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Liebe Leserinnen und Leser,
„an Fachhochschulen wird anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung (FuE) betrieben – und
zwar mehr als gemeinhin von diesem Hochschultyp erwartet“ – zu diesem Schluss kommt das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung nach einer Analyse der gut 6 000 Forschungsprojekte, die zwischen 2000 und 2003 an deutschen Fachhochschulen durchgeführt wurden.
Die Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft ist in Baden-Württemberg nicht nur die größte
Fachhochschule, sondern war im vergangenen Jahr mit einem Umsatz von mehr als 2 Millionen
Euro an Drittmitteln auch die forschungsintensivste. Damit ist sie bei der Erfüllung ihres gesetzlichen Auftrags, anwendungsbezogene Forschung und Entwicklung durchzuführen, sehr erfolgreich
und fördert so auch durch Wissens- und Technologietransfer die Umsetzung und Nutzung ihrer
Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in die Praxis. Für die Profilbildung der Hochschule ist die
angewandte Forschung eine maßgebliche Komponente, die in Zukunft noch weiter ausgebaut werden soll. Ein Großteil der
Projekte wird vom Institut für Angewandte Forschung (IAF), der zentralen Forschungseinrichtung der Hochschule, getragen.
Aber auch dezentrale Forschungseinrichtungen an den Fakultäten führen interessante, meist kleinere Projekte durch. Hier ist
insbesondere das Institut für Geomatik (IfG) und die Versuchsanstalt für Wasserbau (VAW) zu nennen.
Die aktuelle Ausgabe unseres Forschungsberichts möchte Ihnen auch in diesem Jahr einen Einblick in die vielfältigen Aktivitäten und Projekte gewähren. Schwerpunkte in diesem Band sind:
Umwelttechnik / Umweltmesstechnik
Maschinenbau / Mechatronik
Informatik / Geoinformationswesen
„Hochwasserschutz am Oberrhein“, „Behandlung von Feuchtwasser im Offsetdruck“ oder „Bauchemie – Grundlagenforschung
für die Praxis“ sind nur drei von sechs Themen in der Rubrik „Umwelttechnik / Umweltmesstechnik“. Sie vermitteln einen guten
Eindruck davon, wie vielseitig die Forschungsinteressen der Hochschule auf diesem Gebiet sind. Dies gilt insbesondere dann,
wenn man berücksichtigt, dass die vorgestellten Projekte nur eine kleine Auswahl aus dem gesamten Spektrum darstellen.
In der Rubrik „Maschinenbau / Mechatronik“ wurde dieses Jahr ein besonderer Schwerpunkt auf die Aktivitäten am Institut für
Fertigungstechnik und Produktion gelegt, das mit fünf Einzelbeiträgen vertreten ist.
Traditionsgemäß bildet der Bereich „Informatik / Geoinformationswesen“ schon seit Jahren einen Forschungsschwerpunkt an
der Hochschule. Mit insgesamt sieben Beiträgen gewähren wir Ihnen auch dieses Mal einen Einblick in die Forschungsarbeit
in diesen Disziplinen.
Im Kapitel „Schlaglichter“ möchten wir Ihnen – wie in den vergangenen Jahren – weitere, nicht weniger interessante Projekte
kurz vorstellen.
Mein Dank gilt auch in diesem Jahr wieder allen Kolleginnen und Kollegen, die ihre Ergebnisse in diesem Bericht veröffentlichen, aber auch all denjenigen, die sich mit viel persönlichem Einsatz und Aufwand in Forschungsprojekten engagieren. Stellvertretend für die Autoren möchte ich mich insbesondere auch bei den Studierenden bedanken, die in einigen Projekten im
Rahmen verschiedener Arbeiten beteiligt waren. Manche Projekte konnten auch nur aufgrund der engagierten Unterstützung
von Labors oder Werkstätten erfolgreich durchgeführt werden. Vielen Dank auch all denen, die redaktionell und organisatorisch an der Publikation dieses Forschungsberichts mitgewirkt haben.
Als Leser wünsche ich Ihnen bei der Lektüre einen interessanten Einblick in die Forschungsaktivitäten unserer Hochschule.
Prof. Dr. Karl-Heinz Meisel
Rektor
1
Inhalt
Seite
Vorwort
1
Karl-Heinz Meisel
Impressum
5
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Mikro-Gassensoren – Metalloxid-Dickschichten auf Si-Micro-Hotplates
6
Kevin Frank, Ying Huang und Heinz Kohler – IAF-Sensorikgruppe
Überwachung und Behandlung von Feuchtwasser im Offset-Druckprozess
10
Jan Hoinkis und Gunther Krieg
Bauchemie – Grundlagenforschung für die Praxis
13
Petra Bischoff, Peter Krolla-Sidenstein und Andreas Gerdes
Agenda21-Projekt: Messtechnische Untersuchungen an Schulen zur
Unterstützung eines energiebewussten Nutzerverhaltens
18
Klaus Wolfrum, Harald Garrecht, Tilla Pflaum und Tanja Brecht
Hydraulische Modelluntersuchungen zu Hochwasserschutzmaßnahmen am Oberrhein
24
Norbert Eisenhauer
Bilanzierung der Auen und Überschwemmungsgebiete an Flüssen in Deutschland
26
Detlef Günther-Diringer
Maschinenbau/Mechatronik
Entwicklung eines Zweitaktdieseltriebwerks für Flugzeuge
30
Rüdiger Haas und Felix Huying
EDEM – NT (Electric Discharge and Electrode Machining – New Technologie) –
ein innovatives Maschinenkonzept für den Formenbau
33
Rüdiger Haas, Gunther Knox und Sebastian Langen
Fastool: Fast and automated tool manufacturing – Rationalisierung des Programmieraufwands für Graphitelektroden
im Bereich der Funkenerosion
36
Rüdiger Haas, Gunther Knox und Corinna Kölle
Einfluss schwefelhaltiger Additive auf die tribologischen Eigenschaften von Kühlschmierstoffen
38
Rüdiger Haas und Björn Muth
Technologieentwicklung für verschiedene wasserbasierte Dielektrika am Beispiel des funkenerosiven Bohrens
41
Rüdiger Haas und Markus Munz
Eisbrei – das „kalte Wasser“ der Zukunft
47
Michael Kauffeld
Mikroleiter in der Hybridtechnik
51
Fritz J. Neff
2
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Informatik/Geoinformationswesen
The Experton Production Technology Concept
57
Norbert Link und Michael Peschl
Haptisch unterstützte Bedienelemente für das Mensch-Maschine-Interface eines Fahrzeugcockpits
61
Britta Nestler
Rotations- und skalierungsinvariante Objekterkennung mittels Gaborfilter
67
Gerhard Schäfer und Rüdiger Heintz
Entwicklung eines Austauschformats und eines Editors für Lebenszyklusdaten
70
Oliver Kusche und Andreas Schmidt
WB3 – Visualisierung von Siedlungsstrukturen
74
Peter A. Henning
Virtuelle Archäologie am Beispiel der Römischen Villa Stettfeld
76
Peter A. Henning
DFHRS – A rigorous Approach for the Integrated Adjustment and Fitting of Height Reference Surfaces
78
Reiner Jäger
Schlaglichter
Kernspintomografieuntersuchungen von porösen Polymeren mit dem thermisch polarisierten Gas SF6
83
Dieter Höpfel und Maxim Terekhov
Continuing Professional Development (CPD) for Construction Management in Europe –
Ein EU-Projekt zur Erarbeitung eines „blended e-learning“-Konzepts für die Bauindustrie
86
Andreas Luckey
Capacity Building zu Geoinformationsverarbeitung für die zentralen und südlichen Philippinen
89
Peter Freckmann und Gertrud Schaab
Gesundheit und Kommunikation
91
Michael Thiele
4
Impressum
ISSN 1613-4958
Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft.
Forschung aktuell 2007
Herausgeber
Rektorat der
Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
Redaktion und Gestaltung
Prof. Dr. Karl-Heinz Meisel
Rektor der
Hochschule Karlsruhe
Technik und Wirtschaft
Cordula Boll M. A.
Geschäftsstelle für Öffentlichkeitsarbeit
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und Marketing der
Hochschule Karlsruhe
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Technik und Wirtschaft
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Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Kevin Frank, Ying Huang und Heinz Kohler – IAF-Sensorikgruppe
Mikro-Gassensoren – Metalloxid-Dickschichten auf Si-Micro-Hotplates
In this work it was shown that organic pastes filled with metal oxide nano-powders can be dispensed on
micro-hotplates with a membrane area of 128 x 128 μm2. This demonstrates that in future thick-film gas
sensitive layers can be microstructured on such tiny and extremely fragile membranes enabling production
of very low power metal oxide gas sensors (P < 100 mW) and full integration of such devices into high integrated electronic circuits on one chip. The full functionality of the device after dispensing and sintering was
demonstrated. However, unfortunately the full sintering procedure could not be applied due to insufficient
power of the integrated heater and the contact windows for heater and temperature sensor are uncovered
by an isolating layer. Both prevent good sensitivity performance.
Ausgangssituation
In vergangenen Forschungsberichten wurde
mehrfach auf die hohe Bedeutung der Metalloxid-Gassensoren (MOG) für die Sicherheitstechnik hingewiesen [1]. Als sogenannte Taguchi-Sensoren in den 1960er-Jahren eingeführt,
finden sie vielfach Anwendung als Rauchmelder oder Grenzwertgeber für giftige Abgase
z. B. in Tiefgaragen oder in Straßentunnels.
Allerdings konnte bisher für Sensoren dieses
Typs keine Verwendung in der chemischen
Gasanalyse gefunden werden, weil es nicht
gelungen ist, die nötigen spezifischen, gassensitiven SnO2/Additiv-Materialien zu finden,
welche die Analyse bestimmter Gaskomponenten bei genügend hoher Diskriminierung
aller anderen Komponenten des Gemisches
erlauben. Angesichts der immer noch großen
Lücke an preiswerten, zuverlässigen Gasanalysegeräten für die Alarmierung vor Gefahren
durch toxische Gasmischungen (z. B. Leckage-Monitoring) und für die prozessbegleitende
chemische Analytik besteht andererseits hohes
Interesse, für derartige Anwendungen diesen
Sensortyp wegen seiner unbestrittenen Qualitäten bezüglich Sensitivität, Langzeitstabilität
und Preis einzusetzen.
Die IAF-Sensorikgruppe hat ein bisher in der
Praxis nicht eingeführtes, neues Betriebsverfahren vorgestellt [1], mit dem es gelingen
könnte, MOG für oben erwähnte OnlineFeldanalyseaufgaben zu qualifizieren, indem
die Temperatur der sensitiven Schicht periodisch zwischen etwa 100 °C und 450 °C variiert wird und die resultierenden Leitwert-ZeitProfile (LZP) numerisch analysiert werden, um
aus deren charakteristischer Form die Gasart
und aus der Profilfläche die Konzentration
zu ermitteln. Wie mittlerweile an mehreren
Beispielen experimentell gezeigt wurde, ist für
ein gutes Analyseergebnis entscheidend, dass
ein geeignetes, auf die Gasreaktion katalytisch
6
einwirkendes Additiv zum SnO2-Basismaterial hinzugegeben wird, und beide Materialien
nanoskalige Korngröße aufweisen und möglichst homogen gemischt werden. Diese Pulver
werden durch eine modifizierte Sol-Gel-Synthese hergestellt, in eine Paste überführt, diese
dann mit einem Mikro-Dispenserverfahren auf
die Elektrodenstruktur des Sensorsubstrats
aufgebracht und anschließend getrocknet und
gesintert. Abbildung 1 zeigt ein in dieser Art
hergestelltes Sensorarray, das vier verschiedene SnO2/-Additiv-gassensitive Schichten trägt.
Abb. 1: Gassensor-Chip (Kantenlänge ca. 6 mm)
mit vier verschiedenen SnO2/Additiv-gassensitiven
Schichten, aufgebracht mit einem Standard-MikroDispenserverfahren auf Au-Dünnschichtelektroden.
Der Pt-Dünnschichtheizer befindet sich auf der
Rückseite.
Wie bereits geschildert, hängt von der Auswahl
des Additivs und vom Herstellungsverfahren der
gassensitiven Schicht des Sensors entscheidend ab, wie empfindlich und gasartspezifisch
die Form der LZP durch die individuellen Oberflächenreaktionsprozesse der Gasmolekülart
bestimmt wird. Da die numerische Analyse der
LZP zur chemischen Analyse des Gases herangezogen wird, kommt somit diesem Informationsgehalt der LZP in Form von separierbaren
Merkmalen besondere Bedeutung zu. [2, 3]
Abb. 2: Schematische Darstellung des MHP-Substrates
(Insitute of Microelectronics, Dalian University of Technology,
China).
Die Membran des MHP hat die Abmessungen 128 x 128 mm2,
ist 2 mm dick und nur über Stege (34 mm weit und
54 mm lang) mit dem Si-Chipkörper verbunden. Der Luftspalt
zwischen Membran und Chipkörper beträgt 1,5 - 2 mm [4].
Die zur Verfügung stehende Fläche für die gassensitive
Schicht (blau) hat Abmessungen von ca. 40 x 80 mm2.
Allerdings zeichnet sich ab, dass die nach dem
oben geschilderten Sol-Gel-Prozess hergestellten Schichten signifikant bessere Sensoreigenschaften aufweisen und das erweiterte Sol-GelVerfahren ungleich günstigere technologische
Voraussetzungen für die Auswahl des Additivs
bietet. In diesem Zusammenhang gilt es zu
bedenken, dass als Additive nicht nur die klassischen Katalysatoren wie Pt oder PdO in Frage
kommen, vielmehr hat sich gezeigt, dass Metalloxid-Beimischungen, wie La2O3, Sb2O3, Co3O4,
NASICON (Na4Zr2Si3O12) usw. besonders günstig die charakteristische Profilstrukturierung
der LZP durch die zu messende Gaskomponente beeinflussen können [5]. Somit gibt es
eine Reihe guter Gründe, beide Technologien
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Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Gründe für den Aufbau von MetalloxidGassensoren auf Micro-Hotplates (MHPs)
Das in Abbildung 1 vorgestellte Sensor-Array ist
zwar noch weiter miniaturisierbar, die Abmessungen werden jedoch mit den verwendeten
Strukturierungsmethoden von Au-Elektroden
und Pt-Heizung (Rückseite) kaum auf so kleine
Werte reduziert werden können, dass die Wärmekapazitäten entsprechend gering werden,
um verhältnismäßig schnelle Temperaturwechsel zu realisieren, und die Heizleistung unter ein
Watt fällt. Für das oben erwähnte dynamische
Betriebsverfahren wäre dies ein Vorteil, da bei
verringerter Heizperiodendauer die Zeit bis zum
nächsten aktualisierten Messwert entsprechend
kürzer wäre (liegt im Moment bei ca. 100 sec).
Darüber hinaus würde die Reduzierung der
Heizleistung auf einen Wert unter 0,1 Watt die
Mikrointegration des Sensorelements in die
Sensorsignalverarbeitung auf einem gemeinsamen Chip ermöglichen, was weitere bedeutende
Vorteile für den Einsatz solcher intelligenter Sensorchips mit sich brächte. Diese Anforderungen
erfüllen Silizium-Strukturen, die eine – durch
spezielle Mikrostrukturierungs- und Ätztechniken hergestellte – vom Chipkörper separierte,
dünne Membran tragen – sogenannte MicroHotplates (MHPs) (s. Abb. 2). Diese Membran
verfügt über einen Heizer, einen Temperatursensor und Messelektroden und ist nur über dünne
Stege mit dem Si-Körper verbunden, um Wärmeverluste zu vermeiden. Selbstverständlich
hat man versucht, auch die gassensitive Metalloxid-Schicht in ähnlichen Technologieschritten,
die bereits zur Herstellung des MHP verwendet
werden, d. h. in Dünnschichttechnik, auf dem
MHP zu mikrostrukturieren.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
skalige Pulver im Sol-Gel-Prozess herzustellen,
in Pasten überzuführen und diese auf die
MHP aufzubringen. In Anbetracht der winzigen
zu beschichtenden Fläche und angesichts der
extremen Fragilität des MHP (s. Abb. 2) stellte diese Aufgabe eine große technologische
Herausforderung dar, und es war offensichtlich,
dass sie mit den klassischen Dickschicht-Mikrostrukturtechniken wie z. B. mit Siebdruckmethoden nicht zu lösen war. Auch mit dem bisher zur
Verfügung stehenden Dot- und Line-Dispenser
(Hersteller: Martin GmbH, Wessling) konnte
die Aufgabe keinesfalls gelöst werden, da die
Schrittweite für die Positionierung zu grob, der
Innendurchmesser der verwendeten Dispenserkanülen zu weit und das Arbeitsmikroskop für so
feine Strukturen ungeeignet war.
Die Projektvorbereitungen dauerten 18 Monate,
nachdem mit Prof. Dr. Zenan Tang vom Dept.
of Electronic Engineering der Dalian University
of Technology, China, im Oktober 2003 vereinbart worden war, der IAF-Sensorikgruppe einige
MHP aus der Herstellung am Dept. of Electrical & Electronic Engineering der Hong Kong
University of Science and Technology [4] zur
Verfügung zu stellen (s. Abb. 2). Auch konnte die
Martin GmbH gewonnen werden, diese ehrgeizige Technologieentwicklung zu unterstützen. Sie
stellte einen eigens für dieses Projekt bestimmten Dispenser mit verringerter Schrittweite
(6,5 mm) für die (x,y,z)-Positionierung der Dispensierkanüle und einem modifizierten Mikroskop für
kleinere Strukturen zur Verfügung (s. Abb. 3).
Abb. 3: Für kleine Strukturen modifizierte Dispenser-Anlage der Martin
GmbH in Wessling bei München (Prototyp)
Darüber hinaus bestand große Unsicherheit,
ob die (x,y,z)-Positionierung der Dispenserkanüle über dem MSP berüh-
8
rungslos realisiert werden konnte und ob
dann die Positioniergenauigkeit ausreichend sein würde,
ob die Größe des Pastentropfens in Form
einer Halbkugel am Kanülenende reproduzierbar eingestellt werden konnte,
ob der z-Abstand beim Benetzen des
MHP in 6,4-mm-Schritten fein genug einzustellen war, und
ob die Trocknung der Paste und die
anschließende Versinterung der Nanokörner untereinander und mit dem MHPMembransubstrat bei Anwendung eines
bewährten Heizprofils, das Temperaturen bis zu 700 °C erforderte, mittels der
integrierten Heizung (s. Abb. 2) gelingen
würde.
Die Ergebnisse sind in der Master-Thesis von
Ying Huang (Studiengang Sensor Systems
Technology) im Detail beschrieben und seien
hier nur kurz zusammengefasst:
Tatsächlich ist es gelungen, kleinste, gut reproduzierbare Pastenmengen auf dem MHP abzusetzen und diese so zu positionieren, dass die
Benetzung der Ätzgruben vermieden wurde (s.
Abb. 4). Dieser Prozessschritt ist von elementarer Bedeutung für die Anwendbarkeit des
Verfahrens. Die etwas außermittige Positionierung der Paste ist auf die nicht genügende
Reproduzierbarkeit der programmgesteuerten
x,y-Positionierung der Dispenserkanüle (z. B.
Antriebsspiel usw.) zurückzuführen und sollte
durch entsprechende Maßnahmen verbessert
werden können. Der Durchmesser der Metalloxid-Schicht ist für dieses MHP etwas groß
(s. Abb. 4). Die weitere Reduzierung scheint
möglich, falls Dispenserkanülen mit einem
Innendurchmesser deutlich kleiner als 100 mm
verfügbar sind und die z-Positionierung noch
feiner einstellbar ist.
Problematisch gestaltete sich die Sinterung der
Metalloxid-Schichten. Anhand der Heizströme
und der simultanen Temperaturmessung mittels
des auf dem MHP integrierten Widerstandsthermometers wurde zwar eindeutig gezeigt,
dass die MHP den Beschichtungsprozess ohne
Schaden überstanden hatten, jedoch ist das
Heizelement zu leistungsschwach ausgelegt,
denn Temperaturen oberhalb von 480 °C konnten nicht erreicht werden. Infolgedessen konnten die Metalloxid-Körner nur unzureichend
versintert werden und aufgrund der Tatsache,
dass die Kontakte für Heizung und Tempera-
[1] Kohler, H.; Frank, K.; Hetznecker, A., Metalloxid Gassensoren: Mit neuen Sensormaterialien und einem neuen Betriebs- und Kalibrierverfahren wird eine Lücke der Feldanalytik
geschlossen, in: Forschung aktuell (2006), S.
53-58.
Abb. 4: Array von vier MHP auf einem Chip nach der
Beschichtung mit dem Mikro-Dispenser-Verfahren.
Anhand der Leistungsaufnahme des Heizers (ca.
70 mW bei 400 °C) und von Widerstandsmessungen der gassensitiven Schicht wurde gezeigt, dass
das MHP seine volle Funktionsfähigkeit behalten
hatte.
tursensor auf dem MHP (s. Abb. 2) beim Herstellungsprozess nicht durch eine Isolationsschicht abgedeckt worden waren (was durch
geringfügige Erweiterung des Herstellungsprozesses realisierbar scheint), konnten zwar
in Anbetracht der oben geschilderten Grenzen
des Dispenserverfahrens bzgl. Genauigkeit
der Positionierung und Metalloxid-Schichtdurchmesser geringe Sensitivitäten für Ethanol
experimentell nachgewiesen werden, diese
stellen jedoch keine belastbaren Daten dar,
die eine Beurteilung der mit diesem Verfahren
erreichbaren Sensoreigenschaften zuließen.
[2] Frank, K.; Hetznecker, A.; Schindler, V. et al.,
Metal oxide gas sensors. A new approach for
high quality field analysis applications using
a dynamically operated gas sensor array, in:
11th International Meeting on Chemical Sensors, July 16-19 2006, Brescia (Italy), Abstract
Book, p. 132.
[3] Keller, H. B.; Seifert, R.; Frank, K. et al.,
Mathematical procedure for gas analysis with
dynamically operated sensor arrays, in: 11th
International Meeting on Chemical Sensors,
July 16-19 2006, Brescia (Italy), Abstract
Book, p. 192.
[4] Chan, Ph. C.H.; Yan, G.; Sheng, L. et al., An
integrated gas sensor technology using micromachining technology, in: Sensors and Actuators, B 82(2002), pp. 277-283.
[5] Hetznecker, A.; Kohler, H.; Schönauer, U.;
Guth U., Investigation of SnO2/Na+-ionic
conductor composites for new gas sensitive
layers, in: Sensors and Actuators, B 99(2004),
pp. 373-383.
Fazit
In dieser Arbeit wurde das Know-how erarbeitet, um Metalloxid-Dickschichtpasten auf
Micro-Hotplates (MHPs) zerstörungsfrei aufzubringen. Damit ist der wichtigste und schwierigste Schritt getan, um die Vorteile der Si-Mikrostrukturtechnik mit denen von in Dickschichttechnik hergestellten gassensitiven Metalloxidschichten zu vereinigen. Die Beschichtung
von strukturell geeigneter aufgebauten MHPs
(leistungsfähigerer Heizer, alle Kontakte bis auf
die Messelektroden mit Isolationsschicht abgedeckt) mit mechanisch verbesserter DispenserAnlage ist der nächste anstehende Schritt auf
dem Weg zu einem leistungsfähigen, intelligenten Chip eines Gassensorarrays.
Prof. Dr. Heinz Kohler
lehrt an der Fakultät für Elektro- und
Informationstechnik Chemosensorik
und Physik. Er ist Gründer und Leiter
der Sensorikgruppe am Institut für Angewandte Forschung (IAF). Seine Forschungsschwerpunkte sind neue
Sensormaterialien für die Gassensorik und feldfähige,
intelligente Gassensorsysteme für die Sicherheitstechnik,
Verbrennungstechnik und chemische Prozessanalyse.
Das Projekt wurde hochschulseitig sehr wirkungsvoll unterstützt durch das Mikrostrukturlabor der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik (Kontaktierung und Häusung) sowie durch
die Feinmechanische Werkstatt der Fakultät für
Elektro- und Informationstechnik.
9
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Referenzen
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Jan Hoinkis und Gunther Krieg
Überwachung und Behandlung von Feuchtwasser im Offset-Druckprozess
Offset printing is the most common form of high volume commercial printing where the inked image is
transferred (or „offset“) from a plate first to a rubber blanket, then to the printing surface. In the offset printing process the offset plate needs to be wetted by use of a so called fountain solution which is recirculated
to a storage tank. The fountain solution is a formulation of water with a variety of chemicals as wetting
agents, desensitizing agents, corrosion inhibitors etc. The addition of isopropyl alcohol is problematic,
since this is an environmentally harmful volatile contaminant. During the printing process the solution is
contaminated with impurities such as paper fibres and printing ink. After a certain time period the solution
used and needs to be disposed of and replaced by a fresh one. The purpose of this project is to treat
the fountain solution by membrane filtration and, in parallel, to control and adjust the concentration of the
chemical ingredients by optoelectronic sensor systems and so extend the lifetime of the fountain solution.
Hence this project will be an important contribution to more environmental sustainability and economic
efficiency in the printing industry.
Im Druckprozess, insbesondere im OffsetDruck, wird sogenanntes Feuchtwasser, eine
wässrige Lösung von Additiven, eingesetzt,
das für den Druckprozess unabdingbar ist. Die
Additive werden zusammen mit Wasser und
je nach Bedarf mit Isopropanol (IPA) versetzt.
Isopropanol ist ein organisches Lösungsmittel,
das aufgrund seiner Flüchtigkeit Umwelt schädigend wirkt.
Ein mittelfristiges Ziel der Druckerei-Industrie ist es, den IPA-Gehalt zu senken oder
idealerweise ganz auf IPA zu verzichten. Um
dies zu realisieren, müssen die Druckprozesse
mit modernster und präzisester Messtechnik
überwacht werden. Entsprechende optoelektronische Sensorsysteme zur Überwachung der
Alkoholkonzentration werden bereits erfolgreich von der Firma Unisensor Sensorsysteme
GmbH produziert und europaweit eingesetzt.
Zurzeit arbeiten nur wenige Druckereien ohne
Isopropanol, da die Problematik des alkoholfreien Drucks nur von einzelnen, besonders
modern ausgerüsteten Druckereien beherrscht
wird. Die anderen Druckereien haben mit Hilfe
der genannten Messtechnik den IPA-Gehalt
teilweise auf 2 Prozent senken können. Vor
zehn Jahren betrug der IPA-Gehalt im Feuchtwasser ohne Messtechnik noch mehr als 15
Prozent.
Trotz der erheblichen Fortschritte in der Messtechnik besteht das Problem, dass das Feuchtwasser insbesondere bei großen Druckmaschinen (Rollenoffset-Maschinen) in relativ kurzer
Zeit verschmutzt. Zu den Verschmutzungen
gehören Kohlenwasserstoffe, Partikel und
gelöste Druckfarben, die sich im Feuchtwasser
anreichern. Für Druckereien, die ohne IPA
10
drucken, besteht zusätzlich das Problem, dass
Feuchtmittel ohne Alkohol keine reinigende
Wirkung besitzen. Die Druckereien müssen
dann das Feuchtwasser noch häufiger austauschen. Dies verursacht hohe Kosten aufgrund
der Stillstandszeiten während des Feuchtwasserwechsels sowie Umweltprobleme bei der
Entsorgung der gebrauchten Prozesswässer.
Zur Vermeidung der genannten Probleme
wurde von der Hochschule Karlsruhe (Fakultät für Elektro- und Informationstechnik) und
der Firma Unisensor Sensorsysteme GmbH
ein Projekt gestartet, das die Entwicklung
eines kontinuierlichen Reinigungsverfahrens
für Feuchtwässer zum Ziel hat. Bei diesem
Projekt, das finanziell durch die DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) unterstützt wird,
werden modernste Membranfiltrationstechnik
und innovative Sensortechnik kombiniert eingesetzt. Die Projektziele hierbei sind:

