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Trotz strenger Standards können während der Produktion unbemerkt Fremdkörper wie Glas, Kunststoff, Holz oder Metallspäne in Lebensmittel geraten. Röntgensysteme erkennen solche Einschlüsse jedoch nur eingeschränkt – besonders, wenn Materialien ähnliche Dämpfungskoeffizienten besitzen, wie Glassplitter in Schokolade. Zudem erfordern sie strenge Sicherheitsmaßnahmen. Ein schnelles, sicheres, materialdurchdringendes und sensitiv arbeitendes Verfahren für die Inline-Kontrolle könnte hier weitere Sicherheit bringen.
Terahertz- und Millimeterwellenradare durchdringen nichtleitende Materialien und liefern dank Amplituden- und Phaseninformation kontrastreiche Bilder – auch bei ähnlichen Dämpfungswerten. Die Forschenden des Fraunhofer FHR haben Machbarkeits-Demonstratoren für Labor- und Inline-Systeme entwickelt: das hochauflösende tomografische THz-System µRADAS und das bandtaugliche Millimeterwellensystem SAMMI® für die laufende Qualitätskontrolle, das mit rotierenden Sende- und Empfangseinheiten Lebensmittel unterschiedlichster Form automatisiert untersuchen kann.
Beide Systeme erkennen zuverlässig Fremdkörper in Lebensmitteln auch durch die Verpackung hindurch (Ausnahme: leitende Verpackungen wie Alufolie). Das bandtaugliche Millimeterwellensystem visualisiert zudem fehlende oder falsch platzierte Inhalte wie bei Adventskalendern. Beide Systeme arbeiten nicht-ionisierend, verbessern die Qualitätssicherung und eröffnen Perspektiven für schnellere Inline-Kontrolle sowie erweiterte Anwendungen, z.B. in der zerstörungsfreien Produktprüfung.
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Für hohe Qualität und effiziente Produktion von Kunststoffrohren müssen Wand- und Schichtdicken, Durchmesser, Ovalität und Materialverteilung (z.B. Sagging) schon während der Extrusion exakt gemessen werden. Bisherige Systeme erfassten nur Teilaspekte, waren temperatur- oder materialsensitiv oder verursachten Zusatzkosten wie beim Röntgen. Gesucht war ein System, das alle Daten möglichst zeitnah und unabhängig von Bedingungen liefert.
FMCW-Radare (Frequency Modulated Continuous Wave; frequenzmodulierte Dauerstrichradare) eignen sich, Kunststoffe mit geringer Absorption zu durchdringen und alle benötigten Eigenschaften unabhängig von Umgebungseinflüssen zu messen. Standardgeräte boten jedoch zu geringe Auflösung. Durch Anhebung der Bandbreite auf 80–300 GHz und den Einsatz mehrerer verteilter Transceiver, eines rotierenden Messkopfs und spezieller Auswertesoftware konnten die Systeme für die schnelle Vermessung zylindrischer Kunststoffobjekte optimiert werden.
Die neuen FMCW-Systeme vermessen Rohre mit 1–2 cm Wanddicke und bis zu 120 cm Durchmesser. Sie erfassen früh im Extrusionsprozess zuverlässig Innen- und Außendurchmesser, Wanddicke, Ovalität sowie Oberflächen. Zudem erkennen sie Grenzschichten mehrschichtiger Rohre und bestimmen Schichtdicken – nahezu in Echtzeit und unabhängig von Temperatur, Material und Sichtbedingungen sowohl im Heißbereich als auch beim Erkalten.
Projektpartner: Fraunhofer FHR, Firma Sikora, Kunststoffzentrum KSZ
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In Walzwerken herrschen extreme Bedingungen: rotglühender Stahl, starke Vibrationen, Zunder und Wasserdampf setzen herkömmlicher Inline-Sensorik stark zu oder verhindern ihren Einsatz. Dennoch werden hohe Messgenauigkeit (± 1 mm), Ausfallsicherheit im 24/7-Betrieb, Temperaturstabilität von −10 °C bis 55 °C sowie einfache Integration gefordert. Üblich war daher die Produktion in Überbreite mit hohem Energie- und Kostenaufwand.
Gesucht war also eine robuste, präzise und nachhaltigere Messlösung, die Überbreite und Verschnitt reduziert und so Energieverbrauch, CO₂-Emissionen und Kosten durch weniger Wiederaufschmelzen senkt.
Gemeinsam mit der IMS Messsysteme GmbH entwickelte das Fraunhofer FHR ein radarbasiertes Breitenmesssystem aus zwei FMCW-Radaren, die links und rechts der Messstelle unabhängig den Abstand zum Stahlband erfassen. Durch eine gezielte Kalibrierung lassen sich daraus Bandbreite und Mittenposition hochpräzise bestimmen. Dank kompakter Bauweise und robuster Sensorik konnte das System flexibel integriert werden und erreichte im Labor wie im realen Betrieb stabile Genauigkeiten von ± 0,5 mm. Die kompakte Sensorik und die unabhängigen Einzelsensoren ermöglichen einen flexiblen Einbau passend zur Messstelle.
