Mit der Hilfe dieses Systems können Betriebe weitgehend verhindern, dass Maschinen ungeplant ausfallen. Statt fixe Wartungsintervalle einzuhalten, können sie ihre Anlagen genau dann warten, wenn es wirklich notwendig ist. Das soll die Wartungs-, Inspektions- und Instandsetzungskosten von Maschinen um bis zu 30 Prozent senken. Das Forschungsprojekt AMELI 4.0 verbessert die Marktposition deutscher Unternehmen in der Industrie 4.0. Es wird deshalb vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Förderprogramm „IKT 2020 – Forschung für Innovation“ mit 3,84 Millionen Euro gefördert.

Hohe Anforderungen an Sensoren
In der Industrie 4.0 übernehmen Sensoren eine Schlüsselrolle. Sie sind die künstlichen „Sinnesorgane“ von Maschinen und Werkstücken und erfassen deren Zustand und Eigenschaften. Für eine intelligente Steuerung und Vernetzung der Produktion müssen die Sensoren in Echtzeit große Datenmengen sammeln und verarbeiten. Zugleich sollten sie möglichst energiesparend arbeiten und sich einfach in komplexe Produktionssysteme einbinden lassen. Die derzeit gängigen Industriesensoren sind für die Industrie 4.0 nur begrenzt geeignet. Sie sind für zahlreiche Applikationen in der Regel nicht intelligent und flexibel genug, verbrauchen zu viel Energie und sind zu teuer.

MEMS-Sensoren für die Industrie
Für das Vorhaben des Forschungsprojekts AMELI 4.0 nutzen die Forscher eine Schlüsseltechnologie der vernetzten Welt: MEMS-Sensoren (MEMS steht für Mikro-Elektromechanisches System). Aus dem Automobil und der Unterhaltungselektronik sind MEMS-Sensoren bereits nicht mehr wegzudenken. Sie sind beispielsweise der zentrale Baustein des Schleuderschutzes ESP und sorgen dafür, dass sich die Bildschirmanzeige von Smartphones beim Drehen anpasst. Im Vergleich zu gängigen Industriesensoren sind MEMS-Sensoren winzig, intelligent, energiesparend und günstig. Sie sind bisher aber vielfach nicht robust und leistungsfähig genug für das anspruchsvolle industrielle Umfeld. Deshalb bleibt das Potenzial der Zustandsüberwachung von Produktionsanlagen zum Teil ungenutzt. Das Forschungsteam von AMELI 4.0 wird MEMS-Sensoren so weiter entwickeln, dass sie auch für Industrieanwendungen geeignet sind. Eine große Rolle spielt dabei die Energieversorgung: Das neue System wird weder Kabel noch Batterie brauchen. Es soll vollkommen energieautark arbeiten, indem es aus den Maschinenschwingungen selbst den nötigen Strom erzeugt (Energy Harvesting).

Der Schall macht den Unterschied
Um die Maschine zu überwachen, wird das neue Sensorsystem zwei Arten von Schall messen: zum einen den Körperschall, also Schwingungen und Vibrationen innerhalb der Maschine, zum anderen den akustischen Schall, also die von der Maschine ausgehenden Geräusche. Wenn eine Anlage nicht wie geplant arbeitet, schwingt und klingt sie anders als im normalen Betriebszustand. Das System vergleicht die gemessenen Signale mit gespeicherten Profilen. Es lernt selbst hinzu und reagiert nur bei Änderungen, die auf einen Defekt oder Verschleiß hindeuten. So erkennt das Sensorsystem künftig frühzeitig, wann eine Maschine repariert oder gewartet werden muss. Bei komplexeren Systemen kann das Gateway (auch als Router bekannt), an das die Sensoren ihre Daten senden, oder das Rechnernetz der Fertigung diese intelligente Auswertung übernehmen.

Forschung im Verbund
Das Projekt AMELI 4.0 vereint Institute und Industriepartner, die auf ihrem jeweiligen Fachgebiet – Sensorik, Anlagen- und Maschinenbau, Zustandsüberwachung von Maschinen, Energiewandlung und Mikrotechnologie – weltweit führend sind und Innovationen vorantreiben. Die Robert Bosch GmbH als Marktführer für MEMS-Sensoren leitet das Projekt. Weitere Partner sind die Siemens AG, die Hahn-Schickard-Gesellschaft, das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, die Binder-Elektronik GmbH, die Schaudt Mikrosa GmbH und die Stackforce GmbH. AMELI 4.0 steht für Mikro-Elektromechanisches System zur Zustandsüberwachung in der Industrie 4.0. Das Projekt hat im Dezember 2015 begonnen und soll zum Jahresende 2018 abgeschlossen sein.