TU Graz entwickelt autonom fahrenden Elektro-Kompostwender

Pressemeldung der TU Graz vom 14.07.2020

Die neue Maschine soll die industrielle Kompostierung erleichtern und autonomes Fahren auch für kettengetriebene Arbeitsmaschinen salonfähig machen.

Das Wenden und Durchmischen großer Komposthaufen sind bei der Kompostierung wichtige Arbeitsschritte, um den Verrottungsprozess zu beschleunigen. Kompostieranlagen und landwirtschaftliche Betriebe nutzen dafür mehrheitlich traktorgezogene Wendemaschinen oder einen dieselbetriebenen Kompostwender mit Kettenfahrwerk. Das Bedienpersonal dieser Maschinen ist aufgrund der langsamen Fahrgeschwindigkeiten (von 50 bis 300 m/h), der hohen Umgebungstemperaturen, der freigesetzten Gase und der auftretenden Geruchsbelastung beim Wendevorgang äußerst unangenehmen Bedingungen ausgesetzt.

Im Rahmen des Forschungsprojekts ANTON (Autonomous navigation for tracked compost turners) arbeiten Forschende des Instituts für Technische Logistik und des Instituts für Geodäsie der TU Graz derzeit an einem selbstfahrenden Kompostwender, der den Wendeprozess zukünftig ohne Personal erledigen soll – und das außerdem umweltfreundlich: Die neue Maschine wird mit einem Akku-Elektrischen-Antriebskonzept betrieben, das in Vorlaufforschungsprojekten bereits erfolgreich getestet wurde.

Innovatives Navigationssystem

Die erste Innovation liegt im Navigationsmodul, wie Projekt-Gesamtkoordinator Manfred Wieser vom Institut für Geodäsie erklärt: „Auf den Kompostplätzen wird der Kompost für gewöhnlich in zwei Meter hohen trapezförmigen Zeilen aufgeschichtet, die in mehreren Reihen angeordnet sind. Damit die vier Meter breite und zweieinhalb Meter lange Maschine diese Zeilen gezielt ansteuern und den Kompost richtig wenden kann, ist eine präzise Positionsbestimmung notwendig.“

Das Projektteam am Institut für Geodäsie realisierte dafür ein Navigationssystem, das den Standort des Kompostwenders in Echtzeit zentimetergenau erfasst. Die hochgenaue Positionsbestimmung erfolgt mithilfe globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS), wie GPS und dem europäischen System GALILEO. Um die Robustheit zu erhöhen und Ausfälle des Satellitensignals überbrücken zu können, werden zusätzlich Beschleunigungs- und Drehratensensoren, Stereokameradaten, Sensoren an den Kettenantriebsrädern und ein hochgenaues 3D-Modell der Kompostieranlage herangezogen. Zwei GNSS-Antennen sowie bildgebende Sensoren an der Maschine selbst sorgen für die eindeutige Bestimmung der Bewegungsrichtung.

Robuste Steuerarchitektur

Um die Funktionssicherheit sicherzustellen und Entwicklungszeit zu sparen, testet das Team vom Institut für Technische Logistik den Kompostwender aktuell nicht aufwendig am Kompostplatz, sondern in einer virtuellen Umgebung. Simuliert werden beispielsweise das Verhalten der Fahrwerkskette auf dem oft und rasch wechselnden Untergrund am Kompostplatz, sowie der Einfluss der verschiedenen Kompost-Reifegrade auf die Wendewalze. Die Ergebnisse fließen in die finale Entwicklung der Steuerungssensorik und der Regelstruktur ein. „Die dynamische Beschreibung autonom fahrender Kettenfahrzeuge in virtuellen Modellen war bislang bei weitem nicht so etabliert wie jene von selbstfahrenden Pkws. Hier leisten wir mit unserer Forschung Pionierarbeit“, so Christian Landschützer vom Institut für Technische Logistik.

