Maßband Innovativ (MaInno)

Maßband Innovativ – Dehnung, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit durch neue Ansätze in der Fertigung und Werkstofftechnik

Da es sich bei einem GFK-Bandmaß um eine sehr spezielle Anwendung handelt existiert kein breit verfügbares Fertigungsverfahren. Bei der Herstellung der Bandmaße werden Glasfasern durch die Matrize eines Querextruders geführt und so ummantelt. Durch moderne Fertigungstechnologie könnte aber genau diese Anwendung stark profitieren. Durch ein neuartiges Extrusionsverfahren können die Bänder dünner gemacht werden. Werden die Glasfasern vorbehandelt, kann eine bessere Haftung zwischen Faser und Polymermatrix erzielt werden. Statt nur Längsfasern zu ummanteln kann ein Quer- oder Schußfaden das Band robuster gegen das Aufspleißen in Längsrichtung machen. Durch das Markieren der Bänder (Teilung) mit einem Laser direkt nach der Extrusion wird die Teilung auf den Bändern extrem abriebfest. So könnten nicht nur bessere GFK-Bänder hergestellt, sondern ggf. sogar das Preisniveau gehalten werden. Diese Innovation könnte nicht nur im Bereich der Glasfaserbandmaße eine entscheidende Verbesserung darstellen. Auch andere Märkte, in denen jetzt oder in Zukunft, endlose, biegsame aber zugfeste Bänder benötigt werden, können von diesem Forschungsvorhaben profitieren. Abschließend zeigt Tabelle 3 den aktuellen Stand und die angestrebte Innovation im Vergleich.

 

 

Projektdatenblatt

 

Polymerfaserbasiertes Messen, Steuern und Schalten (POF-Control)

Das Polymer Optical Fiber Application Center (POF-AC) der Technischen Hochschule Nürnberg steht seit seiner Gründung im Jahr 2001 für anwendungsbezogene Forschung auf dem Gebiet der Optischen Polymerfaser (POF) in den Bereichen Datenübertragung, Sensorik und Beleuchtungstechnik. In den letzten Jahren zeichnet sich ein anhaltender Trend auf dem Gebiet der optischen Fasern ab, in denen es vor allem darum geht, Funktionen über Verbindungen mit großer Spannungsdifferenz auszuüben. Zwei der wichtigsten Felder sind dabei die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) und die Elektromobilität. In einem neuen Forschungsschwerpunkt an der TH Nürnberg werden nun bisherige Forschungsergebnisse des POF-AC mit neuen Verfahren verknüpft und unter dem Namen  „POF-Control“ vereint. POF-Control hat dabei das Potenzial, verschiedenen Problemstellungen mit interdisziplinären Ansätzen zu lösen.

 Projektdatenblatt

Projektverantworlicher im POF-AC
Prof. Dr.-Ing. Olaf Ziemann
Tel: + 49 911 5880 1060
mail: olaf.ziemannatth-nuernbergPunktde

Gefördert durch
Bayerisches Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst

Laufzeit:
01.01.2015 bis 31.12.2018

Universeller Farbumschlagsensor mit Polymerfasern (UFUS-POF)

Die Optische Polymerfaser (POF) wurde in den letzten Jahren vor allem für Kurzstrecken-Datenkommunikation betrachtet. Immer interessanter wird aber auch der Einsatz im Bereich der Sensorik. Im beantragten Projekt soll grundsätzlich untersucht werden, wie Farbumschlagsreaktionen mit Hilfe von POF-basierten Sensoren zur Detektion verschiedener Stoffe ausgenutzt werden können. Dazu sollen unsere bereits bestehenden interdisziplinären Kooperationen ausgenutzt werden.