deutlich weniger bzw. völliger Verzicht
auf Feuchtwasserwechsel

weitere Senkung des IPA-Gehalts

Recycling von Feuchtmittelchemikalien
Im Rahmen dieses Projekts haben an der
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik
bereits mehrere Studenten unter Betreuung
durch Prof. Hoinkis und Prof. Krieg ihre Diplomarbeiten erstellt. Schwerpunkt der Abschlussarbeiten liegt darin, bei der Reinigung des
Feuchtwassers den Einsatz von Membranfiltrationstechnik sowie entsprechender optoelektronischer Messsysteme zu prüfen. Im
Rahmen dieser Arbeiten wurde eine mobile Filtrationsanlage im Technikumsmaßstab an der
Hochschule Karlsruhe aufgebaut und getestet
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(s. Abb. 1). Diese enthält alle notwendigen
Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren
sowie ein Datenerfassungssystem, das auf
dem Programm „LabView“ von National Instruments basiert. Diese Filtrationsanlage wurde
im Rahmen von Feldtests auch vor Ort in
mehreren Druckereien getestet.
Zusammenfassend lässt sich das Projektziel in
folgende Teilbereiche untergliedern:
Entfernen der Schmutzstoffe aus alkoholhaltigem sowie alkoholfreiem Feuchtwasser mittels innovativer Membrantechnik
Messung der Feuchtwasserzusammensetzung mittels modernster Optoelektronik des Unternehmens Unisensor Sensorsysteme GmbH
Nachdosierung und Rekalibrierung von
Additiven nach dem Filtrationsvorgang
in Zusammenarbeit zwischen der Hochschule Karlsruhe, Unisensor Sensorsysteme GmbH und führenden Feuchtmittelherstellern
Abb. 1: Filtrationsanlage im Technikumsmaßstab
11
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Die Heidelberg-Gruppe
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Das vereinfachte Schema des Verfahrens wird
in Abbildung 2 dargestellt.
Abb. 2: Vereinfachtes Schema des Verfahrens
Das optoelektronische System Optoscan ist
bereits in mehreren Druckereien zur Überwachung der Additivkonzentration im Feuchtwasser erfolgreich im Einsatz. Auch die
Membranfiltrationsanlage hat sich im Bereich
Bogenoffset als sehr erfolgreich erwiesen. Es
wurden im Rahmen der Feldversuche bereits
mehr als 1.500 Liter Feuchtwasser filtriert. Des
Weiteren bedarf es insbesondere im Bereich
Rollen-offset noch weiterer Untersuchungen,
da hier die Schmutzfracht erheblich größer ist
als beim Bogenoffset. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf einer geeigneten Vorreinigungsstufe für die Membranfiltration. Zudem
sind folgende Untersuchungen notwendig:

Langzeitverhalten (Standzeiten der Mem­
branen)