Der Logistikexperte unterstreicht die gesellschaftliche Bedeutung des Forschungsprojekts: „In Österreich produzieren wir jährlich über eine Million Tonnen Biomüll, der in über 400 Kompostieranlagen verarbeitet wird. Außerdem spielt die Kompostierung eine große Rolle in jenen Ländern, die einen Engpass bei fruchtbarer Erde haben.“ Das Interesse und die Nachfrage nach einem autonomen Kompostwender sind groß, die Forschenden sind bereits mit mehreren Unternehmen in Kontakt. Das steirische Unternehmen Pusch & Schinnerl ist Projektpartner und plant die industrielle Umsetzung. Wieser und Landschützer hoffen, dass die Neuentwicklung Ende des Jahres abgeschlossen ist und schon 2021 ein Prototyp zur Serienreife gebracht werden kann. (Christoph Pelzl)

Externer Link: www.tugraz.at

Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Presseaussendung der TU Wien vom 13.07.2020

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn elektronische Bauteile immer kleiner werden sollen, braucht man dafür passende Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte 2D-Materialien als große Hoffnungsträger: Sie sind so dünn wie ein Material überhaupt nur sein kann, im Extremfall bestehen sie nur aus einer einzigen Schicht von Atomen. Das ermöglicht die Herstellung neuartiger elektronischer Bauteile, mit winzigen Abmessungen, hoher Geschwindigkeit und optimaler Effizienz.

Allerdings zeigt sich dabei ein Problem: Elektronische Bauteile bestehen nämlich immer aus mehr als einem Material. 2D-Materialien sind nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn man sie mit passenden Materialsystemen kombinieren kann – etwa mit speziellen isolierenden Kristallen. Wenn man das nicht bedenkt, dann wird der Vorteil zunichtegemacht, den 2D-Materialien eigentlich bieten sollen. Diese Erkenntnisse präsentiert ein Team der Fakultät für Elektrotechnik der TU Wien nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Endstation auf atomarer Skala

„Die Halbleiterindustrie verwendet heute Silizium und Siliziumoxid“, sagt Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik. „Das sind Materialien mit sehr guten elektronischen Eigenschaften. Lange Zeit hat man beim Miniaturisieren elektronischer Bauteile einfach immer dünnere Schichten dieser Materialien verwendet. Das ging lange Zeit gut – aber irgendwann stößt man an eine natürliche Grenze.“

Wenn die Silizium-Schicht nur noch wenige Nanometer dünn ist, also nur noch aus wenigen atomaren Lagen besteht, dann verschlechtern sich die elektronischen Eigenschaften des Materials sehr deutlich. „Die Oberfläche eines Materials verhält sich anders als das Innere des Materials – und wenn das gesamte Objekt praktisch nur noch aus Oberflächen besteht und kein Inneres mehr hat, kann es völlig andere Materialeigenschaften haben als man das von dickeren Schichten kennt.“

Daher muss man auf andere Materialien ausweichen, wenn man ultradünne elektronische Bauteile herstellen möchte. Und hier kommen die sogenannten 2D-Materialien ins Spiel: Sie verbinden ausgezeichnete elektronische Eigenschaften mit minimalen Dicken.

Dünne Schichten brauchen dünne Isolatoren

„Wie sich zeigt, sind diese 2D-Materialien aber nur die erste Hälfte der Geschichte“, sagt Tibor Grasser. „Die Materialien müssen auf dem passenden Untergrund angebracht werden, und auch darüber braucht man eine Isolatorschicht – und wenn dieser Isolator nicht ebenfalls extrem dünn und von extrem guter Qualität ist, dann hat man durch die 2D-Materialien nichts gewonnen. Das ist als würde man einen Ferrari auf schlammigem Untergrund fahren und sich wundern, warum man keinen Geschwindigkeitsrekord aufstellt.“

Ein Team an der TU Wien rund um Tibor Grasser und Yury Illarionov hat deshalb analysiert, wie man dieses Problem am besten löst. „Siliziumdioxid, das normalerweise in der Industrie als Isolator eingesetzt wird, eignet sich in diesem Fall nicht“, sagt Tibor Grasser. „Es hat eine sehr ungeordnete Oberfläche und viele freie, nicht gesättigte Bindungen, die die elektronischen Eigenschaften im 2D-Material stören.“

Besser ist es, nach einer möglichst geordneten Struktur Ausschau zu halten: Mit speziellen Kristallen, die Fluor-Atome enthalten, konnte das Team bereits ausgezeichnete Ergebnisse erzielen. Ein Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator lieferte bereits überzeugende Daten, weitere Materialien werden noch analysiert.

