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Die neue Art des „Touch“-Prinzips

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters MERGE präsentieren intelligentes Eingabesystem in Hybridbauweise für Pkw-Mittelkonsole vom 23. bis 26. Oktober 2018 zur EuroBLECH

Die Mittelkonsole stellt im Auto ein wichtiges Steuerungselement für verschiedene Funktionen wie die Bedienung von Radio, Navigationssystem und Klimaanlage dar. Statt Unmengen einzelner „Knöpfe“ für die Bedienung eines Fahrzeugs drücken zu müssen, forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters MERGE der Technischen Universität Chemnitz aktuell an einem Eingabesystem, das zukünftig einzelne Elemente großflächig zusammenfassen soll. Die Forschergruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfram Hardt, Inhaber der Professur Technische Informatik, nutzt als Anwendungsgrundlage für das neuartige Touch-Panel ein sogenanntes funktionalisiertes Halbzeug, das sich durch eine kluge Verknüpfung von verschiedenen Materialien auszeichnet und bereits in der Fertigung durch Prozessoptimierung und Ressourceneffizienz punkten kann.

„Für die Fertigung dieses hybriden Laminats haben wir einen Prozess entwickelt, beim dem ein funktionalisiertes Kunststoffgranulat aufgeschmolzen wird und durch Extrusion zu Folienbahnen verarbeitet wird. Diese Folienbahnen fügen wir in einem kontinuierlichen Walzprozess mit einem Aluminiumblech und danach auch mit Kupferelektroden. Das entstandene Halbzeug wird dann zum Bauteil umgeformt“, erklärt Prof. Dr. Verena Kräusel, kommissarische Leiterin der Professur für Umformendes Formgeben und Fügen. Die aufgewalzte Kunststofffolie enthält piezokeramische Partikel und Carbon Nanotubes, die zur Erzeugung eines sensorischen Effekts genutzt werden. Die Kupferfolie fungiert als Elektrode, sodass Signale übertragen werden können. Über maschinelle Lernverfahren erfolgt die Signalauswertung, per Tipp auf den Funktionsbereich – statt wie üblich über festen Druck auf Schaltelemente – kann der Fahrer so einzelne elektronische Anwendungen im Fahrzeug steuern.

Bereits bestehende Bediensysteme über Touchdisplays im Innenraum sind mit der Berührungslokalisierung der Chemnitzer Neuentwicklung nicht vergleichbar, so das Forscherteam. Auch die Nutzung des Prinzips ist vielfältig. „Dieses sensorische Laminat soll zum einen zur Strukturüberwachung dienen, um Schäden zu erkennen. Zum anderen findet der Verbund als Eingabeschnittstelle – in unserem Beispiel in der Mittelkonsole im Systemdemonstrator des Chemnitz Car Concept – Anwendung“, ergänzt MERGE-Mitarbeiter Alexander Graf. Dieser Fahrzeug-Demonstrator, genannt „MERGE up!“, bündelt zahlreiche Beispiele der MERGE-Forschungsfelder. In Kooperation mit Volkswagen und der Professur für Alternative Fahrzeugantriebe der TU Chemnitz dient er als Plattform für Test- und Demonstrationszwecke. Sowohl Innen- als auch Außenbauteile – von Leichtbaukomponenten bis zum elektrifizierten Antriebsstrang – werden als Referenzteile neu entwickelt und exemplarisch im „MERGE up!“ verbaut.

Mit lernenden Sensoren zu hoher Druck-Genauigkeit

Durch den Verbund der verschiedenen Werkstoffe, die Kombination mehrerer Fertigungstechnologien der Kunststoff- und Metallverarbeitung sowie die Minimierung von Verfahrensschritten soll die Herstellung des Bauteils zukünftig auf einen Fertigungsschritt reduziert und so das Halbzeug ressourceneffizient und kostengünstig in Großserie produziert werden. „Sensoren, die bisher erst nach der eigentlichen Herstellung eines Bauteils angebracht werden, können so bereits während des laufenden Herstellungsprozesses in Halbzeuge integriert werden“, erklärt Ricardo Decker, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bundesexzellenzcluster MERGE. Der Materialverbund ist dann bereits vor der Bauteil-Fertigstellung funktionalisiert. „Gerade im Bereich der Innenausstattung eines Fahrzeugs spielt die geschickte Kombination von Bauteilen und elektronischer Funktionalität eine immer größere Rolle, da die interaktive Bedienung des Fahrzeugs nicht nur für mehr Komfort sorgt, sondern durch das Einsparen von Schaltsystemen und der dazu notwendigen Verkabelung auch eine Gewichtsreduktion erzielt werden kann“, so der Forscher.