 Projektdatenblatt

Gigabit Photodioden mit MSM-Struktur für POF-Systeme (GIGA POMP)

Das wesentliche Ziel des GigaPOMP Projektes war die Herstellung von Metall-Halbleiter-Metall Photodetektoren (MSM-PD) auf Galliumarsenid-Basis (GaAs) für den Einsatz in sehr schnellen (im Bereich 3 Gbit/s bis 10 Gbit/s) optischen Übertragungssystemen mit Polymerfasern. Bisherige Photodioden waren entweder für Fasern mit kleinem Durchmesser (z.B. 50 μm) optimiert oder nicht für hohe Geschwindigkeiten geeignet. Dank der kleinen Kapazität konnten die hergestellten MSM‑Photodetektoren den Geschwindigkeitsbereich deutlich erweitern. Somit kann der Einsatz von optischen Fasern mit großem Kerndurchmesser die Aufbau- und Verbindungstechnik auch bei hohen Bitraten extrem vereinfachen und damit die Link-Kosten reduzieren.

Im Projekt wurden verschiedene Strukturen hergestellt, vermessen und in realen Anwendungen getestet. Durch die Optimierung der Interdigitalstrukturen, der elektrischen Kontakte und der Schichtstrukturen wurden Empfindlichkeit und Bandbreite des MSM-Photodetektors optimiert und in realen optischen Kommunikationssystemen bei Bitraten bis 10 Gbit/s getestet.

Bewilligungszeitraum: 01.05.2010 bis 30.04.2013

Projektleiter: Prof. Dr. Engelbert Hartl

Im Projekt waren weiterhin beteiligt:

Philips Technologie GmbH U-L-M Photonics
Freiberger Compound Materials GmbH
Avago Technologies Fiber GmbH
Femto Messtechnik GmbH
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Gigabit-Datenübertragung mit fluoreszierenden Fasern (GIGA FLUO)

In vielen Anwendungen ist es notwendig Daten zwischen einem rotierenden Sys­tem­teil und einem feststehenden Systemteil zu übertragen. Beispiele dafür sind Computer­tomogra­phen, Gepäckscanner an Flughäfen, Fertigungsanlagen, Industrieroboter, Windkraftwerke und Radar­antennen. Diese Aufgabe wird von sogenannten Drehübertragern  erledigt. Zunehmend werden für Anwendungen mit sehr hohen Datenübertragungsraten, im Bereich von mehreren Gigabit/s, "faser­optische Drehübertrager" eingesetzt. Diese ermöglichen es, die herausragenden Vorteile der faseroptischen Übertragungstechnik, nämlich hohe Datenraten und extreme Störsicherheit, auch über die rotierende Schnittstelle hinweg zu gewähr­leisten.  Die Menge der Da­ten steigt jedoch enorm und derzeitige Lösungen sind in absehbarer Zeit den Anfor­derungen nicht mehr gewachsen oder nicht zu akzeptablen Kosten herstellbar.

Fasern, die mit fluoreszierenden Farbstoffen dotiert sind, erlauben die seitliche Einkopplung der zu übertragenden Information. Die bisher geltende Limitierung auf etwa 600 Mbit/s pro Kanal soll innerhalb des Projekts um den Faktor 10 angehoben werden. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung schnellerer und stabilerer Farbstoffe (LMU), die maßgeschneidert in Absorptions- und Emissionsverhalten an verfügbare Sender und Empfänger angepasst werden, durch Anwendung höherer Codierungs- und Fehlerkorrekturverfahren (POF-AC) in Anlehnung an VDSL-Techniken und durch verbesserte laterale Einkopplung (POF-AC & IPM) des Signallichts in die Faser. Der Industriepartner Venturetec Mechatronics ist verantwortlich für die komplette mechanische Struktur und wird die Drehübertrager, die in der finalen Version mindestens 1 m freien Innendurchmesser haben sollen, in anwendungsnahen Testaufbauten unter realen Bedingungen prüfen.