„Laufend werden derzeit neue 2D-Materialien entdeckt. Das ist schön, aber mit unseren Ergebnissen wollen wir zeigen, dass das alleine noch nicht reicht“, sagt Tibor Grasser. „Diese neuen elektrisch leitenden 2D-Materialien müssen auch mit neuartigen Isolatoren kombiniert werden. Nur dann können wir es tatsächlich schaffen, eine neue Generation von effizienten und leistungsfähigen elektronischen Bauteilen im Miniaturformat herzustellen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Y. Illiarionov et al., Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge, Nature Communications 11, 3385 (2020).

Externer Link: www.tuwien.at

Hygiene auf hohem Niveau: Mobiler Reinigungsroboter für die Produktion

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2020

Produktionsräume und hygienische Bereiche müssen besonders rein sein. Speziell dort, wo Lebensmittel verarbeitet und Medizininstrumente behandelt werden, ist absolute Sauberkeit unerlässlich. Ein mobiles Reinigungsgerät von Fraunhofer-Forscherinnen und Forschern säubert die Anlagen und Produktionsräume bedarfsgerecht und reproduzierbar. Ausgestattet mit einem selbstlernenden System erkennt der autonom fahrende Roboter automatisch den Verschmutzungsgrad und wählt die geeignete Reinigungsprozedur aus.

In der industriellen Fertigung von Lebensmitteln ist eine kompromisslose Hygiene Voraussetzung. Sowohl die Produktionsanlagen als auch die Räume selber müssen regelmäßig gesäubert werden, Biofilme und Beläge dürfen sich keinesfalls bilden. Das Reinigungsergebnis wirkt sich auf die Hygiene aus und beeinflusst die Lebensmittelsicherheit. Bislang wird die anspruchsvolle und qualitätsbestimmende Säuberung der Produktionseinrichtungen größtenteils manuell erledigt. Doch bei aller Sorgfalt ist die Arbeit schwer reproduzierbar, fehlerbehaftet und zeitaufwändig.

Intelligente Reinigungsrobotik für den Innen- und Außenbereich

Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Dresden hat daher modulare Reinigungsroboter entwickelt, die zurzeit in zwei Varianten vorliegen: Ein Modell fährt auf einem Förderband durch die Produktionsanlage und reinigt diese von innen, die zweite Variante reinigt Boden, Decken und Wände der Räume sowie die Außenseiten der Produktionsmaschinen. Ein ausfahrbarer Roboterarm mit Zielstrahlreiniger erreicht dabei auch höher gelegene Anlagenbereiche. Mobile Cleaning Device 4.0 (MCD) heißt das mobile, modulare Gerät, welches selbstständig durch die Produktionshalle fährt. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Fraunhofer IOSB-AST in Ilmenau wird gerade an einem Multisensorik-System für raue Umgebungsbedingungen geforscht, das zukünftig am MCD zum Einsatz kommen soll. Die Besonderheit: Basierend auf der Fluoreszenzmethode scannt und berechnet die installierte Sensorik den Verschmutzungsgrad und passt die Reinigungsparameter wie beispielsweise den Druck und die Menge des Reingungsschaums entsprechend adaptiv an. »Ein Detektor erkennt die fluoreszierenden Schmutzpartikel wie Fette, Öle und Proteine mithilfe von UV-Licht und dosiert den Schaum und das Wasser entsprechend der ermittelten Parameter wie Schichtdicke und Antrocknungsgrad.