Membranreinigung (Dauer für die Reinigung der Membran, Zeitpunkt der Reinigung)
Diese Untersuchungen werden derzeit von
einem Studierenden der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik (Vertiefung: Kälte-/Klima-/
Umwelttechnik) im Rahmen einer Diplomarbeit
durchgeführt.
Prof. Dr.-Ing. Jan Hoinkis
wurde 1996 an die Hochschule Karlsruhe berufen und lehrt an der Fakultät
für Elektro- und Informationstechnik.
Dort vertritt er die Bereiche Chemie und Verfahrenstechnik. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von
Verfahren zur Aufbereitung und zum Recycling industrieller Prozesswässer.
12
Bauchemie – Grundlagenforschung für die Praxis
Today construction materials represent the highest man-made mass flow. One way to improve sustainability in the building industry is to avoid structural damage and thus to obtain an extension of service life.
In this contribution we will show how the use of high performance analytics can help to clarify structural
damage in practice. This provides the basis for the development of sustainable building materials and
technologies.
Einführung
Die Herstellung und Verwendung heute
eingesetzter Baustoffe und damit auch die
„Bauchemie“ lässt sich bis in die Anfänge
der Menschheitsgeschichte zurückverfolgen.
Bereits zu dieser Zeit wurden die Werkstoffeigenschaften durch Zusatz chemischer Substanzen natürlichen Ursprungs, wie Öle und
Fette, modifiziert, um die Dauerhaftigkeit des
Bauwerks zu verbessern (s. Abb. 1).
wichtigste Werkstoffgruppe im Bauwesen dar.
Für die Herstellung der Werkstoffe werden
Portlandzement und Gesteinskörnung mit
Wasser vermischt. Durch Zusatz von Betonzusatzmitteln (z. B. Betonverflüssiger) oder
Betonzusatzstoffen (z. B. Flugaschen) können
Werkstoffeigenschaften dabei noch gezielt verändert werden.
Heute stellen die Baustoffe den größten durch
Menschen verursachten Massenstrom dar.
Allein in der Europäischen Gemeinschaft werden pro Jahr 2 Mrd. Tonnen Baustoffe aller Art
verbaut. In Anbetracht dieser Zahl ist es verständlich, dass „Nachhaltiges Bauen“ Gegenstand intensiver Diskussionen in Politik und
Gesellschaft ist. Ein Weg, die Nachhaltigkeit
von Baumaßnahmen zu verbessern, ist die
Verlängerung der instandsetzungsfreien Nutzungsdauer.
Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet sind
um so wichtiger, weil viele Bauwerke, die für
eine Nutzungsdauer von 60 bis 80 Jahren
erstellt werden, bereits nach wenigen Jahren
stark geschädigt sind. Aufwändige Instandsetzungsmaßnahmen werden dann nötig. Neben
der Wirkung chemisch-physikalischer Prozesse
treten zunehmend auch biologische Prozesse
auf, die den Werkstoff schädigen können. Für
die Aufklärung dieser Wechselwirkungen zwischen Umwelt und den Werkstoffen des Bauwesens ist der Einsatz von modernsten naturwissenschaftlichen Methoden notwendig. In
diesem Beitrag soll an einem Beispiel aus der
Praxis gezeigt werden, wie mit solchen Methoden komplexe Prozesse aufgeklärt werden und
davon ausgehend auch die Basis für die Entwicklung neuer Werkstoffe geschaffen wird.
Zementgebundene Werkstoffe und ihre
Eigenschaften
Aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften stellen zementgebundene Werkstoffe derzeit die
Abb. 1: a) Römische Zisternen auf der Insel Pantelleria (Italien), die im
Rahmen von Grabungen durch Prof. Dr. Th. Schäfer, Universität Tübingen,
untersucht werden.
b) Mit Kalk und Vulkanasche hergestellte Beschichtung
c) Mit Kalk, Ziegelmehl und Ziegelsplitt hergestellter Mörtel
Nach der Herstellung der Mischung setzt sich
der Zement mit Wasser zum sogenannten
Zementstein um, der die Gesteinskörnung
(d. h. Sand und Kies) zum Kompositwerkstoff
Beton verkittet.
Beton ist ein poröser und hochalkalischer
Werkstoff. Er weist eine Gesamtporosität von
ca. 10-15 Volumen-% auf, wobei der Durchmesser der Poren zwischen 1 nm und 3 mm
liegt. Diese Poren sind mit einer alkalischen
Lösung gefüllt. Beton weist daher einen pHWert zwischen 12,3 und 13 auf. Diese hohe
Alkalität ist von großer technischer Bedeutung.
In diesem pH-Bereich bildet sich auf der Ober-
13
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Petra Bischoff, Peter Krolla-Sidenstein und Andreas Gerdes
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
fläche der Stahlbewehrung eine sogenannte
Passivschicht aus, die eine Stahlkorrosion
trotz des Vorhandenseins von Feuchtigkeit und
Sauerstoff verhindert.
den Schadensmechanismus aufzuklären oder
Maßnahmen auszuarbeiten, welche das Auftreten dieser Schäden verhindern [1].
Zementgebundene Beschichtungen in
Trinkwasserbehältern
Trinkwasserbehälter werden heute überwiegend aus Stahlbeton hergestellt. Die Innenflächen dieser Behälter werden in der Regel mit
zementgebundenen Beschichtungen ausgekleidet (s. Abb. 2).
Durch Trinkwasserbeschichtungen möchte man
in erster Linie die folgenden Ziele erreichen:
Hygienische Lagerung des Wassers
Verbesserte Reinigungsfähigkeit des
Untergrundes
Schutz des Betons gegen chemischphysikalische Einwirkungen
Optisch ansprechendes Erscheinungsbild
Abb. 3: Typisches Schadensbild aus einem Trinkwasserbehälter
Abb. 2: Trinkwasserbehälter mit einer zementgebundenen Innenbeschichtung
An diesen Beschichtungen wurden in der
Vergangenheit Schäden beobachtet, deren
typisches Erscheinungsbild in Abbildung 3 zu
sehen ist. Im Bereich der braun verfärbten
Flecken ist der zementgebundene Werkstoff
chemisch abgebaut worden. Die braunen
Oberflächenverfärbungen sind auf die nachfolgende Bildung eines Biofilms zurückzuführen.
Da eine Vielzahl von Behältern diese Schäden
teilweise schon sechs Monate nach der Erstellung aufweist, wurden in der Vergangenheit
verschiedene Forschungsprojekte initiiert, um
14
BMBF-Forschungsprojekt: Bewertungskriterien für zementgebundene Beschichtungen in Trinkwasserbehältern
So wird im Rahmen eines vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderten
Projekts ein Bewertungskonzept für zementgebundene Beschichtungen in Trinkwasserbehältern erarbeitet. Das Vorhaben wird durch eine
Arbeitsgruppe an der Hochschule Karlsruhe mit
Unterstützung durch die Abteilung Mikrobiologie im Institut für Technische Chemie – Wasserund Geotechnologie am Forschungszentrum
Karlsruhe durchgeführt. Dabei sollen neben
den klassischen baustofftechnologischen auch
mikrobiologische Aspekte berücksichtigt werden. Mit diesem Bewertungskriterien sollen in
Zukunft das Auftreten von Schäden an diesen
zementgebundenen Werkstoffen weitgehend
vermieden werden.
Grundlagenforschung für die Praxis
Im Rahmen dieses Projekts wurden auch die
Innenflächen eines realen Trinkwasserbehälters mit modernsten analytischen Methoden
Im Rahmen eines Neubaus wurden nach der
Erstellung der beiden Wasserkammern diese
mit einer zementgebundenen Beschichtung
ausgekleidet.
Wenige Monate nach der Inbetriebnahme
wurde bei der regelmäßigen Kontrolle der
Wasserqualität eine Verkeimung des Wasser in
einer Wasserkammer festgestellt. Die Kammer
wurde geleert, desinfiziert und anschließend
wieder befüllt. Zwei Wochen später trat erneut
eine Verkeimung auf. Da trotz der Desinfektion
dieses Problem nicht gelöst werden konnte, wurde schließlich die nur wenige Monate
alte Wasserkammer außer Betrieb genommen. Das war für die Gemeinde nicht nur ein
erheblicher finanzieller Schaden, sondern es
wurde dadurch auch die Versorgungssicherheit
eingeschränkt.
Zustandsanalyse des Bauwerks – Optische
Bewertung
Im Rahmen einer Zustandsanalyse wurde die
betroffene Wasserkammer untersucht und beprobt.
Die ersten Untersuchungen zeigten, dass die
zementgebundene Beschichtung nur wenige
Millimeter dick aufgetragen wurde. Auch waren
an der Beschichtung feine Risse zu beobachten, die auf das Schwinden des zementgebundenen Materials zurückzuführen sind.
Schwinden ist eine Eigenschaft zementgebundener Werkstoffe. Herstellungsbedingt ist die
Beschichtung nach der Applikation zunächst
wassergesättigt. Beginnt die Beschichtung
zu trocknen, zieht sich das Material bildlich
gesprochen zusammen. Wird dann lokal die
Zugfestigkeit des Werkstoffes überschritten,
entstehen an dieser Stelle Risse. Diese Risse
konnten aber zunächst nicht mit der Verkeimung des Wassers in Beziehung gesetzt werden. Aufklärung über deren Ursache brachten
aber die mikrobiologischen Untersuchungen.
Zustandsanalyse des Bauwerks – Mikrobiologische Untersuchungen
Biofilme sind das Produkt von Adhäsion und
Wachstum von Mikroorganismen auf Oberflächen, die ständig oder zeitweise mit wässrigen
Lösungen benetzt werden. Mikroorganismen
sind in den Biofilmen in eine von den Mikroorganismen selbst gebildete Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet. Hauptbestandteile dieser EPS-Matrix
sind Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren
und Huminstoffe. In diesen Biofilmstrukturen
sind die Mikroorganismen vor äußeren chemischen und physikalischen Einflüssen weitgehend geschützt. So können Desinfektionsmittel, die in den Trinkwasserbehältern eingesetzt
werden, bei Biofilmen eine vergleichsweise
geringe Wirksamkeit haben. Die Zusammensetzung der Bakterien in Biofilmen ist sehr heterogen bezüglich der taxonomischen Zuordnung
und spiegelt damit auch die Bakterienvielfalt
des umgebenden Milieus wieder.
Aus mikrobiologischer Sicht stellen Vorschädigungen, wie zum Beispiel in diesem Fall
die Risse, Bereiche dar, die eine Besiedlung
mit Mikroorganismen in Form von Biofilmen
begünstigen können. Neben der Verkeimung
des Trinkwassers können metabolische Aktivitäten innerhalb der Biofilme Abbau- und Schädigungsprozesse an der Beschichtung beeinflussen bzw. beschleunigen. Die Charakterisierung
solcher Biofilme auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und deren potentielle Stoffwechselaktivitäten kann eine Bewertung von geschädigten
Bereichen und der Auswirkung auf die mikrobiologische Wasserqualität unterstützen.
Während sich mit den klassisch mikrobiologischen Arbeitsmethoden nur solche Mikroorganismen biochemisch charakterisieren lassen, die unter Laborbedingungen wachsen,
bleiben vielfach Bakterien, die sich unter diesen Laborbedingungen nicht kultivieren lassen,
unbeobachtet. Diese lebenden, aber nicht kultivierbaren Mikroorganismen können jedoch mit
modernen molekularbiologischen Arbeitsmethoden erfasst und charakterisiert werden. Die
Methoden unterscheiden sich von denen der
klassischen Mikrobiologie, indem sie die oben
genannten Fragestellungen auf molekularer
Ebene der Mikroorganismen erfassen.
Zusätzlich können molekularbiologische
Arbeitsmethoden auch wertvolle Informationen
über kultivierbare Mikroorganismen liefern,
wie z. B. taxonomische Zuordnung, potentielle biochemische Stoffwechselaktivitäten oder
genetisch verankerte Resistenzen gegenüber
Schadstoffen.
Die molekularbiologische Charakterisierung
von Biofilmpopulationen beruht auf der kultivierungsunabhängigen Untersuchung des
Erbguts (DNA). Auf dem Erbgut der Mikroorganismen sind die Informationen, die die spezifischen Eigenschaften tragen, in der Abfolge
der Nukleotidbausteine festgeschrieben. Sie
codieren für Gattung und Art der Individuen
sowie deren potentielle Stoffwechselleistungen. Auf dieser Basis sind Änderungen in
15
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
der Werkstoffwissenschaften und der Mikrobiologie untersucht.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
der Zusammensetzung komplexer mikrobieller
Populationen detektierbar.
Für die Untersuchung der Biofilme auf den
zementgebundenen Beschichtungen wurden
im Rahmen des Forschungsprojekts verschiedene moderne molekularbiologische Methoden
adaptiert. Dazu gehört auch die molekularbiologische Untersuchung von Oberflächen mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH).
Für eine detaillierte Beschreibung der anderen
Verfahren sei auf [2] verwiesen.
Mit der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung
(FISH) lassen sich Mikroorganismen spezifisch
auf der nativen Oberfläche eines Habitats, also
der zementgebundenen Beschichtung, nachweisen. Gensonden, kurze, künstlich hergestellte DNA-Stücke, sind mit fluoreszierenden
Farbstoffen – sogenannten Fluorochromen
– markiert und binden (hybridisieren) in den
Mikroorganismen an spezifische Bereiche der
DNA.
Das von den fluoreszierenden Sonden ausgehende Signal lässt sich anschließend mikroskopisch detektieren. Mit dem Einsatz von konfokalen Laser-scanning-Mikroskopen (CLSM)
können Mikroorganismen auf mineralischen
Oberflächen dreidimensional dargestellt werden.
Abbildung 4 zeigt die Bakterien als rot fluoreszierende Bereiche und die mineralischen
Bestandteile des Beschichtungsmaterials als
grüne Eigenfluoreszenz. Mit dieser Methode
konnten Bakterien innerhalb von Schwindrissen der zementgebundenen Beschichtung
eines Trinkwasserbehälters nachgewiesen
werden. Es wurde daher vermutet, dass die
bakterielle Kontamination des Behälterwassers von Bakterien stammt, die sich aus den
Schwindrissen der Beschichtung lösen.
Zustandsanalyse des Bauwerks –
Chemisch-physikalische Untersuchungen
Ausgehend von den Ergebnissen der molekularbiologischen Untersuchungen wurde nach
Hinweisen auf organische Zusätze im zementgebundenen Werkstoff gesucht. Bei der
Beschichtung konnten keine potenziellen „Nahrungsquellen“ für die Mikroorganismen nachgewiesen werden.
Beim Konstruktionsbeton ließen sich aber
mit Hilfe der FT-IR-Spektroskopie organische
Bestandteile nachweisen. Zusammenfassend
konnte nach diesen Untersuchungen folgende
Schadenshypothese aufgestellt werden: Im
Konstruktionsbeton wurden organische Zusätze verwendet, die den Mikroorganismen als
16
Abb. 4: CLSM-Aufnahmen von geschädigtem Trinkwasserbehältermaterial. FISH mit spezifischen Gensonden zum Nachweis bakterieller
Populationen (16S-rDNA). Rotfluoreszenz: Bakterien auf der Oberfläche und in den Schwindrissen; Grünfluoreszenz: Eigenfluoreszenz des
Beschichtungsmaterials
Nahrung dienen. Durch die Risse in der zementgebundenen Beschichtung wanderten diese
organischen Zusätze an die Beschichtungsoberfläche. Durch die Verfügbarkeit dieser
Zusätze vermehrten sich die Mikroorganismen
auf der Oberfläche und gelangten von dort