Technische  Hochschule Nürnberg Georg-Simon-Ohm 

Mit Beteiligung der Partner:
Venturetec Mechatronics, Kaufbeuren
Ludwig-Maximilians-Universität München, Dept. Chemie
Institut für Prototypen- und Modelltechnik der Hochschule Coburg

 

Projektlaufzeit: 1.5.2012 – 30.4.2015

 

Schalten von Thyristoren mit optischen Polymerfasern (ST-POF)

Das optische Schalten von Thyristoren wird durch die geplante Energiewende und dem damit verbundenen Ausbau der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) in Zukunft eine  bedeutende Stellung in der bundesweiten Stromversorgung einnehmen. Der besondere Vorteil dieser schaltbaren Halbleiterbauelemente liegt darin, dass die Zündung ohne galvanische Verbindung zum Lastkreis erfolgt. Aus diesem Grund werden Light Triggered Thyristors (LTTs) beim Ausbau der HGÜs in Zukunft vermehrt zum Einsatz kommen, wobei optische Fasern verwendet werden. Glasfaserleitungen bringen jedoch Nachteile, wie etwa die anspruchsvolle Handhabung,
den geringen Kerndurchmesser und die damit verbundene Anfälligkeit für Beschädigungen mit sich.

Das Projekt „ST-POF Schalten von Thyristoren mit optischen Polymerfasern“ verfolgt das Ziel, vorhandene Systeme – basierend auf Glasfasern und Laserdioden – durch eine Version mit  Polymerfasern und LED zu erweitern. Hierdurch würden sich unter anderem die Kosten für die Bereitstellung der Strom-Infrastruktur verringern lassen. Der hohe Wirkungsgrad der LED sowie die geringe Störanfälligkeit der robusten Polymerfasern bieten eine vielversprechende Alternative zum   Glasfaser-Laserdioden- System. Um dieses Konzept für den praktischen Einsatz nutzbar zu  machen, sind zunächst grundlegende Voruntersuchungen notwendig, die nun im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie am Kompetenzzentrum POFAC der TH Nürnberg untersucht werden.

Vorteile der ST-POF-Lösung

Die aktuelle glasfaserbasierte Lösung bei der Übertragung von Hochspannungs-Gleitstrom wird bereits in vielen Anlagen verwendet. Jedoch weist sie einige Nachteile gegenüber der angestrebten Polymerfaser-LED-Lösung auf. Der niedrige Kerndurchmesser der optischen Glasfaser erschwert die Lichteinkopplung, ist anfällig für Beschädigungen und ist für die Verwendung der LEDTechnik nicht geeignet.

Der Einsatz einer Polymerfaser hingegen erlaubt aufgrund des größeren Durchmessers und Akzeptanzwinkels die kostengünstige und robuste LED-Technik. Ein weiteres Problem stellen Faserbrüche auf Grund der Biegebelastung an der Verbindungsstelle zum Thyristor dar. Dieses Problem ließe sich ebenfalls durch Verwendung der robusten Polymerfaser ausschließen, da diese selbst unter Belastungen und kleinen Biegeradien die Lichtleitung nur geringfügig beeinflussen.

Umsetzung der ST-POF-Lösung

 

Einer der wichtigsten Punkte des Forschungsprojekts sind die Charakterisierungen der optischen Polymerfasern hinsichtlich ihrer Eignung zur Übertragung, die Ansteuerung der Diode sowie die Ein- und Auskopplung des Lichts in die Faser. Weiterhin ist zu  untersuchen, inwieweit beim aktuellen System die Glasfaser durch die Polymerfaser bei identischen Lasern und Thyristoren ersetzt werden können. Neben weiteren Untersuchungen zur notwenigen Lichtleistung bei kurzwelligem Licht, Studien zu aktuell verfügbaren LEDs sowie der Optimierung der Einkopplung der LED in die POF, bedarf es der Entwicklung der LED-Ansteuerung zur  Erzeugung eines Lichtimpulses sowie einer Verbesserung der Licht-Kopplung von Faser auf Thyristor.