Möglich werden soll dies durch ein selbstlernendes KI-System, das die geeigneten Reinigungsparameter auswählt und die Prozessschritte vorgibt«, erläutert Max Hesse, Teamleiter am Dresdner Institutsteil Verarbeitungstechnik, den Vorgang. Bei dem Prozess werden die Daten mit Hilfe einer Simulation in einem virtuellen Zwilling abgebildet. »Die erkannte Verschmutzung wird im virtuellen Zwilling auf das 3D-Modell der Anlage gemappt. In Abhängigkeit des Abstands des Geräts zur Oberfläche kann dann beispielweise der Sprühwasserdruck angepasst und gegebenenfalls reduziert werden – ganz im Sinne der Ressourceneffizienz.«

Ausgefeilte Sensorik

Der Batteriebetriebene Roboter bewegt sich autark, er ist lediglich durch einen Schlauch, aus dem das Reinigungsmittel zugeführt wird, mit der Docking Station verbunden. Die Steuerung erfolgt per WLAN. Ausgeklügelte Sensorik ermöglicht im Zusammenspiel mit der KI die adaptive Reinigung: Ein Radarsensor misst selbst durch Sprühnebel und Dampf hindurch, ein Ultrabreitband-Sensor misst die Position im Raum und ein dritter optischer Fluoreszenzsensor übernimmt die Verschmutzungserkennung und vermittelt einen Eindruck der Geometrie des Prüfobjekts – Experten nennen das visuelle Odometrie. Basierend auf dem erkannten Verschmutzungszustand und den fusionierten Sensordaten werden Prozessparameter abgeleitet – anschließend wird bereits während des Reinigungsprozesses geprüft, ob dieser korrekt durchgeführt wurde. Das Prüfergebnis wird im nächsten Schritt an den virtuellen Zwilling mit dem selbstlernenden System weitergeleitet. Bei jedem Reinigungsvorgang optimiert sich das System quasi selbst und gewährleistet somit einen ressourceneffizienten Reinigungserfolg. »Unsere Tests haben gezeigt, dass man auf diesem Weg bis zu 50 Prozent an Reinigungsmitteln sparen kann, da nur die tatsächlich benötigte Menge an Reinigungsmittel auf die Oberflächen aufgebracht wird«, sagt Hesse. »Beispielsweise kann man das System trainieren, in einem vorgegebenen Zeitraum, z.B. in einer freien Nachschicht im 2-Schichtsystem, möglichst ressourceneffizient zu reinigen. Zusätzlich können erhebliche Effizienzpotenziale erschlossen werden, wenn die bisher für die Reinigung eingesetzten Facharbeiter bereits andere Arbeiten durchführen können, während die MCDs hochparallelisiert Reinigungsprozesse vollenden.« Ein weiterer Pluspunkt: Der komplette Säuberungsprozess wird vollautomatisiert protokolliert und ist durch den hohen Automatisierungsgrad sehr reproduzierbar.

Mobile Cleaning Device ist branchenunabhängig und flexibel einsetzbar

Der Einsatz des Mobile Cleaning Device beschränkt sich nicht auf die Lebensmittelbranche: Der smarte Roboter lässt sich ebenso im Automotive-Umfeld, in der Pharma-, Medizintechnik- und Kosmetikindustrie oder im Agrar-Sektor anwenden. In Krisenzeiten wie der Corona-Pandemie profitieren unterschiedlichste Branchen von dem autonomen Reinigungsroboter. »Gerade bei Personalknappheit kann unser automatisiertes System seine Vorteile ausspielen. In der Lebensmittelproduktion sind etwa zehn Prozent der Mitarbeiter allein für die Reinigung eingeteilt«, sagt der Ingenieur. Hierfür seien Fachkräfte erforderlich, die auch in normalen Zeiten rar sind. Beide Robotervarianten werden konsequent weiterentwickelt, wodurch die Komplexität der zu übernehmenden Reinigungsaufgaben stetig steigt.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juli 2020

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Drones for Agriculture: Prepare and Design Your Drone (UAV) Mission
Lammert Kooistra (Wageningen University & Research) et al.
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 6-15 Stunden

Externer Link: www.edx.org