Seit 2017 ist eine vollständig industrialisierte Version der Radarbreitenmessung in der Warmbandstraße am Vorgerüst der Salzgitter Flachstahl GmbH in Betrieb. Das System misst zuverlässig, präzise und störungsfrei die Breite der Bänder inline im 24/7-Betrieb.
Um den Ausschuss weiter zu reduzieren und Energie und Kosten einzusparen erforschen das Fraunhofer FHR mit der Ruhr-Uni Bochum, IMS Messsysteme GmbH, SMS Group GmbH und IMST GmbH im Förderprojekt ASRA (Adaptive Regelung von Stahlbändern in Warmwalzstraßen auf Basis hochpräziser Radarsignalverarbeitungsverfahren) wie die Breitenmessung durch Erkennen von Walzgutkontur, -kopf und -fuß mithilfe modernster Radar-, Chiptechnologie und Signalverarbeitung noch schneller und präziser erfolgen kann.
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Die Dicke von Stahlbändern muss für die Weiterverarbeitung auf ganzer Bandlänge und ohne größere Schwankungen eingehalten werden. Optische Systeme versagen jedoch unter den harschen Bedingungen in Walzwerken, Röntgensysteme eignen sich nur für dünnes Material und isotopenbasierte Verfahren erfordern aufwendigen Strahlenschutz. Eine robuste und präzise Messmethode ohne radioaktive Strahlenquellen, die mit Bandgeschwindigkeiten von 20 km/h mithalten kann, soll künftig Qualität, Sicherheit und Nachhaltigkeit erhöhen.
Bei dem mit der IMS Messsysteme GmbH entwickelten Sensorsystem Strike erfassen zwei vierkanalige Radarsensoren ober- und unterhalb des Stahlbandes synchron die reflektierten Signale. Eine im Sensor integrierte FPGA-basierte Auswerteeinheit berechnet die Abstandswerte und damit die Dicke des Bandes in Echtzeit. Das System erreicht Genauigkeiten von unter 100 µm bei eben laufendem Band und unter 150 µm bei geneigter Bandoberfläche.
Im Verbundprojekt RaDime untersucht ein Konsortium unter Beteiligung des Fraunhofer FHR wie sich die Effizienz der Sensorik weiter steigern lassen. Dafür integrieren sie ein DualBand-SiGe-MMIC in ein echtzeitfähiges Multikanal-MIMO-Millimeterwellensensormodul und kombinieren das mit KI-Methoden. So sollen Interferenzen unterdrückt, Messunsicherheiten reduziert und eine stabile Dickenmessung bei sehr hohen Bandgeschwindigkeiten ermöglicht werden.
Der Strike-Sensor ist bereits fertiggestellt. Nach der aktuellen Testphase, welche die Ausfallsicherheit garantieren soll, wird die IMS Messsysteme GmbH die Sensoren in ihren Aufbau integrieren und eine erste Messanlage an ein US-amerikanisches Walzwerk ausliefern.
Das im Rahmen des Innovationswettbewerbs Industrie.IN.NRW vom Land Nordrhein-Westfalen und der Europäischen Union geförderte Projekt RaDime befindet sich noch am Anfang. Beide Vorhaben haben hohe Produktqualitäten und die Minimierung von Ausschuss und Energieverbrauch in den Walzwerken zum Ziel – ohne den Einsatz ionisierender Strahlung.
Partner RaDime: Fraunhofer FHR, IMST GmbH, Ruhr-Universität Bochum, Bochumer Institut für Technologie
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Die Intralogistik ist durch dynamische Umgebungen und das Zusammenspiel von Robotern, fahrerlosen Fahrzeugen und Mitarbeitenden hochkomplex. Präzise und robuste Echtzeit-Ortung ist entscheidend, um Durchlaufzeiten und Lagerkosten zu senken. Optische SLAM-Systeme (simultaneous localization and mapping) reagieren empfindlich auf Staub, Lichtwechsel und Reflexionen, während RF-basierte Verfahren per UWB, Bluetooth oder WLAN oft nicht die nötige Genauigkeit im Sub-Meter-Bereich liefern. Radar bietet hier prinzipielle Vorteile, ist für industrielle Lageranwendungen jedoch bislang nicht verfügbar.