in das Wasser, was dadurch verkeimte. Die
Mikroorganismen auf der Werkstoffoberfläche
wurden zwar bei der nächsten Desinfektion
abgetötet, aber ein Teil der Population konnte
in den Rissen überleben. Diese Keime vermehrten sich wieder innerhalb kürzester Zeit
und der Kreislauf begann von vorne.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wurde am Beispiel eines
Trinkwasserbehälters aufgezeigt, dass durch
die Anwendung modernster Verfahren aus der
Grundlagenforschung auch praktische Probleme effizient und problemgerecht gelöst werden können. So wurde in der Zwischenzeit
ausgehend von den Ergebnissen ein Instandsetzungskonzept erarbeitet und umgesetzt.
In der Zukunft müssen aber die Aktivitäten
weiter verstärkt werden, um moderne Verfahren aus der Chemie, Physik und Biologie für
die Grundlagenforschung in der Bauchemie
verfügbar zu machen.
Literaturverzeichnis
[1] Gerdes, A.; Wittmann, F. H., Langzeitverhalten
von zementgebundenen Beschichtungen in
Trinkwasserbehältern, in: Wittmann, F. H.;
Gerdes, A.; Nüesch, R., Materials Science
and Restoration – MSR VI, Aedificatio Verlag,
Freiburg i. Br., 2003, S. 167-178.
[2] Krolla-Sidenstein, P.; Bischoff, P., Charakterisierung mikrobieller Biozönosen mit molekularbiologischen Arbeitsmethoden am Beispiel
zementgebundener Beschichtungen in
Trinkwasserbehältern, in: GDCh-Fachgruppe
Prof. Dr. Andreas Gerdes
wurde 2002 als Professor an die Hochschule Karlsruhe berufen. Er lehrt an
der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik und ist gleichzeitig Leiter der Abteilung „Bauchemie / Bauwerkssensorik“ im Institut für Technische
Chemie – Wasser- und Geotechnologie (ITC-WGT) am
Forschungszentrum Karlsruhe. Seine Hauptarbeitsgebiete sind Dauerhaftigkeit zementgebundener Werkstoffe,
präventiver Oberflächenschutz, Ökologie und Ökonomie
des Bauinstandsetzens.
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Petra Bischoff
studierte Biotechnologie an der Hochschule Mannheim. Nach dem Studium
arbeitete sie in der Abteilung Umweltmikrobiologie des ITC-WGT am Forschungszentrum
Karlsruhe. Seit Juli 2005 untersucht sie an der Hochschule Karlsruhe die Wechselwirkungen zwischen mikrobiologischen Biozönosen und Baustoffen, im Besonderen von
zementgebundenen Beschichtungen.
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Peter Krolla-Sidenstein
studierte Biologie in Tübingen und
Mainz. Nach mehrjähriger Tätigkeit in
der Wasserforschung Mainz ist er seit
2003 Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Mikrobielle Prozesse in Sedimenten und Baustoffen am ITC-WGT des
Forschungszentrums Karlsruhe. Seine Arbeitsschwerpunkte sind die Untersuchung von mikrobiellen Biozönosen in natürlichen und technischen Habitaten sowie die
Wirkung von Schadstoffen auf diese Populationen.
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17
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
i À Ê - « i ⠈ >  ˆ Ã Ì Ê v Ø À° ° °
Bauchemie (Hrsg.), Tagung Bauchemie, 5.-6.
Oktober 2006 in Karlsruhe, GDCh, Frankfurt,
2006, S. 121-128.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Klaus Wolfrum, Harald Garrecht, Tilla Pflaum und Tanja Brecht
Agenda21-Projekt: Messtechnische Untersuchungen an Schulen zur
Unterstützung eines energiebewussten Nutzerverhaltens
The two most important factors for energy consumption in buildings are heating energy for conditioning an
adequate room climate and electric energy for lighting. Information and constant motivation are especially
necessary in public buildings, where many people contribute to the total amount of energy consumed. In
order to support energy-conscious behavior among users, the Karlsruhe University of Applied Sciences
was commissioned to carry out an experimental study at three schools in Karlsruhe. Various methods of
user feedback were used to support energy-saving behavior which may result in a decreasing consumption of energy in the classroom. The results of the study indicate that there is a huge potential for saving
energy without losing comfort.
1. Einleitung
Energie in Form von Wärme für die Beheizung
von Räumen und in Form von elektrischer
Energie zur Beleuchtung ist notwendig, um
eine auf die Nutzerbedürfnisse abgestimmte
Behaglichkeit beim Aufenthalt in Räumen zu
sichern. Zu konditionieren sind dementsprechend die raumklimatischen Verhältnisse, die
Luftqualität und die Lichtverhältnisse. Im Kontext der globalen Erwärmung und begrenzten
Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen kommt
der schonenden und effizienten Energienutzung eine besondere Bedeutung zu. Nicht nur
in Wohn- und Wirtschaftbauten, sondern auch
in öffentlichen Gebäuden werden hohe Energieeinsparpotentiale vermutet. Dabei hängt
der Energieverbrauch nicht allein von der wärmetechnischen Ausbildung der Gebäudehülle
und der eingesetzten Haustechnik ab; auch
das Nutzerverhalten spielt hier eine wichtige
Rolle. Ziel des vom Umweltamt und von der
Gebäudewirtschaft der Stadt Karlsruhe initiierten Forschungsvorhabens war es folglich,
festzustellen, welchen Einfluss das Nutzerverhalten auf den Energieverbrauch öffentlicher
Gebäude hat. Schließlich zeigen Erfahrungen
beider Ämter, dass selbst in optimal ausgestatteten Gebäuden der Energieverbrauch durch
ein unterschiedliches Nutzerverhalten deutlich
schwankt und dass besonders in anonymen
Gebäuden ein energiesparendes Verhalten der
Nutzer von ständiger Motivation abhängig ist.
Um das energiebewusste Nutzerverhalten zu
analysieren und zu unterstützen, wurde die
Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
im Oktober 2004 von der Stadt Karlsruhe, der
Gebäudewirtschaft und dem Amt für Umweltund Arbeitsschutz mit der Durchführung messtechnischer Untersuchungen in drei Karlsruher
Schulen beauftragt. Hierzu sollten Visualisierungs- und Steuerungsinstrumente erprobt
18
werden, die ein energiesparendes Nutzerverhalten unterstützen und somit zur Verringerung
des Energieverbrauchs in Klassenzimmern
führen können.
2. Ziele des Projekts
Zur Durchführung der Untersuchungen wurden
vier Klassenzimmer in jeder der drei Schulen
mit einer modernen Mess- und Steuerungstechnik ausgestattet. Die an der Hochschule
Karlsruhe entwickelte Technik sammelt Informationen zu Raumklima, Lichtverhältnissen,
Energieverbrauch und Nutzerverhalten. Eines
der vier Klassenzimmer in jeder Schule wurde
zusätzlich mit einer automatischen Heizkörperregelung als nutzerunabhängige Regelung
der Wärmeabgabe versehen. Der Einbau der
messtechnischen Ausrüstung in die Klassenräume sowie die Auswertung und Analyse
der erfassten Daten erfolgten in der Heizperiode 2004/05. Nach einer Diskussion über
die aufschlussreichen Ergebnisse wurde die
Messeinrichtung optimiert, und auch in der folgenden Heizperiode 2005/06 wurde die Datenerfassung vorgenommen. Die Auswertung
der umfangreichen Daten konnte im Sommer
2006 abgeschlossen werden. Ziel des Projekts
war es, genauere Erkenntnisse über die den
Energieverbrauch beeinflussenden Faktoren
zu gewinnen und Hinweise zu erhalten, wie in
den Klassenräumen bei Sicherstellung einer
akzeptablen Raumluftqualität der Energieverbrauch durch ein entsprechend optimiertes
Nutzerverhalten reduziert werden kann. Hierbei sollten zunächst die Steuerungsparameter
verbessert werden, mit denen der Energieverbrauch an Wärme und Strom vom Nutzer
direkt beeinflusst werden kann – Thermostatstellung der Heizkörper, Fensterstellung und
Betrieb der Beleuchtung. Aber auch indirekt
beeinflussbare Parameter wie die Einstellung
3. Mess- und Steuerungssystem
Hard- und Software
Die Mess- und Steuerungstechnik basiert auf
einem 1-Wire-Bus-System, bestehend aus einem
Messrechner, 1-Wire-Verkabelung, Mess- und
Steuermodulen und diversen Sensoren für die
kontinuierliche Erfassung der zentralen Größen
wie Außen- und Raumlufttemperatur, Außenund Raumluftfeuchte, Vor- und Rücklauftemperatur der Heizkörper, Fensteröffnungszustand,
Raumbelegung und CO2-Gehalt der Raumluft
sowie Zählern für den Stromverbrauch in den
Klassenzimmern. Je Schule wurden die Informationen von insgesamt 56 Sensoren minütlich
abgerufen, bewertet und abgespeichert. Um
die große Menge an Messdaten kontinuierlich
abzurufen und sogleich auszuwerten, wurde
an der Hochschule Karlsruhe eine Software
entwickelt, die die entsprechende Steuerung
des 1-Wire-Bussystems übernimmt. Über eine
ISDN-Verbindung stehen die Daten jederzeit per
Fernzugriff zur Verfügung. Zudem erlaubt diese
eine Fernwartung sowie Pflege und Ergänzung
der Software.
Sensoren
Für die Messung der Lufttemperaturen innen
und außen sowie für Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizkörper wurden Thermistoren
eingesetzt. Die Erfassung der Fensterstellung
erfolgte über Reed-Kontakte, die am feststehenden Rahmen befestigt und über ein zweiadriges Kabel mit dem Messmodul verbunden
sind. Zur Erfassung der Raumbelegung kamen
handelsübliche Bewegungsmelder zum Einsatz.
Diese registrieren Veränderungen der Wärmestrahlung mit Hilfe pyroelektrischer Detektoren
und reagieren auf Bewegung von Personen im
überwachten Raum. Die Luftqualität stellt das
von Lehrern und Schülern als individuell am
stärksten empfundene Qualitätskriterium für
die Raumluft dar. Zur Bewertung der Raumluftqualität wurden Feuchte- und CO2-Sensoren
eingesetzt. Der erfassbare Konzentrationsbereich der CO2-Sensoren liegt zwischen 300 und
2.000 ppm bzw. 300 und 5.000 ppm.
Abb. 1: Werkstoffplatte mit Sensoren, Mess- und Steuerungsmodulen
Automatische Heizkörperregelung
Die Heizkörper werden in jeweils einem Raum
je Schule durch elektrische Stellventile kontrolliert angesteuert. Das Öffnen und Schließen des Ventils erfolgt in Abhängigkeit von
der aktuellen Raumtemperatur, die mit der
Soll-Temperatur verglichen wird. Folgender
Steueralgorithmus wurde für alle drei Schulen
der automatischen Regelung zugrunde gelegt:
Von 7 bis 22 Uhr war die Soll-Temperatur
auf 20 °C eingestellt, von 22 bis 7 Uhr und
am Wochenende auf 17 °C. Überschreitet
die Raumtemperatur den jeweiligen Sollwert,
so wird das Ventil geschlossen. Als weiterer
Steuerparameter wurde die Fensterstellung
berücksichtigt: Sobald ein Fenster geöffnet ist,
wird das Ventil geschlossen.
4. Auswertungsergebnisse
Die Auswirkungen der Faktoren Raumbelegung, Vorlauftemperatur und Thermostatstellung der Heizkörper auf die Raumlufttemperaturen und die Heizwärmeabgabe sowie
die Auswirkungen der Lüftungsdauer auf die
Kohlendioxidkonzentration in den untersuchten
Räumen wurden analysiert. Die Messergebnisse lassen deutliche Tendenzen erkennen.
Anhand der ausgewerteten Daten sind große
Differenzen bei den Heizwärmeabgaben sowie
zum Teil sehr hohe Raumlufttemperaturen von
nahezu 25 °C während des Unterrichts und
20 °C in der Nacht in den untersuchten Räumen festzustellen. Diese weisen auf große
Energieeinsparpotenziale hin, die zum einen
durch eine Reduzierung der Wärmeabgabe
der Heizkörper und der Raumlufttemperatur
durch niedrigere Vorlauftemperaturen innerund außerhalb der Unterrichtszeiten bzw. einer
niedrigeren Einstellung der Thermostate, zum
anderen durch die automatische, raumtemperaturabhängige Regelung der Heizkörper
19
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
der Vorlauftemperatur und die automatische
Regelung der Heizkörper sollten optimiert werden, wobei die Maßnahmen jedoch nicht die
Behaglichkeit beeinträchtigen dürfen. Kenntnisse zum Verlauf der Raumklima-, Luft- und
Lichtverhältnisse, zu den Energieverbräuchen
und den Auswirkungen des Nutzerverhaltens
sind Voraussetzungen dafür, dass Systemoptimierungen herausgearbeitet werden können.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Abb. 2: Heizwärmeverbrauch in vier untersuchten Räumen
ausgeschöpft werden können. Im Klassenzimmer B16 der Hebel-Realschule, das mit einer
solchen Regelung ausgestattet ist, wurde von
November bis März die geringste Heizwärme
benötigt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
gemessenen Kohlendioxid-Werte haben diesen
Grenzwert gar um das 2,5-fache überschritten.
Werte in dieser Höhe führen zu Konzentrationsstörungen und zu einer verminderten Leistungsfähigkeit der im Raum befindlichen Personen.
Die hohen Raumlufttemperaturen während des
Unterrichts, die unter anderem auch aus dem
Wärmeeintrag der sich im Raum befindlichen
Personen resultieren, weisen ebenso auf eine
unbehagliche Raumluftqualität hin wie die
hohen Kohlendioxid-Konzentrationen, die den
Grenzwert von 1.500 ppm fast immer übersteigen, wie Abbildung 3 verdeutlicht. Einige der
Eine Verringerung der Kohlendioxid-Konzentration kann durch intensiveres Lüften erfolgen.
Hierzu wurden Testreihen durchgeführt, um
Erkenntnisse zu Lüftungsintensität und -intervallen zu erlangen, ohne die Heizwärmeabgabe negativ zu beeinflussen. Die Ergebnisse
der Testreihen zeigen, dass durch kurzzeitiges
Stoßlüften über die gesamten 5-Minuten-Pau-
Abb. 3: CO2-Maximalwerte an zwei Karlsruher Schulen
20
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Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
sen mit allen zur Verfügung stehenden Fenstern gute Effekte erzielt wurden, so dass die
Kohlendioxid-Konzentration extrem und rapide
abfällt, was in Abbildung 4 deutlich wird. Eine
längere Lüftungsdauer hat auf die Reduktion der CO2-Konzentration nur noch geringe
Auswirkungen. Bis zum Ende der folgenden
Unterrichtsstunde wird der Grenzwert wieder
erreicht oder gar überschritten, weshalb es
gegebenenfalls erforderlich sein kann, eine
weitere Stoßlüftung während einer Unterrichtsstunde vorzunehmen, um eine behagliche
Raumluft zu gewährleisten.
kontrollierte nutzungsabhängige Steuerung der
Heizkörperventile erzielen.
Neben der Suche nach Lösungen zur Effizienzsteigerung des Energieeinsatzes in öffentlichen
Gebäuden am Beispiel von Schulen konnten
auch Fragen zur Raumluftqualität in Abhängigkeit von Fensterlüftung und Nutzung der Klassenräume analysiert werden. Hier zeigte sich,
dass insbesondere in der Heizperiode auch
während des Unterrichts eine Belüftung durch
das Öffnen von Fenstern erforderlich ist, um
ein Ansteigen des CO2-Gehaltes über kritische
Abb. 4: Lüften in den Pausen
