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Das KIT auf der Hannover Messe 2020

Highlights aus der Technologieentwicklung an zwei Ständen: Halle 25 (Research & Development), Stand C14, und Halle 27 (Energy Solutions), Stand L51
Messestand des KIT (Foto: Henning Strauch, KIT)

Eine Künstliche Intelligenz (KI) für die Maschinenwartung, der kleinste Transistor der Welt und klimaneutrale synthetische Kraftstoffe: Diese und weitere Highlights aus der Technologieentwicklung präsentiert das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vom 20. bis 24. April auf der Hannover Messe 2020, die das Leitthema „Home Of Industrial Pioneers“ hat.

Kamerabasierte Spindelüberwachung

Lernendes Modell zur Verschleißquantifizierung
Komponenten des Kamerasystems (Abbildung KIT)
Komponenten des Kamerasystems (Abbildung: KIT)

Das intelligente Kamerasystem zur Quantifizierung von Oberflächendefekten auf Kugelgewindetrieben erlaubt eine bildbasierte, direkte Überwachung der Spindeloberfläche. Es besteht aus einem an der Kugelgewindetriebmutter angebrachten Kamerasystem mit Beleuchtung, kombiniert mit einem auf Bilddaten trainierten Modell des Maschinellen Lernens: Dieses unterscheidet zwischen Bilddaten mit und ohne Defekt. Über die Auswertung dieser Bilddaten lässt sich dann eine zuverlässige Aussage zum Verschleißzustand der gesamten Spindeloberfläche treffen – eine Voraussetzung für den rechtzeitigen Tausch der Komponente im Betrieb.


Bionische Oberflächen

Von der Natur inspirierte Nano- und Mikrostrukturen
Nach dem Vorbild des weißen Käfers Cyphochilus insulanus erzeugt ein nanostrukturierter Polymerfilm eine strahlend weiße Beschichtung. (Foto: KIT)
Nach dem Vorbild des weißen Käfers Cyphochilus insulanus erzeugt ein nanostrukturierter Polymerfilm eine strahlend weiße Beschichtung. (Foto: KIT)

Im Lauf der Evolution haben viele Pflanzen und Tiere nano- und mikrostrukturierte Oberflächen mit faszinierenden Eigenschaften entwickelt. Diese Lösungen der Natur imitiert die Bionik und macht sie technisch nutzbar: Nach dem Vorbild des weißen Käfers Cyphochilus insulanus bildet ein nanostruktu-rierter Polymerfilm eine strahlend weiße Beschichtung für verschiedene Produkte. Ein von Wasserpflanzen inspirierter Nanopelz mit speziell angeordneten Strukturen auf einer Kunststofffolie trennt Öl und Wasser effektiv und ermöglicht eine schnelle und umweltverträgliche Beseitigung von Ölteppichen auf Gewässern.


Wertstromkinematik

Innovative und wandlungsfähige Produktion
Flexibles Produktionssystem aus einheitlichen Kinematiken. (Abbildung: KIT)
Flexibles Produktionssystem aus einheitlichen Kinematiken (Abbildung: KIT)

Die hohe Produktivität und Genauigkeit von Spezialmaschinen mit der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit von Industrierobotern zu vereinen – das macht die Wertstromkinematik möglich. Dieses innovative Produktionssystem fokussiert auf die Abbildung ganzer Produktionsflüsse durch einheitliche Standardkinematiken. Neben den in der Robotik üblichen Handhabungsaufgaben führt die Kinematik auch weitere Prozesse wie Montage, 3D-Druck, Trenn- und Fügeverfahren sowie Zerspanungsaufgaben aus. Wertstromkinematik erlaubt es Unternehmen, Produkte mit hohem Individualisierungsgrad und in kleineren Stückzahlen wirtschaftlich und konkurrenzfähig herzustellen.


„RoboShield“ Demonstrator

Effiziente und sichere Mensch-Roboter-Kollaboration
Skizze des Demonstrators (Abbildung: KIT)
Skizze des Demonstrators (Abbildung: KIT)

Der im Projekt „RoboShield“ entwickelte Demonstrator zeigt Maßnahmen, welche die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter flexibler und effizienter machen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen: Eine Kombination aus Laserscannern und Kameras ermöglicht es, die Position des Menschen dreidimensional zu erfassen, sodass sich beispielsweise auch Oberkörper- und Armbewegungen erkennen lassen. Durch eine stufenlose Skalierung der Robotergeschwindigkeit lassen sich unnötige Verlangsamungen oder Stopps vermeiden. Eine intelligente Arbeitsplanung erhöht den Durchsatz der Anlage. Auf Wunsch schaltet der Roboter in einen Modus, der einen physischen Kontakt erlaubt, beispielsweise für eine Inspektion.


reFuels

Regenerative Kraftstoffe als Beitrag zu CO2-neutraler Mobilität
Im Projekt betrachtete Herstellrouten für reFuels, die auf der KIT Synthesegasplattform und den Infrastrukturen bioliq® und Energy Lab 2.0 aufbauen. (Abb. KIT)
Im Projekt betrachtete Herstellrouten für reFuels, die auf der Synthesegasplattform des KIT und den Infrastrukturen bioliq® und Energy Lab 2.0 aufbauen. (Abbildung: KIT)

