und nachdem unsere chen wir, durch digitale Verfahren die Genehmigungszeiten
3D-Daten, die mittels künstlicher Intelligenz (KI) automatisiert klassifiziert werden. Niko Gitzen verantwortet Geschäftsführung auch noch angekündigt hat, jährlich bis bei Städten und Kommunen zu reduzieren. Und nebenbei
bei der Deutschen Telekom Technik GmbH den Aufbau von Mobile-Mapping-Aktivitäten. zu zwei Millionen Haushalte mit Glasfaser versorgen zu sparen wir auch noch CO2 ein, indem wir vieles jetzt vom
wollen, wurde der Druck nicht geringer. Es war klar: Wir Schreibtisch aus erledigen können.
Wie kam es zur Zusammenarbeit mit Fraunhofer IPM? Warum haben Sie die Messfahrzeuge oder die digitale müssen es hinbekommen, sowohl Fraunhofer IPM als auch
Gitzen: Nach einer Marktanalyse im Jahr 2017 haben wir Prozesskette nicht selbst entwickelt? die Telekom. Unsere Erwartung war eine funktionierende Vor welchen technologischen Herausforderungen
sehr schnell festgestellt, dass es nicht viele Anbieter auf dem Die DT Technik hat die Kompetenz, Netze zu bauen, Netze Hard- und Software mit hoher Zuverlässigkeit zum verein- steht die Telekommunikation derzeit?
Markt gibt, die eine automatisierte Oberflächenerkennung zu betreiben und Netze zu entstören. Wir liefern mit unse- barten Liefertermin. Umso mehr haben wir uns gefreut, Die Telekommunikationsbranche ist stets vom Einsatz
durchführen können – und schon gar nicht auf dem hohen ren ausgezeichneten Netzen das beste Kundenerlebnis, egal dass alles am Ende funktioniert hat. neuer Technologien geprägt – inzwischen auch verstärkt
Niveau, das wir für unsere Trassenplanung benötigen. ob über Funk oder kabelgebunden. Aber um Mobile-Map- von KI. Ein Beispiel: Im Netzmanagement nutzen wir KI-
ping-Themen anzugehen, fehlte uns damals schlichtweg die Was muss passen, damit ein Entwicklungsprojekt Algorithmen, die selbstständig erkennen, wenn Lastspitzen
nötige Expertise. Die kam erst über die Zeit. überhaupt gelingen kann? aufkommen oder Techniken ausfallen könnten – bevor der
Das Wichtigste ist regelmäßige und offene Kommunikation! Kunde es merkt.
Welche Rolle spielt die von uns entwickelte Technologie Wir haben uns oft über kleinste Details ausgetauscht und
für den Erfolg des Breitbandausbaus in Deutschland? den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unsere Unser gemeinsames Projekt wurde mehrfach aus-
In der Vergangenheit war es in der Regel so, dass unsere klassischen Planungsabläufe erklärt. Wir hätten auch sagen gezeichnet – mit dem Fraunhofer-Preis 2019 und
Planerinnen und Planer für alles rausfahren mussten. Mit können: »Da ist der Werkvertrag, da steht alles drin.« Aber mit dem Lead-to-Win Award 2020 der Telekom. Was
dem Klemmbrett unterm Arm und der Kamera in der Hand so funktioniert das nicht. Unser Ziel war immer, einen regel- bedeutet das für Sie und Ihr Team?
haben sie vor Ort geschaut. Heute und künftig machen das mäßigen Dialog zu führen und dadurch ein gemeinsames Der Lead-to-Win-Award wird international in verschie-
die T-Cars und das neuronale Netz. Das sind zwei wesent Verständnis zu schaffen. denen Kategorien vergeben. In der Kategorie Innovation
liche Bausteine für den Breitbandausbau. Denn heute kamen wir auf den ersten Platz – als innovativstes Projekt
erstellen Planerinnen und Planer keine Planungskarten Inwiefern rechnet sich die Investition für die Telekom? der gesamten Deutschen Telekom! Das bedeutet für uns
mehr, vielmehr bewerten und optimieren sie automatisiert Schnelle und zuverlässige Breitbandverbindungen sind erst einmal eine hohe Wertschätzung unserer Arbeit,
erstellte Planungskarten. Dadurch ist deren Wertschöpfung wichtiger denn je. Ob im Home-Office, fürs Home-Schoo- verstärkt aber auch den Druck, noch erfolgreicher zu sein.
um ein Vielfaches höher. ling oder die Anbindung von Unternehmen. Die Nachfrage Gemeinsam mit Partnern wie Fraunhofer IPM sind wir aber
nach Konnektivität steigt immer weiter an. Durch die auto- auf dem richtigen Weg.