Diese Erkenntnisse werden nun in Form von
konkreten Handlungsanweisungen an die
untersuchten Schulen weitergegeben. Die
installierte Technik bleibt weiterhin bestehen,
um die ausgearbeiteten Empfehlungen und
deren Umsetzung kontrollieren und bewerten
zu können.
5. Zusammenfassung
In drei Schulen Karlsruhes wurden jeweils
vier Klassenräume mit Messtechnik ausgestattet, um den Nutzereinfluss auf den Energieverbrauch zu analysieren. Zudem wurden je
Schule die Heizkörper eines Klassenraums mit
elektrischen Stellventilen versehen, um mittels
der erfassten Temperatur- und Raumnutzungsverhältnisse rechnergestützt die Ventilsteuerung der Heizkörper zu optimieren und so den
Heizwärmebedarf drastisch zu reduzieren.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass mit
geeigneter Nutzermotivation der Energieverbrauch in Klassenräumen nachhaltig reduziert
werden kann. Ein ganz erheblicher Einspareffekt lässt sich darüber hinaus durch eine
22
Schwellenwerte zu vermeiden. Zu empfehlen
wäre folglich eine kontrollierte Belüftung mittels
mechanischer Lüftungseinrichtung.
Fortführende Arbeiten sind angedacht, um die
Ansteuerung von Stellventilen der Heizkörper
wie auch von Systemen zur Raumbelüftung
weiter zu optimieren. Der Energieeinsatz in
öffentlichen Gebäuden kann so weiter minimiert und die Raumluftverhältnisse in Unterrichtsräumen verbessert werden.
Literatur
Bieber, H.; Emmerich, W; Garrecht, H. et al., EnSan-Projekt Karlsruhe-Goerdelerstraße Integrale
Sanierung auf Niedrigenergie-Standard unter
Einschluss moderner Informations- und Regelungstechnik und Beeinflussung des Nutzerverhaltens,
FIA Forschungsbericht des BMWA und BMBF, ISBN
3-938210-04-4, 2004.
Garrecht, H; Wolfrum, K.; Pflaum, T.; Brecht, T.,
Messtechnische Untersuchungen an Schulen zur
Unterstützung eines energiebewussten Nutzerverhaltens, Abschlussberichte der Projektphase I und II
Garrecht, H.; Huber, J., Untersuchungen zum Einfluss der Heizungsregelung und des Nutzerverhaltens auf den Energieverbrauch in Mietwohnungen
am Beispiel eines umfassend sanierten Wohnkomplexes, Tagungsband „Gebäude verstehen-bewerten-verbessern“, TU Wien, 24.5.2004, S. 154-167.
Während Sie
entspannen...
Prof. Dr. rer. nat. Klaus Wolfrum
ist seit 1997 Mitglied der Fakultät
für Elektro- und Informationstechnik, wo er die Lehrgebiete Elektronik und Messtechnik vertritt. Seine Forschungsschwerpunkte sind Sensor-Applikationen, SensorSignalverarbeitung sowie die Entwicklung von Hardund Software für messtechnische Anwendungen.
erledigen wir
schon mal die
Hausarbeit.
Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht
gehörte von 1998 bis 2006 der
Fakultät für Architektur und Bauwesen an und beschäftigt sich in
zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten
überwiegend mit bauphysikalischen, bautenschutztechnischen und baustoffkundlichen Fragestellungen. Zum
Oktober 2006 wechselte er an die TU Darmstadt, leitet
aber auch weiterhin in enger Kooperation mit seinem
Kollegen Klaus Wolfrum die Arbeitsgruppe im Bereich
Bauklimatik und Bausanierung am Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Karlsruhe.
E.G.O. erfindet und produziert
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Dipl.-Ing. Tilla Pflaum
absolvierte das Studium der Architektur an der Universität Karlsruhe und war von Januar 2001 bis Oktober
2006 Projektmitarbeiterin am Institut für Angewandte
Forschung (IAF) der Hochschule Karlsruhe.
Dipl.-Ing. (FH) Tanja Brecht
schloss das Studium des Baubetriebs im Wintersemester 2005/06 ab und ist seit Juni 2006 Projektmitarbeiterin am Institut für Angewandte Forschung (IAF) der
Hochschule Karlsruhe.
23
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
im Auftrag der Stadt Karlsruhe, Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft, 2005 und 2006.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Norbert Eisenhauer
Hydraulische Modelluntersuchungen zu Hochwasserschutzmaßnahmen am Oberrhein
The history of a planned flood protection in the Upper Rhine Valley dates back almost 200 years back
to the days of Tulla. The Rhine kept its character as a free flowing river until 1928. From 1928 to 1977 a
number of barrages were built for hydroelectric energy production and to stop the erosion of the river bed.
While these measures led to quite a high degree of flood protection south of the barrage of Iffezheim, in
the north the flood risk increased. To improve the situation thirteen flood retention reservoirs are to cut the
flood peak of the river Rhine. One of these is the reservoir Elzmündung between Rh-km 260 and 268.5.
For the Wittenweier Faschinat the hydraulic capacity and the stability of the ramp has to be investigated
in a 1:10 model. The hydraulic capacity and the flow conditions downstream of the outlet structure N3 are
examined in a 1:40 model.
Die Anfänge des planmäßigen Hochwasserschutzes am Oberrhein können auf das Jahr
1817, also fast 200 Jahre zurückdatiert werden. Zu diesem Zeitpunkt wurden die ersten
vorbereitenden Maßnahmen zur Rheinkorrektion zwischen Basel und Mannheim nach den
Plänen von Gottfried Tulla bei Daxlanden in
Angriff genommen. Die erste Öffnung eines
Durchstiches erfolgte am 20. Januar 1818
auf der Gemarkung Eggenstein. Auch nach
der Tulla’schen Korrektion behielt der Rhein
seinen Charakter als frei fließender Strom.
Dies änderte sich im südlichen Teil zwischen
Basel und Iffezheim. Hier wurde der Strom
von 1928 bis 1977 sukzessive staureguliert,
um Wasserkraft als regenerierbare Energie
nutzbar zu machen und eine weitere Erosion
des Strombettes zu verhindern.
Die gesamten Maßnahmen dieser Epoche
haben bewirkt, dass südlich von Iffezheim, also
in der stauregulierten Strecke, ein hoher Hochwasserschutzgrad besteht. Nördlich davon
wurde die Hochwassergefahr allerdings verstärkt, da sich aufgrund des fehlenden Retentionsraums der Scheitel einer Hochwasserwelle
erhöht und beschleunigt hatte. Infolgedessen
vergrößert sich auch die Wahrscheinlichkeit
eines zeitlichen Zusammentreffens mit einer
Hochwasserwelle des Neckars, was unterstrom von Mannheim die Situation zusätzlich
verschlechtert.
Das Integrierte Rheinprogramm (IRP) ist ein
Projekt des Landes Baden-Württemberg und
basiert auf einer vertraglichen Vereinbarung
zwischen der Republik Frankreich und der
Bundesrepublik Deutschland. Seine Anfänge
gehen auf die Bildung der internationalen
Hochwasserstudienkommission für den Rhein
(1968) zurück. Ziel des IRP ist, für die Unter-
24
lieger von Iffezheim jenen Hochwasserschutz
wiederherzustellen, wie er vor dem Oberrheinausbau, also vor 1928, bestanden hatte.
Dieses Vorhaben soll durch die Einrichtung
von Hochwasserrückhalteräumen realisiert
werden. Auf baden-württembergischem Gebiet
sind insgesamt 13 Hochwasserrückhalteräume
vorgesehen, wozu auch der Rückhalteraum
Elzmündung zählt.
Der Rückhalteraum Elzmündung mit einem
Retentionsvolumen von 5,3 Mio. m³ liegt zwischen Rh-km 260,0 und Rh-km 268,5. Er
grenzt im Westen an die Stauhaltung Gerstheim und wird östlich von den Rheinhauptdämmen VI und VII begrenzt. Im Norden geht er in
die bei Hochwasser frei überflutete Fläche der
Stauhaltung Straßburg über. Die Entnahme
von Wasser aus dem Rhein erfolgt über ein
bestehendes und ein neues Entnahmebauwerk, die Rückgabe über zwei bestehende
Bauwerke und im Wesentlichen über das neue
Auslaufbauwerk N3.
An der Engstelle des Rückhalteraums befindet
sich das Wittenweierer Faschinat. Durch eine
Abb. 1: Bestehendes Wittenweierer Faschinat
Aufgabenstellung
Im Rahmen der Planung soll das Einlaufbauwerk R1, das Wittenweierer Faschinat und das
Auslassbauwerk N3 im physikalischen Modell
näher untersucht werden. Das Regierungspräsidium Freiburg hat die Versuchsanstalt für
Wasserbau der Hochschule Karlsruhe mit den
physikalischen Modelluntersuchungen zum
Wittenweierer Faschinat und zum Bauwerk
N3 beauftragt. Zweck der hydraulischen Untersuchungen ist zunächst festzustellen, ob die
rechnerisch festgelegten Abmessungen der
Bauwerke in der Lage sind, die geforderten
Wassermengen schadlos abführen zu können.
Des Weiteren ist der Auslaufbereich des Bauwerkes N3 Bestandteil der Untersuchungen,
da hier durch die Mündung des Schutter-Entlastungskanals (SEK) sehr komplexe Strömungsverhältnisse auftreten. Es sollen Aussagen darüber gemacht werden, inwieweit der
Seitendamm des SEK gefährdet ist.
Im hydraulischen Modell wird zunächst die
Natur in einem verkleinerten Maßstab geometrisch ähnlich abgebildet. Unter Beachtung der
geltenden Modellgesetze laufen alle hydraulischen Prozesse ebenfalls ähnlich zur Natur
ab. Die Messergebnisse (z. B. Fließgeschwindigkeit, Druck) im Modell können über einen
entsprechenden Maßstabsfaktor, der bei so
genannten Froude-Modellen allein vom geometrischen Maßstab abhängt, auf die Natur
übertragen werden. In Froude-Modellen ist
allein die Schwerkraft für die hydraulischen
Abläufe verantwortlich. Modelle mit einem freien Wasserspiegel sind i.d.R. Froude-Modelle.
Beim Wittenweierer Faschinat handelt es sich
um eine bestehende Steinschwelle, die in eine
raue Rampe umgebaut und ertüchtigt werden
soll. Gegenstand der Untersuchungen sind die
hydraulische Leistungsfähigkeit der Rampe
sowie die Dimensionierung des Rampendeckwerks (Steingröße). Die Untersuchungen werden an einem Teilmodell im Maßstab 1:10
ausgeführt, wodurch ein 6 m breiter Ausschnitt
der rund 100 m breiten Rampenkrone simuliert
wird.
Über das Bauwerk N3 wird dem Strom das
zwischengespeicherte Rheinwasser wieder
zurückgegeben. Im Modell (Maßstab 1:40)
wird außer dem Bauwerk ein Bereich von
rund 60.000 m² nachgebildet, der auch die
Einmündung des SEK beinhaltet. Gegenstand
der Untersuchungen sind die hydraulische
Leistungsfähigkeit des Bauwerks sowie die
Strömungsverhältnisse in jenem Bereich, wo
SEK und der Auslauf des Bauwerks aufeinandertreffen.
Abb. 3: Oberwasseransicht des Auslassbauwerks N3 (Modell
1:40)
Prof. Dr.-Ing. Norbert Eisenhauer
wurde 1999 an die Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft berufen.
In der Fakultät für Architektur und Bauwesen lehrt er die Fächer Hydromechanik, Wasserbau
und Statistik. Darüber hinaus ist er Leiter der Versuchsanstalt für Wasserbau (VAW).
Abb. 2: Modell im Maßstab 1:10 des Wittenweierer Faschinats
25
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
angepasste Steuerung des als Fließpolders
betriebenen Rückhalteraums soll die Spitze
einer ablaufenden Hochwasserwelle gezielt
gekappt werden. Im Rückhalteraum erfolgt
eine Zwischenspeicherung des Rheinwassers, das zeitlich verzögert dem Strom wieder
zurückgegeben wird.
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Detlef Günther-Diringer
Bilanzierung der Auen und Überschwemmungsgebiete an Flüssen in
Deutschland
Cartographic solutions at GIS-based preparation and cross-media publication of the research project “Balancing of floodplains in Germany”. As part of the research project “Balancing of floodplains along rivers in
Germany” on behalf of the Federal Agency for Nature Protection (BfN – Bundesamt für Naturschutz, Bonn)
recent floodplain areas and potential, natural floodplains will be recorded in a uniform way. It will be based
on diverse spatial data of different federal and state institutions. After recording of the floodplain areas the
emphasis is on cartographic visualization of the project results. It will be carried out with the help of WEBGIS-technology using digital and scale overlapping, as well as in the printed form of an overview map.
Im Rahmen des F+E-Projekts (Forschung
und Entwicklung) „Bilanzierung der Auen
und Überschwemmungsgebiete an Flüssen
in Deutschland“ werden bundesweit rezente
Überschwemmungsgebiete und potenziell
natürliche Auen an großen Flüssen erfasst und
nach diversen Parametern bilanziert. Das Projekt wird im Auftrag des Bundesamts für Naturschutz (BfN, Bonn; Laufzeit 10/2005 – 3/2008)
durchgeführt; Forschungsnehmer sind das
Institut für Angewandte Forschung (IAF) der
Hochschule Karlsruhe (Projektleitung Prof. Dr.
Günther-Diringer, Fakultät für Geomatik), die
Universität Karlsruhe, Institut für Wasser und
Gewässerentwicklung, Bereich WWF-AuenInstitut (Leitung Prof. Dr. Dister) sowie biota
GmbH, Bützow (Dr. Dr. Mehl).
Auen, die natürlichen vom Hochwasserregime
beeinflussten Gebiete entlang der Flüsse, nehmen in Mitteleuropa nur ca. 6-8 Prozent der
Landesfläche ein, beherbergen jedoch 2/3
aller Pflanzenlebensgemeinschaften. Daraus
lässt sich eine sehr hohe naturschutzpolitische
Aufgabe zum Erhalt natürlicher Auen ableiten.
In der Vergangenheit sind diese jedoch starken, anthropogenen Veränderungen ausgesetzt gewesen, die zu einem großen Verlust
von natürlichen oder naturnahen Auenflächen
geführt haben. Vor diesem Hintergrund wird
das beschriebene F+E-Vorhaben durchgeführt.
Die Bearbeitungskulisse bilden die Auen der
als Bundeswasserstraßen genutzten Flüsse
und vergleichbar großen Gewässer (Einzugsgebiet >1.000 km²). Die Gesamtlänge der
zu bearbeitenden Fließgewässer beträgt ca.
10.000 km.
Aufgrund des großräumigen Ansatzes und
der Praktikabilität baut das Vorgehen auf bundesweiten und möglichst digital verfügbaren
Datengrundlagen auf. Der Schwerpunkt der
26
Arbeiten liegt auf der Akquise, Zusammenführung, Homogenisierung, Auswertung und
Visualisierung vorhandener Datenbestände
des Bundes und der Länder, die in geeigneten
Maßstabsbereichen verfügbar sind.
Eine im Jahr 2004 im Auftrag des BfN durchgeführte Machbarkeitsstudie für eine bundesweite Erfassung des ökologischen Zustands
von Flussauen hat den allgemeinen Trend in
der Geoinformationsbranche bestätigt, dass
die Verfügbarkeit von raumbezogenen, digitalen Daten in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen hat. Dies betrifft zum einen
behördliche Grundlagendaten als auch verstärkt Fachdaten unterschiedlichster Aggregationsebenen sowie verfügbare Datenbestände
wirtschaftlich arbeitender Datenprovider. Nur
auf der Basis bereits vorhandener, strukturierter Datenbestände lässt sich das Projektziel
im geplanten Projektzeitrahmen verwirklichen.
Folgende Datenbestände (bzw. Teile davon)
werden u. a. verwendet:

DLM1000 – digitales Landschaftsmodell
(Maßstabsbereich 1:1.000.000)

DGM-D – digitales Geländemodell
Deutschland (Rasterweite 50 m)

DLM25 – digitales Landschaftsmodell
(Maßstabsbereich 1:25.000)

Natura2000 – Daten der gemeldeten
NATURA2000-Gebiete

GÜK200 – geologische Übersichtskarte
(Maßstabsbereich 1:200.000)

CLC2000 – Corine LandCover-Daten
2000 (EU-weite Landnutzungskartierung)

EU-WRRL-Daten und Informationen
– Daten der EU-Wasserrahmenrichtlinie
auf Länderebene

Luft- und Satellitenbilder
rezente Aue (aktuell überflutbarer
Bereich)
Altaue (Auen, die aufgrund von Deichbauten, Aufschüttung o. ä. vom Hochwasserregime des Flusses abgeschnitten worden sind)
Gemeinsam mit der Fläche des Hauptflusses bilden diese beiden Bereiche die
gesamte morphologische Aue.
Abb. 3: Erfassung der rezenten Aue (gelbe Linien) auf Basis
des digitalen Landschaftsmodells 1:25.000 (DLM25) sowie integrierter Hochwasserdaten der Länder (blaue Linien, Muster)
Abb. 1: Räumliche Verteilung von Altaue und
rezenter Aue am nördlichen Oberrhein bei
Worms
Abb. 4: Abgleich der erfassten Daten mit aktuellen Luft-/Satellitenbildern aus Google Earth
Die erfassten Auengebiete werden nach unterschiedlichen Gesichtspunkten regionalisiert
(Bundesländer, Einzugsgebiete, WRRL-Teilgebiete etc.) und mit aufbereiteten Daten der
Landnutzung, Schutzstatus sowie Biotoptypen
mit entsprechender Anwendung georäumlicher
Methoden innerhalb des GIS bilanziert.
Abb. 2: Erfassung der Grenze der morphologischen
Aue auf Basis des zugrundeliegenden digitalen
Geländemodells (DGM) mit einer räumlichen Auflösung von 50 m
Visualisierung
Von entscheidendem Interesse ist die kartographische Visualisierung der bearbeiteten und
ausgewerteten Datensätze. Die in den 1970erJahren entwickelten Gewässergütekarten, in
denen die Klassen der Gewässerqualität der
Flüsse in Banddiagrammen visualisiert worden
sind, haben gesellschaftlich sowie bei den
politischen Entscheidungsträgern eine hohe
Akzeptanz entwickelt. Im aktuellen Hydrolo-
27
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
GIS-gestützte Bearbeitung
Auf Basis der verfügbaren, homogenisierten
Datenbestände werden die unterschiedlichen
Ausprägungen der Auen digital in einem GIS
(Geographischen Informationssystem) erfasst:
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
gischen Atlas von Deutschland – HAD [1] finden sich neben der aktuell fortgeschriebenen
Gewässergütekarte auch die Ergebnisse der
in den 1990er-Jahren entwickelten Gewässerstrukturgütekartierung.
Während bei den beiden genannten, bestehenden Kartierungen die lineare Ausdehnung
der Flüsse als kartographisches Grundelement
zur Verfügung stand und somit die Banddiagrammdarstellung mit einer vom Abfluss
des Flusses abhängigen Breitenvariabilität als
kartographisches Modell verwendet wurde, so
kann dieses Modell nicht direkt für die Visualisierung der Auengebiete übernommen werden. Die Gründe hierfür werden im Folgenden
beschrieben:
Grundsätzlich hängt die Ausbildung von Flussauen ebenso von der Abflussmenge des Fließgewässers ab; aber auch andere Elemente wie
u. a. naturräumliche, geomorphologische und
tierungen zu gewährleisten, ist eine Übersichtsdarstellung im Maßstabsbereich 1:1 Mio. bis
1:2 Mio. als Printversion vorgesehen. Alle anderen, größeren Maßstabsbereiche werden digital mit Hilfe der WEB-GIS-Server-Technologie
publiziert. Dabei wird vom Bearbeitungsmaßstab 1:25.000 ausgegangen, in dem die Basisdatenerfassung und Homogenisierung durchgeführt wird. Die Visualisierung der Ergebnisse
wird in unterschiedlichen LoD-Stufen (Level of
Detail) erfolgen, in einem Maßstabsbereich von
1:25.000 bis zu 1:2 Mio. Konzeptstudien für den
Aufbau eines solchen Visualisierungssystems
liegen vor [2, 3, 4] und werden durch aktuelle
Studien- und Diplomarbeiten an der Fakultät
für Geomatik der Hochschule Karlsruhe ergänzt
und adaptiert.
Folgende Visualisierungsmöglichkeiten sind in
bisherigen flussbezogenen Darstellungen erarbeitet worden:
Abb. 5: Unterschiedliche kartographische Modelle
geologische Gegebenheiten bilden wichtige
Faktoren bei der Ausprägung von Auengebieten. Durch die starke anthropogene Beeinflussung werden die natürlichen morphologischen
Auengebiete in die rezente Aue und die Altaue
unterteilt. Sowohl die unterschiedliche räumliche Ausdehnung als auch die beschriebene
unterschiedliche qualitative Ausprägung von
Flussauen muss in dem geplanten kartographischen Modell visualisiert werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die Ausprägung von
Flussauen im Gegensatz zur Länge des Flusses
nur sehr schmal ist und somit in kleinmaßstäbigen Übersichtsdarstellungen nicht mehr lagebzw. flächentreu dargestellt werden kann.
Aus diesen Gründen wird ein hierarchisches
Visualisierungskonzept entwickelt, das auch
den cross-medial konzipierten Veröffentlichungsformen Rechnung tragen soll. Um die
Vergleichbarkeit mit den beiden erwähnten
Gewässergüte- und Gewässerstrukturgütekar-
28
Deutlich sichtbar im linken Teil der Abbildung 5
ist die ungleichmäßige Verteilung der rezenten
Aue und der Altaue, sowohl in Längsrichtung
des Flusses als auch auf den beiden Uferseiten.
Auch die Gesamtbreite der Auengebiete ändert
sich unregelmäßig. Diese Problematik zeigt,
dass eine homogene Banddarstellung, wie sie
im mittleren Teil der Abbildung 5 (Ausschnitt aus
der Gewässerstrukturgütekartierung) gezeigt
wird, den Charakter der Auenverteilung nur
unzureichend wiedergibt. Flussabschnitte mit
nur sehr schmalen oder gar keinen Auenbereichen werden genau so breit dargestellt wie
großflächige Auengebiete.
Die vorkommensbezogene Darstellung, welche die Auengebiete lage- und flächentreu
darstellt, kann nur in größeren Maßstabsbereichen gewählt werden. In Bezug auf den
Bildschirm als Ausgabegerät beim WEB-GISSystem müssen die bekannten Mindestdimensionen für Bildschirmgrafiken beachtet werden.
FACH
WISSEN
Um die Ergebnisse der Bewertung auch in
einem kleineren Maßstab visualisieren zu können, muss der Detaillierungsgrad der geometrischen Daten reduziert werden. Während der
genaue Verlauf der Abgrenzungen der Auengebiete nicht von entscheidender Bedeutung für
die Bilanzierung ist, sollte die räumliche Ausprägung auch in kleineren Maßstäben erkennbar sein. Im Rahmen einer aktuellen Diplomarbeit können mithilfe einer logarithmischen
Breitendarstellung selbst kleine Auenbereiche
noch erkannt werden, die Relation zu breiten
Auengebieten bleibt jedoch grundsätzlich erhalten (s. rechter Teil der Abb. 5 sowie Abb. 6).
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Abb. 6: Logarithmische Größenlegende für
Banddarstellung Abb. 5, rechts
Auf Basis dieser Konzeptentwicklungen werden zurzeit unterschiedliche Visualisierungsmöglichkeiten erarbeitet, die nach Abstimmung
mit den Projektverantwortlichen zur Darstellung der Ergebnisse verwendet werden. Der
Abschluss des Projekts mit der geplanten
Publikation ist für März 2008 vorgesehen.
Literatur
[1] BMU – Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.), Hydrologischer Atlas von Deutschland, Bonn, 2003.
[2] Günther-Diringer, Detlef, Bewertung der
Flußauen im Donau-Einzugsgebiet, in: Strobl,
J.; Blaschke, T. (Hrsg.), Angewandte Geographische Informationsverarbeitung, XI. Beiträge
zum AGIT-Symposium, Salzburg, 1999.
[4] Günther-Diringer, Detlef, Aufbau eines Flussaueninformationssystems großer Flüsse
Mitteleuropas (Rhein, Elbe, Oder, Donau), in:
Strobl, J.; Blaschke, T.; Griesebner, G. (Hrsg.),
Angewandte Geographische Informationsverarbeitung XV. Beiträge zum AGIT-Symposium,
Salzburg, 2003.
[5] Koenzen, Uwe, Fluss- und Stromauen in
Deutschland – Typologie und Leitbilder, in:
Bundesamt für Naturschutz (Hrsg.), Angewandte Landschaftsökologie, 65(2005), Bonn.
[6] Mehl, Dietmar, Machbarkeitsstudie für eine
bundesweite Erfassung des ökologischen
Zustands von Flußauen, Bundesamt für
Naturschutz (Hrsg), Bonn, 2004.
[3] Günther-Diringer, Detlef, Der Oder-Auen-Atlas.
Eine GIS-basierte ökologische und wasserbauliche Aufnahme und Bewertung von über
800 Flusskilometern, in: Cremers, A. B.; Greve, K. (Hrsg.), Umweltinformatik für Planung,
Politik und Öffentlichkeit, 12. Internationales
Symposium „Informatik für den Umweltschutz“
der Gesellschaft für Informatik (GI), Bonn,
2000.
Prof. Dr. Detlef Günther-Diringer
wurde 2004 an die Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft berufen
und lehrt im Studiengang Kartographie
und Geomatik innerhalb der Fakultät für Geomatik.
Seine aktuellen Forschungsschwerpunkte sind WEB-GISSysteme, 3-D-Visualisierung und landschaftsökologische
Bewertung.
29
Umwelttechnik/Umweltmesstechnik
Folglich kann diese Darstellungsform nur in
den Maßstäben 1:25.000 bis etwa 1:250.000
Verwendung finden.
Rüdiger Haas und Felix Huying
Entwicklung eines Zweitaktdieseltriebwerks für Flugzeuge
Maschinenbau/Mechatronik
The use of two stroke diesel engines in aircraft is not usual, and there has been little development in this
direction over the last two decades. At the moment no production ready two stroke diesel aircraft engine
is available on the market, although this engine principle, compared with the conventional aero engines, is
characterized by increased economy. Within six months, employees of the “Institut für Fertigungstechnik
und Produktion” at the Karlsruhe University of Applied Sciences succeeded in designing, developing and
finally building a working two stroke diesel engine for aircraft. On a test stand in a research establishment
for combustion engines, the engine performed impressively exceeding the expectations placed on it.
TSDAE steht für „Two Stroke Diesel Aircraft
Engine“ und damit für ein Projekt, bei dem in
Zusammenarbeit zwischen dem Institut für
Fertigungstechnik und Produktion (IFP) der
Hochschule Karlsruhe und einem Industriepartner ein neuartiges Zweitakt-Dieseltriebwerk für
Flugzeuge entwickelt wird. Dabei sollen die
derzeit auf dem Markt verfügbaren Kolben- und
kleine Strahltriebwerke durch eine neue Motorenfamilie ersetzt werden.
Die meisten heute erhältlichen Hubkolbenmotoren für Flugzeuge stammen von TextronLycoming und Teledyne-Continental und basieren größtenteils auf einem Motorenkonzept,
das in den 1950er-Jahren entwickelt wurde.
Beide Firmen bieten in ihrer Produktpalette
kein Dieseltriebwerk an. Zwar sind einige von
Kfz-Dieselmotoren abgeleitete Viertakt-Triebwerke auf dem Markt, aber eine Neuentwicklung nach aktuellstem Stand der Technik ist
nicht verfügbar. Dabei bietet dieses Triebwerk
Vorteile, die seine Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Triebwerken erheblich steigern: Nicht nur ist der Kraftstoff weltweit
verfügbar, und die Kosten für diesen sind weitaus geringer als für herkömmliches Kerosin,
auch der Kraftstoffverbrauch ist aufgrund des
Dieselprinzips geringer als bei konventionellen
Flugtriebwerken.
Zweitakt-Motoren zeichnen sich durch einen
vergleichsweise einfachen Aufbau aus. Sie
bestehen aus deutlich weniger Bauteilen als
herkömmliche Motoren, da der Ladungswechsel mit Steuerschlitzen gesteuert wird, die am
Ende der Ladungswechselkanäle liegen. Somit
werden weder Nockenwelle, Ventiltrieb noch
Steuerkette benötigt. Aus diesem Grund weisen Zweitakt-Motoren in der Regel auch eine
höhere spezifische Leistung auf. Zusätzlich
vermindert sich auch der Anteil verschleißintensiver Bestandteile, was die Störanfälligkeit
und Wartungsintensität des Motors reduziert
und seine Laufzeit erhöht.
30
Einige kleinere Firmen haben in der Vergangenheit versucht Zweitakt-Diesel-Luftfahrt-Triebwerke zu bauen, jedoch ohne großen Erfolg.
Beispielsweise hat die britische Firma Diesel
Air – Limited einen Zweizylinder-GegenkolbenMotor nach der Idee des Jumo 205 von Junkers
entwickelt. Dieser Motor, der etwa 75 kW leistet, hat jedoch noch keine Serienreife erlangt.
Die Münchner Firma Zoche wiederum arbeitet
an einem Zweitakt-Diesel-Sternmotor, dessen
Zulassung allerdings momentan nicht absehbar
ist. Auch die amerikanische Firma DeltaHawk
Engines hat einen Zweitakt-Diesel-V-Motor mit
vier Zylindern entworfen und will mit diesem
in die Serienfertigung gehen. Zugelassen ist
dieser Motor allerdings ebenfalls noch nicht.
Daher kam am Institut für Fertigungstechnik
und Produktion die Idee auf, ein neuartiges
Dieseltriebwerk für Flugzeuge zu entwickeln,
in dem das Zweitakt- mit dem Diesel-Prinzip
kombiniert wird.
Das Gesamtkonzept sieht eine jeweils um zwei
Zylinder abgestufte Boxer-Motoren-Baureihe
von vier bis zwölf Zylindern vor, die nach dem
Zweitakt-Diesel-Prinzip arbeiten, um den Austausch bestehender Triebwerke so einfach wie
möglich zu gestalten.
Abb. 1: Skizze des Boxer-Motoren-Konzepts
Um ein solches, bisher wenig umgesetztes
Motorenkonzept zur Serienreife zu entwickeln,
bietet sich die Verwendung eines Versuchsmotors mit einem Zylinder an. Hieran lassen
sich zeitnah und insbesondere kostengünstig
alle wichtigen Erkenntnisse ableiten. Diese
können dann mit vergleichsweise geringem
Aufwand auf einen sogenannten Vollmotor
übertragen werden. Ziel der ersten Phase war
zunächst, einen solchen Einzylinder-Versuchsmotor zu konstruieren, zu fertigen und auf
einem Prüfstand zu betreiben.
die Paarung Kolben/Laufbuchse zu optimieren,
um den Kraftstoff- und Ölverbrauch noch weiter zu reduzieren.
Abb. 2: Montierte Kurbelwelle im Kurbelgehäuse
Am Institut für Fertigungstechnik und Produktion der Hochschule Karlsruhe konnte von
einem dreiköpfigen Team im Rahmen von zwei
Diplomarbeiten und einem Praxissemester
ein Einzylinder-Zweitakt-Dieselversuchsmotor
innerhalb von sechs Monaten konstruiert und
mit Ausnahme des Kolbens und der Laufbuchse am Institut gefertigt werden.
Um verschiedene Steuerschlitzgeometrien zu
testen, wurde der Motor modular aufgebaut. So
ist es möglich, verschiedene Spülgeometrien
beim Prüfstandsbetrieb zu testen, ohne den
Motor komplett abbauen zu müssen.
Zusätzlich können so Verschleißkontrollen an
den Bauteilen unproblematisch durchgeführt
werden. Sämtliche Bauteile wurden mit einer
durchgängigen CAD/CAM-Kette gefertigt, so
dass Änderungen und Anpassungen während
des Prüfstandsbetriebs am CAD-Modell ins
CAM übertragen und auf der Maschine neu
gefertigt werden konnten. Insgesamt wurden
dabei von 833 kg Stahl etwa 50 Prozent zerspant. Hierbei kamen ausschließlich Maschinen zum Einsatz, die ohnehin für den täglichen
Institutsbetrieb zur Verfügung stehen. Der Fertigungsprozess beanspruchte eine Maschinenlaufzeit von über 300 Stunden.
Abb. 3: Fertiger Motor vor dem Prüfstandsaufbau
Abb. 4: Ladungswechselmodul mit Querspülung
Der Versuchsmotor konnte inzwischen auf einem
Prüfstand der WTZ Roßlau gGmbH – einer Forschungseinrichtung für Verbrennungsmotoren
und Maschinenbau – aufgebaut und getestet
werden.
Dabei wurden die an den Versuchsmotor
gestellten Erwartungen weit übertroffen. Nun
sollen am Institut für Fertigungstechnik und
Produktion weitere Entwicklungsschritte folgen. Unter anderem hat man sich zum Ziel
gesetzt, den Brennraum, die Spülkanäle und
Abb. 5: Ladungswechselmodul mit Umkehrspülung
31
Maschinenbau/Mechatronik
Herzstück der Motoren sind die nach dem
Zweitakt-Diesel-Prinzip arbeitenden, quergespülten Zylinder. Die Leistung pro Zylinder
beträgt 30-35 kW. Als Einspritzanlage kommt
ein modernes Common-Rail-System zum Einsatz.
Maschinenbau/Mechatronik
Abb. 7: Verschleißkontrolle nach dreistündigem Testlauf
Abb. 6: Aufbau auf dem Prüfstand der WTZ Roßlau gGmbH
Synthetische
SynthetischeIntelligenz
Intelligenz
Die synthetischen Schmierstoffe von oelheld zählen aufgrund ihrer
raffinierten Additivierung zu den besten am Markt. Innovative
Produktentwicklungen und konsequente Qualitätssicherung sind der
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32
Prof. Dr. Rüdiger Haas
ist seit 2001 Professor an der
Hochschule Karlsruhe und vertritt
in der Fakultät für Maschinenbau
und Mechatronik die Fachgebiete Werkzeugmaschinen und Produktionsautomatisierung. Darüber hinaus
leitet Prof. Haas das Institut für Fertigungstechnik und
Produktion (IFP).
Dipl.-Ing. (FH) Felix Huying
absolvierte zunächst den Diplomstudiengang Maschinenbau an der
HsKA und ist seit dem Wintersemester 2005/06 im Masterstudiengang Maschinenbau
eingeschrieben. Seit 2004 ist er im Rahmen seines
Studiums in verschiedene Projekte am Institut für
Fertigungstechnik und Produktion (IFP) eingebunden,
wo er auch seine Diplomarbeit zum Thema TSDAE
anfertigte.
Rüdiger Haas, Gunther Knox und Sebastian Langen
The “Institut für Fertigungstechnik und Produktion” (IFP) at the Karlsruhe University of Applied Sciences is
currently developing a new and innovating machining concept for the mould and the industry. This machining concept combines two totally different production technologies within one machine as well as under
one control. On one side of this combination is the milling process of graphite and hardened steel and on
the other side an EDM process. The background for this development is to optimize the process chain from
the raw material to a finished product, which would be produced by milling and erosion. To get to a finished
part in this way, it was and it is still necessary to use at least two machines. That means, the user needs
one milling machine to produce the electrode for the erosion process and one EDM machine to use this
electrode for the production of the required part. The development of this combination of milling and erosion in one machine represents a very real chance for the manufacturer to save money directly in production. This means that savings related to the purchase of machines will be made and money can be spent
on wages and transport technologies for the work piece. In the end, there would be a lot of advantages in
combination with fewer disadvantages for the producer to use such a multifunctional machining centre.
Einleitung
Das Institut für Fertigungstechnik und Produktion (IFP) der Hochschule Karlsruhe ist seit
2003 mit der Entwicklung eines Prototypen
einer Werkzeugmaschine mit völlig neuem
Konzept beschäftigt: In einer Maschine und
unter einer Intelligenz sollen zwei unterschiedliche Fertigungsverfahren – Fräsbearbeitung
und Senkerosion – zusammengefasst werden.
Hintergrund dieser Innovation sind stetig steigende Anforderungen an die Produkte aus
dem Werkzeug- und Formenbau. Auch die
Hersteller dieser Branche sind gezwungen,
wirtschaftlich und dennoch qualitativ hochwertig zu fertigen. Um am Markt konkurrenzfähig zu bleiben, muss dementsprechend der
Kostenfaktor gesenkt und die Produktivität
gesteigert werden, weshalb es gerade für Einzel- und Kleinserienhersteller besonders wichtig ist, im Bereich der Bearbeitungsmaschinen
/ Werkzeugmaschinen bzw. -technologien auf
dem neuesten Stand der Technik zu sein. Die
Entwicklung moderner und leistungsfähiger
Maschinen erfordert jedoch intensive Anstrengungen. Am Institut für Fertigungstechnik und
Produktion (IFP) wurde aus diesem Grund der
Aufbau dieser interessanten und zukunftsweisenden Werkzeugmaschine gestartet.
Das Maschinenkonzept
Das Maschinenkonzept zielt auf die Optimierung
der Senkerosion als Fertigungsverfahren hin.
Üblicherweise wird die Elektrode für die Senkerosion an einer separaten Fräsmaschine gefertigt,
um sie anschließend in einer Erodiermaschine
einzusetzen. Die wirtschaftlichen Nachteile des
konventionellen Konzepts sind offensichtlich:
Anschaffungskosten für zwei Maschinen, Transportwege zwischen den Maschinen sowie Maßfehler durch das Umspannen der Elektrode. Bei
dem hier vorgestellten Konzept soll der Prozess
der Elektrodenfertigung und -anwendung in
einer Maschine unter einer Intelligenz verwirklicht werden, so dass diese Werkzeugmaschine
grundsätzlich aus einem Fräsbearbeitungs- und
einem Funkenerosionsbereich besteht. Des
Weiteren soll die Maschine so ausgestattet sein,
dass sie Bearbeitungswerkzeuge und Elektroden automatisch lagern und einwechseln sowie
Elektroden vermessen kann. Diese Bereiche
sind durch einen Fahrständer verbunden, der
alle notwendigen Verfahr- und Rotationsachsen
für die Umsetzung der einzelnen Arbeitsgänge
enthält. Gesteuert wird der gesamte Prozess
von einer, entsprechend leistungsfähigen CNCSteuerung.
Beschreibung der einzelnen Arbeitsbereiche der Maschine
Werkzeugwechselsystem:
Das Maschinenkonzept verfügt über ein Werkzeugwechselsystem, in dem die Werkzeuge
zur Fräsbearbeitung sowie Elektroden und
Rohlinge zum Erodieren gelagert und eingewechselt werden. Die Einwechslung bzw. das
Ablegen des jeweiligen Teils geschieht durch
den Fahrständer, der mit einem passenden
Spannsystem versehen ist.
Fräsbearbeitung:
Der HSC-Fräsbearbeitung werden zwei unterschiedliche Aufgaben zugeordnet: Zum einen
33
Maschinenbau/Mechatronik
EDEM – NT (Electric Discharge and Electrode Machining – New Technologie) – ein innovatives Maschinenkonzept für den Formenbau
Maschinenbau/Mechatronik
soll das Material Graphit zur Herstellung der
Elektrode zerspant werden, zum anderen wird
an der Frässtation zusätzlich gehärteter Stahl
bearbeitet. Hintergrund hierfür ist die vor dem
Erodierprozess durchgeführte Schruppbearbeitung des Werkstücks. Der Erodierprozess
hat somit lediglich die Aufgabe des Schlichtens. Diese unterschiedlichen Anforderungen
bezüglich des zu bearbeitenden Werkstoffes
stellt besonders hohe Anforderungen an die
HSC-Frässpindel und an die Antriebssysteme
des Fahrständers.
Abmaße und Geometrie der Elektrode vermieden werden.
Erodierprozess:
Der Erodierprozess stellt in der ganzen Prozesskette den letzten Schritt zum fertigen Bauteil
dar: Mit dem Erodieren wird die Schlichtbearbeitung und somit die Fertigung auf Endmaß
und gewünschter Oberflächengüte realisiert.
Vorteile dieses Konzepts
Im Vergleich zu konventionellen Maschinen
liegen die Vorteile des EDEM-NT-Konzepts
zunächst in der Wirtschaftlichkeit, d. h. in der
Einsparung von Investitions-, Fertigungs- und
Personalkosten: Die Bedienung erfolgt durch
nur eine Person, Transportwege können reduziert werden und komplexe Handlingsysteme
werden nicht benötigt. Aber auch aus technologischer Sicht ist das vorgestellte Konzept den
konventionellen Maschinen überlegen:

Ausschuss- und Fehlerreduzierung durch
das Einhalten engster Toleranzen

Maximale Abtragrate beim Erodierprozess durch adaptive Erodierstrategien

Minimierung der Nebenzeiten durch Optimierung von Durchlauf- und Rüstzeiten
Abb. 1: CAD-Darstellung der EDEM-NT-Werkzeugmaschine (v.l.n.r.
Werkzeugwechselsystem, Frässtation, Messstation und Erodierbereich)

Minimierung von Hauptzeiten durch die
Verwendung von hochdynamischen und
hochmodernen Achsantrieben
Messsystem:
Um den hohen Anforderungen an die Qualität
des zu fertigenden Bauteils gerecht zu werden,
ist es unablässig den kompletten Prozess
permanent zu kontrollieren. Zu dieser Kontrolle
gehört unter anderem die Vermessung der
Graphitelektrode direkt nach dem Fräsen bzw.
vor dem Erodierprozess. Die Steuerung nimmt
anhand der gemessenen Daten gegebenenfalls Änderungen während des Erodierprozesses vor. Nach dem Erodierprozess wird die
Elektrode erneut vermessen um den Abtrag
bzw. Verschleiß festzustellen, der während
der Verwendung der Elektrode entstanden ist,
und um diesen in der Steuerung festzuhalten.
Dadurch können jegliche Fehler bezüglich der
34
Abb. 2: Momentaner Stand der Werkzeugmaschine EDEM – NT
CimatronE
Durchgängige CAD/CAM-Lösungen
für den Werkzeug- und Formenbau
Maschinenbau/Mechatronik
Dipl.-Ing. Gunther Knox
ist seit 2001 wissenschaftlicher
Mitarbeiter an der Fakultät für
Maschinenbau und Mechatronik
der Hochschule Karlsruhe. Seine Aufgaben umfassen
den Aufbau des Instituts für Fertigungstechnik und
Produktion sowie die Mitarbeit in der Lehre.
Sebastian Langen
ist seit 2002 im Diplomstudiengang Maschinenbau eingeschrieben und seit 2005 im Rahmen
seines Studiums in verschiedene Projekte am Institut
für Fertigungstechnik und Produktion eingebunden.
Die Komplettlösung für den Werkzeugbau
- vom Angebot bis zur Auslieferung:
Prof. Dr. Rüdiger Haas
siehe Seite 32
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Rüdiger Haas, Gunther Knox und Corinna Kölle
Maschinenbau/Mechatronik
Fastool: Fast and automated tool manufacturing – Rationalisierung
des Programmieraufwands für Graphitelektroden im Bereich der
­Funkenerosion
Due to shorter product life cycles the tool and die industry needs an optimization of the individual steps
in a process chain for the production of a tool. Even before the use of a machine tool time can be saved
considerably by a reduction of the NC - program preparation time, which has a direct influence on the
manufacturing costs of a mould. In co-operation with international research institutes an algorithm could
be developed to generate a NC - a program, which can reduce the operating time of an electrode of up
to 90 %. The “Institut für Fertigungstechnik und Produktion“ (IFP) of the Karlsruhe University of Applied
Sciences was able to draw upon its many years of experience in the production of graphite electrodes to
make a significant contribution to the success of this European project.
Die Herstellung von Spritzgießwerkzeugen
erfordert eine komplexe Abfolge anspruchsvoller Fertigungstechnologien, von denen die
funkenerosive Senkbearbeitung eine Schlüsseltechnologie darstellt. Als letztes Glied in
der Prozesskette kommt der Senkerosion eine
zentrale Bedeutung zu. Eine Spritzgießform
wird in der Regel mit einer Vielzahl an Elektroden hergestellt. An diese Elektroden werden
höchste Anforderungen gestellt, da sich ihre
Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit
direkt in der Qualität der Werkzeugoberfläche
widerspiegeln. Die CAM-Programmierung zur
Erstellung der NC-Programme für komplexe
Elektrodengeometrien ist ein zeitaufwändiger
Prozess, der gut ausgebildete und erfahrene
CAM-Programmierer erfordert.
Europaweit haben sich Forschungsinstitute
zusammengeschlossen, um die CAM-Programmierung für Elektroden zu beschleunigen
und zu vereinfachen und damit Produktivität
und Wettbewerbsfähigkeit der Werkzeug- und
Formenbaubranche zu steigern. Die Hochschule Karlsruhe entwickelte in Zusammenarbeit mit TNO Industrie und Technologie in Eindhoven sowie dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie (IPT) Aachen ein System,
das mit Hilfe von wenigen Eingabeparametern
automatisch ein komplettes NC-Programm
berechnet. Hierzu wurde ein Algorithmus entwickelt, der eine Berechung von NC-Bahnen
für unterschiedlichste Elektrodengeometrien
übernimmt. Da die Elektroden für die Funken­
erosion teilweise sehr komplexe Formen und
Geometrien annehmen können, musste das zu
entwickelnde Programm alle denkbaren Problembereiche einer Elektrode abdecken – so
beispielsweise Freiformflächen, prismatische
Formen und Bereiche mit dünnen, langen Stegen. Als zu bearbeitender Elektrodenwerkstoff
36
wurde Graphit gewählt, der im Vergleich zu
konventionellen Werkzeugwerkstoffen erhebliche Vorteile im Verschleißverhalten und in der
Bearbeitung aufweist. Abbildung 1 zeigt die
entwickelte Testgeometrie der Elektrode mit
allen Problembereichen.
Abb. 1: Entwickelte Testgeometrie
Anhand von Versuchen konnten Zusammenhänge zwischen den in der Elektrodenbearbeitung relevanten Ein- und Ausgangsgrößen
ermittelt werden. Hierbei wurde die Anzahl der
Eingangsgrößen, die der NC-Programmierer
wählen muss, auf ein Minimum reduziert, da
möglichst viele Kenngrößen in dem zu entwickelnden NC-Programm hinterlegt werden
sollten. Am Institut für Fertigungstechnik und
Produktion (IFP), wo fundiertes Wissen in der
Graphitelektrodenbearbeitung vorhanden ist,
wurden mit Hilfe von zahlreichen Fräsversuchen Algorithmen entwickelt, die mit einem
Minimum an Eingangsgrößen (Schrupp- und
Schlichttiefe, Untermaß, kleinster horizontaler
Radius, Taschengeometrie) ein Maximum an
Produktivität im Vorfeld der Elektrodenbearbeitung (NC-Programmerstellung) ermöglichen.
Alle weiteren Eingangsgrößen wie Vorschub,
Zustellung, Drehzahl, Fräserauswahl, Aufmaß und Frässtrategie konnten im NC-Programm hinterlegt werden. Abbildung 2 zeigt
die Prozess­kette der automatischen Programmierung.
Dipl.-Ing. Gunther Knox
ist seit 2001 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik der Hochschule
Karlsruhe. Seine Aufgaben umfassen den Aufbau des
Instituts für Fertigungstechnik und Produktion sowie die
Mitarbeit in der Lehre.
Das Projekt wurde von der Firma Delcam,
Obertshausen, unterstützt. Auf Grundlage der
vorgegebenen Algorithmen entwickelte das
Unternehmen ein Programm zur automatischen Erzeugung von Fräsbahnen, die individuell an beliebige Geometrieformen angepasst
werden können. Hierbei sucht das Programm
das für die Fertigungsaufgabe am besten
geeignete Werkzeug selbstständig aus einer
Datenbank aus, so dass der NC-Programmierer auch diese Aufgabe nicht mehr bewältigen
muss. Zudem sind weitere Kenngrößen für
eine Fräsbearbeitung in der Datenbank hinterlegt, die Frässtrategie kann folglich aufgrund
einer minimalen Anzahl an Eingangsgrößen
erstellt werden. Zusätzlich ist ein Werkzeughaltercheck im Programm implementiert, mit
dessen Hilfe die Frässtrategie schon vor der
Bearbeitung auf eine Kollision hin überprüft
werden kann.
Dipl.-Ing. (FH) Corinna Kölle
hat nach Abschluss des Diplomstudiengangs Maschinenbau das Masterstudium aufgenommen. Derzeit fertigt
sie ihre Thesis bei der Firma AGIE GmbH in Schorndorf
an. Ab Juni 2005 war sie für ein Jahr wissenschaftliche
Mitarbeiterin an der Fakultät für Maschinenbau und
Mechatronik der Hochschule Karlsruhe.
Durch diese optimierte NC-Programmierung
kann bis zu 90 Prozent der Zeit eingespart
werden, die normalerweise für die Erzeugung
der Fräsbahnen für Elektroden notwendig ist.
Dies führt nicht nur zu einer besseren Maschinenauslastung, sondern auch zu einer erheblichen Steigerung der Produktivität bei deutlich
geringeren Kosten.
Prof. Dr. Rüdiger Haas
siehe Seite 32
37
Maschinenbau/Mechatronik
Abb. 2: Prozesskette der automatischen NC-Programmierung
Rüdiger Haas und Björn Muth
Einfluss schwefelhaltiger Additive auf die tribologischen Eigenschaften von Kühlschmierstoffen
Maschinenbau/Mechatronik
The machine cutting of hard metallic materials (>56 HRC) is becoming increasingly important, particularly
when it comes to the manufacture of moulds. So far the use of cooling lubricants has led to a markedly
reduced service life for the tools. New additives for cooling lubricants and improved cutting materials make
the employment of cooling lubricants more economical. In co-operation with the company ‘Oelheld’ the
“Institut für Fertigungstechnik und Produktion” is testing the suitability of new coolant compositions in hard
milling. Because of the large number of additives that could be used in this situation, an initial selection
must be carefully made. In order to do this, the influence of different sulphonamide additives on the tribological characteristics of coolants have been analyzed.
Die Zerspanung von harten metallischen Werkstoffen (>56 HRC) spielt besonders im Formenbau eine immer größere Rolle. Bisher
führt der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS)
meist zu einer deutlich verringerten Standzeit
der Werkzeuge. Neue Additive für KSS und
weiterentwickelte Schneidstoffe machen den
Einsatz von KSS wirtschaftlich. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen oelheld GmbH,
Stuttgart, werden Versuche über die Eignung
neuer KSS-Zusammensetzungen beim Hartfräsen durchgeführt.
Nicht wassermischbare KSS bestehen meist
aus einem Basisöl, dessen physikalische und
chemische Eigenschaften durch die Zugabe
von Additiven verbessert werden. Diese Additive bestehen aus einer Mischung verschiedener Wirkstoffe wie beispielsweise Schwefel
oder Kalzium, die mit der metallischen Oberfläche des Werkstücks und des Werkzeugs
reagieren. Hierbei entsteht eine Schicht aus
Schwefelsulfiden mit einer geringen Scherfestigkeit, wodurch der Verschleiß und die
Reibung verringert werden.
Als Additive kamen elf verschiedene Schwefel- (S01 bis S11) und ein Kalziumträger in die
engere Wahl. Die Schwefeladditive wurden
jeweils mit einem Basisöl (RS32) zu fünf
unterschiedlichen Schwefelkonzentrationen
gemischt. Hierbei zeigte sich, dass das Additiv S02 schlecht in RS32 löslich ist, weshalb
dieses nicht weiter untersucht wurde.
Für eine differenziertere Beurteilung der Additive wurde ihr Einfluss auf die tribologischen
Eigenschaften des Basisöls untersucht. Hierfür
wurden die drei für Schmierstoff gängigen
Laborprüfmethoden nach Brugger, Reichert
und dem Schell-Vierkugel-Apparat (VAK) herangezogen. Die einzelnen Prüfmethoden zeigen die Wirkung der Schmierstoffe unter verschiedenen Reibungsbedingungen. Je höher
die Ergebnisse eines Fluids ausfallen, um so
besser sind seine Eigenschaften unter den
jeweiligen Reibungsbedingungen.
Bei der Schmierstoffprüfung nach Brugger (DIN
51347-2) [1] wird das Verhalten unter Mischreibungsbedingungen mit verminderter und bei
der Prüfung nach Reicher mit ausreichender
Kühlschmiermittelzufuhr untersucht. Bei beiden
Verfahren wird aus der Größe der Verschleißfläche und der Anpresskraft der Bruggerwert
bzw. Reichertwert (N/mm²) errechnet.
Abb. 1: Qualitative Darstellung der Wirkung von Schwefeladditiven auf die tribologischen Eigenschaften von Kühlschmierstoffen. Die
Untersuchung wurde nach Brugger, Reichert und dem Vierkugel-Apparat durchgeführt.
38
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Maschinenbau/Mechatronik
Versuche zur Reibverschweißung mit dem
Vierkugel-Apparat (VKA) ermöglichen eine
Aussage über das Verhalten des Schmierstoffes im Mischreibungsgebiet unter einer hohen
Flächenpressung [2]. Die Verschweißkraft wird
als die Kraft bezeichnet, bei der die vier im
Schmierstoff laufenden Kugeln miteinander
verschweißt werden.
Abbildung 1 zeigt, dass die Zusammensetzung
der Additive S03 und S09 bei den angewandten Prüfmethoden die besten Ergebnisse
lieferten. Die Zugabe von Kalzium hat Einfluss
auf die Wirkungsweise des Schwefels, weshalb
das Kalziumadditiv immer in Kombination mit
einem Schwefeladditiv getestet wurde. Eine
Auswahl von vier verschiedenen Schwefeladditiven (S03, S04, S09, S11) wurde jeweils mit
dem Basisöl RS32 zu einem Schwefelgehalt
von 1 % gemischt. Die Versuche wurden mit
einem Kalziumgehalt von 0,05 %, 0,2 % und
0,5 % durchgeführt.
Abbildung 2 stellt grafisch den Einfluss der
Kalziumadditive auf schwefelhaltige KKS dar.
Es zeigt sich, dass die besten Ergebnisse bei
einer Kalziumkonzentration von 0,2 % erreicht
werden.
Im nächsten Schritt sollen einige Kühlschmiermittel in Fräsversuchen untersucht werden.
Dabei kommen zunächst zwei Schwefeladditive (S03, S09) und das Kalziumadditiv zum
Einsatz. Die Konzentrationen bleiben dabei
unverändert, so dass ein direkter Vergleich zu
den Voruntersuchungen möglich ist.
Literatur
[1] DIN 51 347, Prüfung im Mischreibungsgebiet
mit dem Schmierstoffprüfgerät nach Brugger,
Mineralöle und Brennstoffe Bd. 2 / 5. Erg.- Lieferung, Mai 2000.
[2] DIN 51 350, Prüfung mit Schell-VierkugelApparat, Mineralöle und Brennstoffe Bd. 2 /
Grundwerk, 1997.
Abb. 2: Qualitative Darstellung der Wirkung von Kalziumadditiven auf die tribologischen Eigenschaften von schwefelhaltigen Kühlschmierstoffen. Die Untersuchung wurde nach Brugger, Reichert und dem Vierkugel-Apparat durchgeführt.
Prof. Dr. Rüdiger Haas
siehe Seite 32
Dipl.-Ing. (FH) Björn Muth
schloss das Diplomstudium des
Maschinenbaus an der Hochschule
Karlsruhe 2006 erfolgreich ab. Derzeit
ist er im Masterstudiengang Maschinenbau eingeschrieben. Im Rahmen seiner Diplomarbeit war er in Projekte
des Instituts für Fertigungstechnik und Produktion (IFP)
eingebunden.
40
Rüdiger Haas und Markus Munz
Technologieentwicklung für verschiedene wasserbasierte Dielektrika
am Beispiel des funkenerosiven Bohrens
Das funkenerosive Bohren gehört zu den
abtragenden Fertigungsverfahren. Die Funkenerosion stellt i. d. R. das letzte Glied bei der
Herstellung eines Werkzeugs oder einer Werkzeugform dar, und somit wird an den Maschinenbediener die Anforderung gestellt, dass er
dieses Verfahren ausreichend gut beherrscht.
Das physikalische Prinzip dieses Verfahrens
beruht auf einem Funkenüberschlag zwischen
zwei Elektroden (Werkzeug und Werkstück) in
einem flüssigen Dielektrikum, das die beiden
Elektroden gegeneinander isoliert. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an beiden
Elektroden entsteht nach einer gewissen Zeit
ein Plasmakanal, der als elektrische Brücke
fungiert und den Funkenüberschlag begünstigt.
Zum Zeitpunkt des Funkenüberschlags wird
Wärmeenergie sowohl ins Werkstück als auch
in das Werkzeug eingebracht, was zu einem
partiellen Aufschmelzen an beiden Elektroden
führt.
Das Werkzeug stellt bei diesem Verfahren eine
Röhrchenelektrode dar, durch die das Dielektrikum mit einem definierten Druck gepumpt wird
(s. Abb. 1).
Abb. 1: Werkstück- und Werkzeugelektrode
Zum einem sorgt das Dielektrikum für eine