Eine Thermoplast-Matrix verbindet die unterschiedlichen Komponenten des Materialverbunds und erlaubt somit die Umformung des Halbzeugs mit den bereits integrierten Sensoren. Zuvor werden piezokeramische Partikel in die thermoplastischen Folien eingebracht, die sich durch Tippen auf die Funktionseinheit verformen, verschieben und durch sich verlagernde Dipole eine Spannung aufbauen. Durch diese Spannungsverläufe berechnet das System die Lokalisierung und erkennt, an welcher Stelle der Bediener genau getippt, d. h. welche Funktion er gewählt hat. „Hierfür werden vier Sensoren zur Detektion von insgesamt 20 Punkten eingesetzt, welche mit einer sehr hohen Lokalisierungsgenauigkeit der Druckstellen von 84 bis 92 Prozent erkannt werden können“, erläutert MERGE-Mitarbeiter René Schmidt von der Professur Technische Informatik. Die Lokalisierung der Druckpunkte basiert auf einem maschinellen Lernalgorithmus, indem ein Computermodell zuvor mit Testdaten angelernt wurde. Das Halbzeug wird dann im Fahrzeug an ein energieeffizientes eingebettetes System angeschlossen, welches die Daten in Echtzeit auswertet.

Bisher wurden meist starre und spröde Keramikwerkstoffe verwendet. Um jedoch eine höhere Flexibilität der Werkstoffe bei der Umformung zu erreichen, bringen die Forscher die Keramik in eine thermoplastische Folie ein. Den Keramikkristallen müssen zunächst elektrische Vorzugsrichtungen gegeben werden, um den sogenannten Piezoeffekt zu aktivieren. Dazu legen die Forscher eine hohe elektrische Spannung an und benötigen gleichzeitig Wärme. An dieser Stelle der Fertigung sparen sie einen Herstellungsschritt ein, da die Temperatur des Umformprozesses dafür genutzt wird und ein nachträgliches Erwärmen des Bauteils nicht erforderlich ist. Ihr Ziel ist es, dass zukünftig zwischen Halbzeug und fertigem Bauteil nur noch ein Prozessschritt liegt. So soll auch die Deckschicht des Bedienfeldes, zum Beispiel mit Biokunststoff imprägniertes Holzfurnier, bereits während des Umformprozesses aufgebracht werden.

Keine Knöpfe, verkürzter Montageaufwand, weniger Kabel

Die neuartige Mittelkonsole demonstriert ein nahezu einmaliges Zusammenspiel unterschiedlicher Materialien und Fertigungsschritte, das nur durch enge interdisziplinäre Zusammenarbeit erreicht werden kann. Der optimierte Fertigungsprozess und das Multi-Material-Design weisen zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren auf. So bietet die Mittelkonsole z. B. eine starke Einsparung von Kabeln und Sensorik. „Bei 20 Funktionen kann die Nutzung von ehemals 40 Kabeln auf fünf reduziert werden. In das Bauteil integriert, kann so nochmals Bauraum eingespart werden“, fasst MERGE-Wissenschaftler René Schmidt zusammen. „Dieser Aspekt ist nicht zu unterschätzen, denn die in modernen Fahrzeugen zahlreich eingebaute Elektronik sorgt für ein insgesamt höheres Fahrzeuggewicht, während der Trend gleichzeitig dahin geht, die Karosse des Autos immer leichter zu gestalten“, ergänzt Alexander Graf. Zudem kann der Kunde nicht nur das Aussehen des Bauteils bestimmen und beispielsweise eine Carbon-Optik statt des Holzfurniers wählen, sondern auch dessen Funktionen individuell festlegen. Natürlich findet das Eingabesystem der Mittelkonsole nicht nur in der Automobilherstellung Anwendung, denn durch die Chemnitzer Entwicklung können zahlreiche lasttragende metallische Strukturbauteile mit zusätzlichen Funktionen ergänzt werden. So wäre der Einsatz des Prinzips auch in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik, beispielsweise zur Überwachung von Orthesen, denkbar.

Sowohl das Eingabesystem der Mittelkonsole, den zugehörigen Fertigungsprozess als auch weitere Verfahren, beispielsweise zur Rohr- und Profilfertigung, präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Professur Umformendes Formgeben und Fügen der TU Chemnitz vom 23. bis 26. Oktober 2018 in Hannover auf der weltgrößten Branchenleitmesse für die blechbearbeitende Industrie, EuroBLECH, in Halle 11 auf Stand B08. Laut Veranstalterangaben deckt die Schau auf dem Messegelände Hannover mit 15 verschiedenen Technologiebereichen die gesamte Prozesskette der Blechbearbeitung ab.

Weitere Informationen dazu erteilt Prof. Dr. Verena Kräusel, kommissarische Leiterin der Professur für Umformendes Formgeben und Fügen, Telefon 0371 531-32195, E-Mail verena.kraeusel@mb.tu-chemnitz.de.

Homepage der Professur: https://www.tu-chemnitz.de/mb/UFF/

Informationen zur Messe EuroBLECH 2018: http://www.euroblech.com/2018/deutsch/

(Autorin: Diana Schreiterer)

Mario Steinebach
18.10.2018

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