Welche Erwartungen hatten Sie an das Projekt? matisierte Planung können wir unsere Planungszeiten für
»Digitale Planungskarten beschleunigen den Trassenausbau«, sagt
Auf beiden Seiten war anfangs viel Unsicherheit, aber wir den Netzausbau um bis zu 75 Prozent reduzieren. Dadurch
Niko Gitzen. »Was früher manuell gemacht wurde, geht heute
automatisiert – dank der Entwicklungsarbeit von Fraunhofer IPM.« haben auch beide fest an den Erfolg geglaubt. Der Zeitplan sind wir viel schneller. Das rechnet sich. Zusätzlich versu-
24 25.
»Wir entwickeln maßgeschneiderte
GESCHÄFTSFELD
Mess- und Prüfsysteme für eine
PRODUKTIONSKONTROLLE
sich wandelnde Produktion.«
Für die Produktionskontrolle entwickelt Fraunhofer IPM optische
Systeme und bildgebende Verfahren, mit denen sich Oberflächen
prüfen und komplexe 3D-Strukturen in der laufenden Produktion
präzise vermessen lassen, sodass Prozesse geregelt werden
können. Die Systeme messen so schnell und so genau, dass kleine
Defekte oder Verunreinigungen auch bei hohen Produktionsge-
schwindigkeiten erkannt und in Echtzeit klassifiziert werden. In
Kombination mit (markierungsfreier) Einzelteilverfolgung ermögli-
chen optische Sensoren und Messsysteme somit in vielen Fällen
erstmals eine 100- Prozent-Echtzeitkontrolle. Damit kommt ihnen Dr. Daniel Carl
eine Rolle als »enabling technology« zu – für die Umsetzung einer Abteilungsleiter
Industrie 4.0-Strategie in der modernen Produktion. Telefon + 49 761 8857 - 549
daniel.carl @ipm.fraunhofer.de
Eingesetzt wird eine große Bandbreite an Technologien, darunter
digitale Holographie, Infrarot-Reflexions-Spektroskopie und
Fluoreszenzverfahren, kombiniert mit sehr schneller hardware
naher Bild- und Datenverarbeitung. Die kundenspezifisch
optimierten Systeme werden beispielsweise in der Umformtechnik
im Automobilbereich und zur Qualitätssicherung bei Medizinpro-
dukten bis hin zur Elektronikfertigung eingesetzt.
Gruppe Optische Oberflächenanalytik Gruppe Geometrische Inline-Messsysteme
►► Elementanalyse in komplexen Mehrschichtsystemen ►► präzise Vermessung von Funktionsflächen im
►► Analyse filmischer Beschichtungen und Verunreinigungen Produktionstakt
►► Detektion und Klassifikation partikulärer Verunreinigungen ►► kabellose 3D-Vermessung von Werkstücken direkt in
der Werkzeugmaschine
Gruppe Inline Vision Systeme ►► schnelle, dynamische Verformungsmessung
►► Oberflächeninspektion und Maßhaltigkeitsprüfung von
Halbzeugen und Bauteilen
►► Inspektion von Langprodukten auf Oberflächenfehler und
Geradheit
►► markierungsfreie Bauteilidentifikation in der Produktion und
mobil per App
< Inspect 360° prüft Bauteile auf Geometrie
und Oberflächenbeschaffenheit im freien
Fall. Die Teile werden mit einem Förderband
zugeführt und unabhängig von der räumlichen
Orientierung inspiziert.
26 27GESCHÄF T SFELD PRODUK TIONSKONTROLLE
GRUPPE OPTISCHE OBERFLÄCHENANALYTIK
PD Dr.-Ing. Albrecht Brandenburg, Telefon + 49 761 8857 - 306, albrecht.brandenburg@ipm.fraunhofer.de
Fasersensor überwacht Ablagerungen in Rohren
Der Fasersensor F-Fiber liefert kontinuierlich Daten zur Verun-
reinigung von Rohren oder Wärmetauschern in Abfüllanlagen.
Forschungsschwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung schlüsselfertiger Geräte für die Prüfung von Oberflächen. Die
Solche Ablagerungen sind problematisch, wenn sie mit Lebens-
Systeme werden für die Reinheits- und Beschichtungsprüfung von Bauteilen und die Defekterkennung eingesetzt. Sie prüfen
mitteln in Berührung kommen. Eine Glasfaser, die einfach in den
Bandwaren sowie komplex geformte Bauteile in der Produktion und erfassen Oberflächen beliebig geformter Bauteile
Querschnitt eines Rohres integriert werden kann, detektiert die
vollständig – auch im freien Fall ohne weiteres Handling. Unsere Systeme prüfen extrem dünne Beschichtungen – wie z. B.
Ablagerungen über die Eigenfluoreszenz des zumeist organi-
Barriereschichten auf Kunststoffmaterialien – bezüglich Dicke und Vollständigkeit oder kontrollieren die Dickenverteilung von
schen Materials.
Umform- oder Korrosionsschutz-Öl auf Bauteilen und Blechen. Bei der Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen setzen
wir auf Laserverfahren, um Element-Analysen von Oberflächen und Beschichtungen durchzuführen. In der Gruppe entwickel-
te Inline-Mikroskope charakterisieren Geometrie und Oberflächen von Mikrobauteilen im Produktionstakt mit sehr hoher
Genauigkeit, z. B. bei der Herstellung von Medizinprodukten. Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung bei der Entwicklung
optischer Einheiten, Bilderfassung und -verarbeitung sowie spezifischer Elektronik und Mechanik sind wir in der Lage,
kundenspezifische Mess- und Prüfsysteme in die Fertigungslinie zu integrieren.
System zur Ölauflagenmessung wird integriert
Das Team hat damit begonnen, vier Laserscanner für
PROBLEMSPEZIFISCHE BILDERFASSUNG UND -AUSWERTUNG die Ölauflagenmessung in die Presslinie eines US-ame-
►► Erkennung schwer erfassbarer Fehlermerkmale rikanischen Automobilherstellers zu integrieren. Das
►► optimierte Beleuchtung und angepasste Bildaufnahme Scanner-System misst ortsaufgelöst eine bis zu 1 µm
►► Klassifizierung von Merkmalen nach kundenspezifischen Kriterien dünne Ölauflage, die verhindert, dass Bleche beim
Pressen reißen. Bis zu vier Meter breite Karosserie
BILDGEBENDE FLUORESZENZ bleche werden vollflächig von beiden Seiten von je
►► Erkennung und Lokalisierung organischer Verunreinigungen (< 0,01 g/m²) zwei Scannern geprüft.
►► Erkennung und ortsaufgelöste Charakterisierung von Beschichtungen
►► Schichtdickenbestimmung an organischen Schichten bis hinunter
zu Dicken von 20 nm
INFRAROTMESSTECHNIK
Gruppenleiter: PD Dr.-Ing. Albrecht Brandenburg ►► Erkennung und Dickenmessung an Barriereschichten ab 20 nm Dicke
LASERINDUZIERTE PLASMA-SPEKTROSKOPIE
►► berührungslose Materialanalyse an Oberflächen
►► Dickenmessung funktionaler Schichten
►► Nachweis von Beschichtungsbestandteilen bis in den ppm-Bereich Verunreinigungen und Beschichtungen im freien Fall prüfen
Bauteile lassen sich im freien Fall vollständig von allen Seiten
MIKROSKOPIE prüfen – ohne Handling. In einem im Jahr 2020 abgeschlossenen
►► Charakterisierung komplexer 3D-Mikrostrukturen Fraunhofer-Projekt wurde ein bildgebendes Fluoreszenzmessver-
►► Erkennung von Strukturfehlern, Verunreinigungen, fehlerhaften fahren für die Freifall-Messung entwickelt, das filmische Verunrei-
Außenabmessungen oder Kratzern nigungen und organische Beschichtungen detektiert. In Zukunft
►► Wiederholgenauigkeit der Abstandsmessung im Submikrometerbereich soll das System auch Risse erkennen.
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