Projektziele

Aufgrund der Vielzahl der Aufgaben sind nicht alle Untersuchungen in der Projektlaufzeit von einem Jahr zu erfüllen. Aus diesem Grund ist das Ziel des Forschungsprojekts zunächst eine Machbarkeitsprüfung, in der auf Basis der bereits vorhandenen Komponenten (Laserdioden und Thyristoren) die maximal mögliche Übertragungslänge im infraroten Bereich untersucht wird. Im
Falle einer positiven Bewertung der Ergebnisse werden in einem Folgeprojekt die tatsächlichen Lösungen entwickelt und untersucht, um das volle Potential der LED/ POF-Kombination im  Praxiseinsatz nutzen zu können.

Projektdatenblatt

Optische Sensoranbindung mit Leuchtdioden (OSALED)

Die Messung von verschiedenen physikalischen und chemischen Größen, wie die Temperatur oder der Druck, wird mit preiswerten elektronischen Sensoren durchgeführt. Üblicherweise sind diese Sensoren über elektrische Leitungen mit einer zentralen Basis zur Anlagen- und Prozess-Steuerung verbunden. Bei großen Spannungsunterschieden zwischen den Anlagenteilen oder in der Nähe von starken elektromagnetischen Feldern können diese elektrischen Verbindungen jedoch nicht verwendet werden. Bei einer Anwendung würde es zu Kurzschlüssen oder falschen Messwerten kommen. Beispiele sind Hochspannungsanlagen und Leistungselektronik-Baugruppen für die Energieversorgung oder für die Motorsteuerung in Fahrzeugen.

Eine Lösung bietet das Forschungsprojekt OSALED der TH Nürnberg: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Dr. Rainer Engelbrecht und seines Kollegen Prof. Dr. Olaf Ziemann vom Institut Polymer Optical Fiber Application Center (POF-AC) erforschen im Projekt „OSALED“, wie eine Vielzahl von Sensoren mit optischen Lichtwellenleitern potenzialgetrennt und störungsfrei mit einer Basis verbunden werden können. Sowohl die Energieversorgung der Sensoren als auch die Datenübertragung zur Basis erfolgt durch Licht. Bislang sind dafür unter anderem vier separate Komponenten an der Basis und dem Sensor erforderlich: Eine Energiequelle (die Leuchtdiode), ein Photonic Power Converter (PPC), eine Daten-LED und eine Photodiode. Die Verbindung eines Sensors mit der Basis erfordert zusätzlich entweder zwei Lichtwellenleiter oder aufwendige Verzweigungsoptiken.

Am Institut POF-AC der TH Nürnberg wurde in der Vergangenheit bereits ein Konzept entwickelt, das an der Basis und am Sensor mit jeweils nur einer roten LED auskommt, die sowohl als Lichtsender als auch als Lichtempfänger eingesetzt wird. Damit kann ein Sensor mit nur einem Lichtwellenleiter, z.B. einer optischen Polymerfaser (POF), mit der Basis verbunden werden.
„Mit neuen blauen LED soll jetzt eine Verbesserung der Reichweite über Polymerfasern und der Energieeffizienz erzielt werden“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Rainer Engelbrecht vom POF-AC, „vor allem aber soll die Zahl der benötigten Bauteile verringert werden, um eine preiswerte Massenfertigung und industrielle Anwendung zu ermöglichen“. Blaue LEDs sind aufgrund ihres großen Wirkungsgrades in der Lichterzeugung derzeit die mit Abstand effizientesten Lichtquellen.
Im Projekt müssen jedoch die bislang weitgehend unbeachteten Wandler- und Hochfrequenz-Eigenschaften kommerziell erhältlicher blauer LED erforscht werden, die üblicherweise für diese Anwendung noch nicht getestet sind.

Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung kostengünstiger und anwendungsfreundlicher optisch angebundener Sensornetze für industrielle Anwendungen, z.B. zur Überwachung von Hochspannungsanlagen oder im Umfeld leistungsstarker elektrischer Motoren.

Projektbeginn:     01.01.2017
Projektende:        30.06.2018

Projektverantwortlicher im POF-AC:

Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Engelbrecht
Tel: 0911 5880 1189
e-mail: rainer.engelbrechtatth-nuernbergPunktde

Gefördert durch:

Staedtler Stiftung

Projektdatenblatt