Im Förderprojekt SHIELD entwickeln Industrie- und Forschungspartner ein harmonisches ISM-Radarsystem zur präzisen, störungssicheren und echtzeitfähigen Positionsbestimmung in der Intralogistik. Objekte werden hierfür mit frequenzverdoppelnden Tags markiert. Verteilte, unabhängige Radarsysteme messen die Echosignale mit hoher Bandbreite bei 61 und 122 GHz. Neben der hochgenauen 3D-Ortung auch bei Mehrwegeausbreitung stehen robuste Signalverarbeitung, skalierbare Systemarchitekturen und die einfache Integration in bestehende Logistikumgebungen mit entsprechenden Schnittstellen im Fokus.
Das von der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW geförderte Projekt läuft bis 2027. Ziel ist eine hochpräzise, echtzeitfähige Ortung unabhängig von Licht, Staub oder Reflexionen, die auch in dynamischen, komplexen Lagerumgebungen stabil bleibt, so dass sich Abläufe effizienter steuern, Kollisionen vermeiden und Durchlaufzeiten sowie Kosten deutlich senken lassen.
Partner: Fraunhofer FHR, Ruhr-Universität Bochum, Fraunhofer IML, Technische Universität Dortmund, SDFS Smarte Demonstrationsfabrik Siegen GmbH, Würth Industrie Service GmbH & Co. KG und Heuel & Löher GmbH & Co. KG (Konsortialführer)
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Testaufbauten von Radar-Reader und Tag zum Nachweis des Prinzips im Labor. © Fraunhofer FHR
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Bewegungsanalysen könnten nach Unfall, Krankheit oder Operationen wertvolle Informationen zur Unterstützung eines zügigen und nachhaltigen Genesungsprozesses liefern. Bisher können diese jedoch nur aufwendig in Spezialpraxen durchgeführt werden, in der normalen Umgebung der Patientinnen und Patienten über einen längeren Zeitraum sind sie noch nicht möglich. Dabei könnte eine Langzeitüberwachung helfen, frühzeitig z.B. Haltungsschäden zu erkennen und mit orthopädischen oder physiotherapeutischen Maßnahmen entgegenzusteuern – für nachhaltige Heilungserfolge zum Wohle der Patienten und zur Senkung von Folgekosten im Gesundheitswesen.
Sensoren aus kombinierter RFID und Hochfrequenz-Technik in der Kleidung betroffener Personen zur Erfassung von Bewegungsmustern im Alltag. Dafür hat das Fraunhofer FHR als Teilaufgabe im Gemeinschaftsprojekt Reha-To-Go hochfrequente, miniaturisierte Radarsysteme entwickelt, welche die Signale von verteilten, an entscheidenden Stellen in der Alltagskleidung der Patientinnen und Patienten angebrachten RFID-Tags (Radio Frequency Identification) erfassen. Zum Einsatz kommen Frequenzen von 61 GHz für den fundamentalen Sendekanal und 122 GHz für den harmonischen Empfangskanal.
Im Projekt konnte eine exakte Positionsbestimmung der einzelnen Tags am Körper über die Zeit erreicht werden. Die präzise Erfassung der Bewegungsmuster von zu behandelnden Personen ist technisch sehr gut umsetzbar. Sensorik- oder Medizintechnik-Herstellern, die an der Realisierung zum Nutzen von Patientinnen und Patienten interessiert sind, stehen wir für Kooperationsanfragen gerne zur Verfügung. Das System hat großes Potenzial für weitere Anwendungen, insbesondere solchen, bei denen herkömmliche Radare mit vielen Störern (Clutter) an ihre Grenzen geraten. Die Intralogistik wie im Projekt SHIELD ist ein solches Beispiel.
Das Projekt wurde aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert.
Partner: Fraunhofer FHR, Ruhr-Uni Bochum, Firma ID4Us, Firma Unyt, Universität Duisburg-Essen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universitätsklinikum Essen, Universität Paderborn, Firma Luttermann
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Das Leistungszentrum Terahertzsensorik vereint die Expertise der Fraunhofer-Institute FHR und IMS, die beide als Mitglieder der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland ihre umfassenden Kompetenzen in der Chip-Entwicklung auch in das europäische Großprojekt APECS – Pilot Line for Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems – einbringen.
Im Rahmen der Initiative „Chips for Europe“, kofinanziert durch das Chips Joint Undertaking sowie nationale Förderungen aus Belgien, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Österreich, Portugal und Spanien, arbeiten zehn starke Forschungspartner aus acht europäischen Ländern an einer Pilotlinie für Advanced Packaging und die Heterointegration elektronischer Komponenten und Systeme.
Ziel ist es, die technologische Resilienz Europas sowie die globale Wettbewerbsfähigkeit seiner Halbleiterindustrie zu stärken. Dafür werden neueste Erkenntnisse aus dem Bereich der Heterointegration, insbesondere innovative Chiplet-Technologien, in skalierbare, robuste und vertrauenswürdige heterogene Systeme umgesetzt.
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Das Potenzial von Terahertz-Systemen für aktuelle und künftige Märkte ist groß. Setzen Sie Ihre Innovationsideen mit uns in die Praxis um.