Die Forschungsinitiative „reFuels“ befasst sich mit der Zusammensetzung, Herstellung und Nutzung von regenerativen Kraftstoffen. Ziel ist, dass sich alle Fahrzeuge mit regenerativen Kraftstoffen betanken lassen, um eine schnelle ergänzende Lösung für eine CO2-neutrale Mobilität zu schaffen. „reFuels“ stützt sich auf innovative Infrastrukturen: Für das bioliq®-Verfahren, mit dem sich hochwertige Kraftstoffe aus biogenen Roh- und Reststoffen wie etwa Stroh erzeugen lassen, existiert am KIT bereits eine Anlage, die Ottokraftstoffe liefert. Das Energy Lab 2.0 am KIT ist ein weltweit einzigartiger Anlagenverbund: Dieser verknüpft modernste Technologien zur Erzeugung und Nutzung elektrischer, thermischer und chemischer Energie verknüpft wie Gasturbinen, Power-to-Methan und Wasserelektrolyse. Zudem werden im Energy Lab 2.0 unterschiedliche Kraftstoffkomponenten produziert.


Weltkleinster Transistor

Quantenelektronisches Element für höhere Energieeffizienz
Einzelatom-Transistor (Abbildung: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT).
Der Einzelatom-Transistor erreicht die Grenze der Miniaturisierung (Abbildung: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT).

Informationstechnologien verbrauchen enorme Mengen an Energie: Ob in Rechenzentren, PCs, Smartphones oder in eingebetteten Systemen für verschiedene Anwendungen von der Waschmaschine bis zum Flugzeug – zentrales Element der digitalen Datenverarbeitung ist der Transistor. Mit dem weltkleinsten Transistor, der Strom über die kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms schaltet, lässt sich die Energieeffizienz erhöhen: Das quantenelektronische Element ermöglicht Schaltenergien, die um einen Faktor 10 000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen. Dabei arbeitet der Einzelatom-Transistor bereits bei Raumtemperatur. Er funktioniert in einem Gel-Elektrolyten, der die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit verbindet.


Digitale Netzteile

Folienkondensatoren für längere Nutzung der Endgeräte
Netzteil (Foto: Markus Breig, KIT)
Langlebig und kompakt: Mit der am KIT entwickelten Technologie werden digitale Netzteile wichtige Wegbegleiter der Industrie 4.0. (Foto: Markus Breig, KIT)

Ein neues Modulationsverfahren zur digitalen und hochdynamischen Steuerung von Netzteilen macht den Einsatz von Folienkondensatoren bei nur geringfügig vergrößertem Bauraum möglich. Dank der Genauigkeit und Flexibilität der Regelung eignen sich solche digitalen Netzteile besonders für industrielle Anwendungen mit hohen Dynamikanforderungen, beispielsweise in Elektroautos. Die Langlebigkeit der verbauten Folienkondensatoren senkt die Ausfallquote der Schaltnetzteile und erhöht somit die Nutzungsdauer der Endgeräte um ein Vielfaches. Über einen Online-Monitor lassen sich die Netzteile zur Fernwartung oder Ferndiagnose in das Internet der Dinge integrieren. Digitale Netzteile werden damit wichtige Wegbegleiter der Industrie 4.0.


Sparsames Leuchten

Neuartige parallele LED-Schaltung

Straßenbeleuchtung mit LED-Technik spart Energie und damit Kosten. Eine am KIT entwickelte neue Schaltung kann die Stromkosten einer Leuchte um 30 bis 40 Prozent senken. So sind die Module aufgebaut: Mid-Power-LEDs werden in beliebig vielen Reihen bestückt, die über eine Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Ein vorgeschalteter Stromregler sorgt dafür, dass jede der LED-Reihen mit gleich viel Strom versorgt wird. Die Module zeichnen sich durch hohe Ausfallsicherheit und niedrige Produktionskosten aus und eignen sich für viele verschiedene Anwendungen, auch in der Medizin oder in der Landwirtschaft.

greenventory

Software zur Inventarisierung von Energiesystemen
Automatisierte Erkennung und Inventarisierung von Energiesystemen am Beispiel von Photovoltaikanlagen. (Abb. greenventory)
Automatisierte Erkennung und Inventarisierung von Energiesystemen am Beispiel von Photovoltaikanlagen.(Abbildung: greenventory)

Die von dem Start-up greenventory entwickelte Software ermöglicht Unternehmen und Städten, ihre Energie- und Klimaziele einfacher, schneller und kostengünstiger zu erreichen, indem sie ihnen die für eine vorausschauende Planung erforderliche räumlich und zeitlich hochaufgelöste Datenbasis bietet. Diese enthält alle energierelevanten Gebäudeparameter, bezieht die Netzinfrastruktur sowie Potenziale für Windkraft- und Photovoltaikanlagen ein. In einer ganzheitlichen Systemanalyse betrachtet die Software Wärme, Strom und Mobilität gemeinsam. Mit ihr lassen sich Energieversorgungs- und Klimaschutzkonzepte, beispielsweise für Produktionsstandorte, Händlernetze oder Quartiere, in deutlich kürzerer Zeit und deutlich höherer Qualität als bisher erstellen.