Kühlwirkung während des Abtrags, zum anderen wird durch die Spülwirkung das abgetragene Material zwischen beiden Elektroden
entfernt. Mit diesem Verfahren sind Aspektverhältnisse (Werkzeuglänge zu Werkzeugdurchmesser) erreichbar, die mit keinem spanenden Verfahren möglich sind. Herkömmliche
HSS-Spiralbohrer sind in einer Länge von
bis zum Sechzigfachen ihres Durchmessers erhältlich, bei einem Durchmesser von
1 mm sogar nur in einer Länge von bis zum
Zwölffachen. Beim funkenerosiven Bohren hingegen sind Aspektverhältnisse von 500 und
mehr möglich.
Da die Funkenerosion in den letzten Jahren erheblich von der Weiterentwicklung in
der Elektrotechnik und der Elektronik profitiert
hat, liegt das Augenmerk nunmehr auf der
Generierung von günstigen Maschinen- und
Prozessparametern sowie auf der Entwicklung
von Dielektrika, die einen größeren Abtrag
ermöglichen. Hier setzt die vorliegende Arbeit
an. Ziel des Projekts am Institut für Fertigungstechnik und Produktion (IFP) war die Generierung von optimalen Ausgangsgrößen für
verschiedene, am Markt erhältliche Dielektrika,
u. z. durch gezielte Manipulation der relevanten
Eingangsgrößen.
Der funkenerosive Bohrprozess wird hauptsächlich durch den Impulsstrom, die Impulsdauer, die Pausendauer und die mittlere
Funkenspaltspannung beeinflusst. Diese Größen kann der Maschinenbediener direkt am
Maschinengenerator beeinflussen. Als Zielgrößen werden die Abtragrate (volumetrischer
Abtrag am Werkstück pro Zeiteinheit) und
der relative Verschleiß gewählt (Verhältnis
vom Abtrag am Werkstück zum Verschleiß
am Werkzeug pro Zeiteinheit). Parametertechnologien sind eine bestimmte Kombination von oben aufgeführten Kenngrößen, und
41
Maschinenbau/Mechatronik
Electrical Discharge Machining (EDM) is based on material removal through an electric spark discharge in
an isolating fluid. This machining process ranks as a key technology in the tool and die industry and is the
main area of interest for the "Institut für Fertigungstechnik und Produktion" (IFP) at the Karlsruhe University of Applied Sciences. The efficiency of the EDM drilling process can be substantially increased by the
choice of a suitable dielectric fluid. However, each dielectric fluid requires its own technology specifically
designed to enable its use. Through numerous experiments at IFP suitable technologies were developed
for several dielectric fluids. This has enabled EDM drilling to be made even more efficient.
Maschinenbau/Mechatronik
nur wenn diese miteinander harmonieren,
ist eine wirtschaftliche Nutzung der funkenerosiven Werkzeugmaschine möglich.
Als „Standard-Dielektrikum“ wird momentan deionisiertes Wasser verwendet. Die
Handhabung und Reinigung der Flüssigkeit wird durch ein Filteraggregat übernommen, das zur Maschinenperipherie gehört.
Der Umgang, die Entsorgung bzw. die
Verwendung von deionisiertem Wasser ist
relativ unproblematisch. Jedoch führen die
spezifischen Eigenschaften von Wasser
zu einigen Schwierigkeiten während des
Bohrprozesses [1]. In der Filtereinheit ist
zusätzlich eine Harzkartusche angebracht,
die den elektrischen Leitwert des Was- Abb. 2: Gegenüberstellung der Abtragrate bei Verwendung der Technologie
sers senken soll. Dieser Leitwert schwankt für Wasser und bei angepasster Technologie für das Dielektrikum Ionovit S
während der Bearbeitung, was sich direkt
auf die Zielgrößen des funkenerosiven
Bohrprozesses auswirkt. Ein weiterer
Nachteil von deionisiertem Wasser ist die
Korrosionsbildung auf dem Werkstück und
den betroffenen Maschinenteilen. Eine
Alternative zu Wasser als Arbeitsmedium
stellen am Markt erhältliche Dielektrika auf
Wasserbasis dar (ölbasierte Dielektrika
finden aufgrund erhöhter Explosionsgefahr keinen Einsatz in der funkenerosiven
Bohrbearbeitung). In der Regel besitzen
diese Dielektrika eine höhere Viskosität,
was den Funkenüberschlag begünstigt [2].
Jedoch werden bei der Auslieferung einer
funkenerosiven Werkzeugmaschine i.d.R.
nur die Technologietabellen für Wasser Abb. 3: Gegenüberstellung des relativen Verschleißes bei Verwendung der
mitgeliefert. Entsprechende Technologie- Technologie für Wasser und bei angepasster Technologie für das Dielektrikum
tabellen für andere Dielektrika werden Ionovit S
weder vom Dielektrikum- noch vom Maschinenhersteller bereitgestellt. Versuche zeigen,
gesteigert, sondern auch der relative Verdass die Leistungsfähigkeit der untersuchten
schleiß gesenkt werden. Die Entwicklung einer
Dielektrika bei weitem nicht ausgeschöpft werpassenden Technologie für jedes Dielektrikum
den kann, wenn sie auf der Grundlage der
und jede mögliche Werkstoffkombination wurde
Technologie für Wasser eingesetzt werden.
im Laufe des Projekts erfolgreich durchgeführt.
Deshalb ist es vonnöten, für jedes DielektriMit einer jeweils auf das Dielektrikum angekum eine angepasste Technologie zu entwipassten Technologie ist es nun möglich, die
ckeln (s. Abbildung 2).
unterschiedlichen Dielektrika miteinander zu
Die Steigerung der Abtragrate steht jedoch nicht
vergleichen, da nun jedes von ihnen an seialleine im Vordergrund. Ein weiteres Augenmerk
ner Leistungsgrenze eingesetzt werden kann.
liegt auf dem relativen Verschleiß. Abbildung 3
Abbildung 4 und 5 zeigen einen Vergleich der
zeigt, dass der relative Verschleiß – trotz einer
untersuchten Dielektrika hinsichtlich der Abtrag­
Steigerung der Abtragrate um ca. das Achtfache
rate und des relativen Verschleißes für eine
(s. Abb. 2) – nicht im gleichen Maß ansteigen
Werkstoffkombination.
muss.
Die Ergebnisse aus den Untersuchungen fühIn Abbildung 3 ist zu erkennen, dass der relaren dazu, dass der funkenerosive Bohrprozess
tive Verschleiß im Vergleich zur Abtragrate nur
im Werkzeug- und Formenbau künftig noch
in einem geringen Maß angestiegen ist. Bei
effizienter eingesetzt werden kann. In dieser
anderen Werkstoffkombinationen (Werkzeug
Arbeit wurden Bohrtiefen bis 120 mm unter– Werkstück) konnte nicht nur die Abtragrate
sucht. Durch die gezielte Anpassung der Impuls­
42
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parameter ist der funkenerosive Bohrpro­
zess bis zu dieser Tiefe gut beherrschbar.
Weitere Projekte am IFP zielen auf größere
Bohrtiefen hin, für die höchstwahrscheinlich
neue Technologien entwickelt werden müs­
sen, so dass künftige funkenerosive Bohr­
maschinen eventuell mit einer adaptiven
Technologiesteuerung ausgerüstet werden
können.
Literatur
Maschinenbau/Mechatronik
[1] Munz, M., Implementierung neuer
Fertigungstechnologien am Institut für
Fertigungstechnik und Produktion, Projekt­
arbeit, Hochschule Karlsruhe, 2006.
Abb. 4: Gegenüberstellung der Abtragrate beim Einsatz unterschiedlicher
Dielektrika
[2] Karden, A., Funkenerosive Bearbeitung
mit leistungssteigernden Elektrodenwerk­
stoffen und Arbeitsmedien, Dissertation,
RWTH ­Aachen, 2000.
Abb. 5: Gegenüberstellung der Abtragraten beim Einsatz unterschiedlicher
Dielektrika
Markus Munz MSc.
schloss 2005 zunächst den Diplomstu­
diengang Maschinenbau ab und absol­
vierte von März 2005 bis September
2006 den Masterstudiengang Maschinenbau. Seit März
2005 ist er ebenfalls am Institut für Fertigungstechnik und
Produktion (IFP) in verschiedene Projekte eingebunden.
Prof. Dr. Rüdiger Haas
siehe Seite 32
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Michael Kauffeld
Eisbrei – das „kalte Wasser“ der Zukunft
Traditionelle Kältemaschinen, wie sie in Kühlschränken, Supermärkten oder Brauereien
eingesetzt werden, nutzen das Prinzip der Verdampfung zur Kälteerzeugung. Im Inneren der
Kältemaschine verdampft eine Flüssigkeit. Die
Verdampfungswärme wird dabei dem zu kühlendem Raum oder Produkt entzogen. Viele der
als sogenannte Kältemittel verwendeten Stoffe
haben negative Auswirkungen auf die Umwelt.
In erster Linie ist dies das hohe Treibhauspotential der synthetischen Stoffe auf Fluor-Kohlenwasserstoffbasis. Deshalb sind derartige Stoffe
zum Beispiel in Dänemark seit 1. Januar 2007
für neue Kälteanlagen verboten.
Eine Philosophie für neue Kältemittel zielt darauf
ab, nur solche Stoffe zu verwenden, die schon
seit Jahrmillionen im Kreislauf der Natur vorkommen. Ammoniak, Kohlendioxid und Propan
mit ihren bekannten Auswirkungen auf Mensch
und Natur haben überwiegend sehr niedrige
Treibhauspotentiale. Leider bringen sie dafür
andere Nachteile mit sich: So ist Ammoniak giftig, Propan brennbar und Kohlendioxid hat sehr
hohe Drücke. Um nun giftige oder brennbare
Stoffe auch für Anwendungen mit Publikumsverkehr, z. B. im Supermarkt, einsetzen zu können,
verwendet man sogenannte Kälteträger. Die
eigentliche Kältemaschine mit dem verdampfenden, giftigen oder brennbaren Stoff wird in
einem abgeschotteten Maschinenraum untergebracht. Die Kälte wird mit einem anderen Stoff in
den Verkaufsraum transportiert. Traditionell wird
Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch bei
Temperaturen unter 0 °C eingesetzt.
Gegenüber dem ursprünglich eingesetzten verdampfenden Kältemittel erfordern derartige
Kälteanlagen mit einem Kälteträger aber deutlich größere Rohrleitungen und in der Regel
einen geringfügig höheren Energieverbrauch.
Ein Ausweg aus dem Dilemma stellt die Verwendung von schmelzenden Eispartikeln in
einer Flüssigkeit dar. In der einfachsten Variante wird auch hier ein Wasser-Glykol-Gemisch
verwendet, mit dem Unterschied, dass bei
diesem der Gefrierpunkt bewusst höher als
die Anwendungstemperatur gewählt wird. So
können sich beim Abkühlen kleine Eispartikel
(0,1 bis 0,3 mm) bilden, die selbst mit Kreisel-
Abb. 1: Eigenschaften von Eisbrei und Anlagen mit Eisbrei im Vergleich zu traditionellen flüssigen Kälteträgern
47
Maschinenbau/Mechatronik
Ice slurry is a mixture of water, a freezing point depressant (e.g. glycol or salt) and microscopic ice particles. Ice slurry has some unique properties when compared to single phase secondary refrigerants due
to the latent heat of melting of the ice particles. Ice slurry is therefore used increasingly in refrigeration
systems instead of pure liquid phase fluids. The Karlsruhe University of Applied Sciences has two experimental setups with ice slurry for research projects.
Maschinenbau/Mechatronik
pumpen pumpfähig sind. Dieser sogenannte
Eisbrei wird in der Regel in Verdampfern mit
Schabern oder Kratzern auf der Oberfläche
erzeugt, die deshalb als auch Kratzverdampfer
bezeichnet werden.
Eisbrei ist also eine Mischung aus sehr kleinen
Eispartikeln und einer Flüssigkeit. Je höher der
Eisanteil ist, desto mehr Kälte kann mit dem
Eisbrei transportiert werden. Wird der Eisbrei in
einem Behälter gelagert, lassen sich so relativ
einfach größere Mengen an Kälte speichern. Der
Eisbrei kann zum Beispiel nachts erzeugt und
tagsüber verbraucht werden. Dadurch lassen
sich die betroffenen Anlagen in der Regel energetisch und ökonomisch günstiger betreiben.
Am Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik
(IKKU) der Hochschule Karlsruhe wird intensiv
zum Thema Eisbrei geforscht. Dazu setzt
das IKKU zwei mit umfangreicher Messtechnik ausgestattete Eisbreianlagen ein. Beide
Anlagen verfügen über einen Eisbreierzeuger
mit geschabter Oberfläche. Die Art der Oberflächenschaber ist jedoch unterschiedlich: Bei
der einen Anlage werden Kunststoffschaber
mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche
bewegt. Die Eisentfernung von der Oberfläche
beruht im Wesentlichen auf einer Kombination aus Strömungskräften und in geringerem
Abb. 2: Eine der beiden Eisbreianlagen am Institut für Kälte-, Klima- und
Umwelttechnik; rechts im Bild der Eisbreispeicher in der Mitte eine Kreiselpumpe und links der Eisbreierzeuger
Maße aus Reibung der Kunststoffschaber an
der Oberfläche. Ein derartiger Eisbreierzeuger
erfordert einen Mindestanteil an Glykol von
ca. 5 %. Im zweiten Eisbreierzeuger schabt
eine Bronzeschnecke auf einem Edelstahlrohr.
48
Dadurch kann dieser Eisbreierzeuger auch mit
reinem Wasser betrieben werden.
Beide Eisbreianlagen verfügen über einen Speichertank. Einer der beiden Tanks ist doppelwandig ausgeführt. Es handelt sich ursprünglich um
einen Bierlagertank von 2.000 Liter Inhalt. Im Rahmen eines von drei Studierenden der Fakultät für
Maschinenbau und Mechatronik durchgeführten
Projekts wurde an diesem Tank die Möglichkeit
der Bierkühlung durch Eisbrei untersucht. Traditionell wird im nur 2 mm breiten Mantelraum von
derartigen doppelwandigen Tanks in Brauereien
Eiswasser, d. h. Wasser mit einer Temperatur von
0 °C, gepumpt. Die Herausforderung bestand
darin, ob sich Eisbrei durch diese schmalen
Spalte pumpen lassen würde. Im Rahmen des
Projekts wurde nicht nur gezeigt, dass dies
möglich ist, sondern auch noch belegt, dass die
Bierkühlung mit Eisbrei deutlich effektiver ist.
Dies ist auf den bis zu doppelt so hohen Wärmeübergang von Eisbrei gegenüber reiner Flüssigkeit von gleicher Temperatur zurückzuführen.
In einem anderen Projekt untersuchte eine
weitere Gruppe von Studierenden die Eisbahnkühlung mittels Eisbrei. Der ungefähr
-10 °C kalte Eisbrei – auch hier ein WasserGlykol-Gemisch – wurde durch Kapillarrohrmatten aus Kunststoff gepumpt. Der Innendurchmesser der einzelnen Kapillarrohre
betrug 3 mm. Die eingesetzten Kapillarrohrmatten hatten 40 parallel durchströmte
Kapillarrohre von jeweils 4 m Länge. Auch
in diesem Projekt konnte eindrucksvoll die
Überlegenheit von Eisbrei bei der Kühlung
einer Eispiste gezeigt werden. Typische
Anwendungen für derartige, von Eisbrei
gekühlten Eisbahnen wären zum Beispiel
mobile Eisbahnen, wie sie in jüngster Zeit
immer öfter in Verbindung mit Weihnachtsmärkten betrieben werden.
Zurzeit finden weitere Arbeiten auf dem
Gebiet „Eisbrei als Kältemittel“ am IKKU
unter der Projektführung von Prof. Dr.-Ing.
Michael Kauffeld statt, der bis 2005 die Leitung einer internationalen Arbeitsgruppe zu
diesem Thema inne hatte.
Vorteile bei der Verwendung von Eisbrei
gegenüber herkömmlichen einphasigen Kälteträgern sind ein doppelt so guter Wärmeübergang, die bis zu achtmal größere Wärmekapazität und die dadurch möglichen Reduzierungen
bei Rohrdurchmessern und Pumpenantriebsleistung.
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Maschinenbau/Mechatronik
Abb. 3: Eispartikel mit einem Mikroskop der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik aufgenommen; die einzelnen Eispartikel sind zwischen
0,1 und 0,3 mm groß
50
Prof. Dr.-Ing. Michael Kauffeld
ist seit 2002 Professor an der Hochschule Karlsruhe. An der Fakultät
für Maschinenbau und Mechatronik
lehrt er Kälte- und Klimatechnik, Thermodynamik
und Mathematik. Seit 1986 arbeitet er an Forschungs- und Entwicklungsprojekten auf dem Gebiet
der Kältetechnik, ist Verfasser von mehr als 100
wissenschaftlichen Veröffentlichungen und konnte
bereits mehrere Erfindungen zum Patent anmelden.
Er ist Mitglied in verschiedenen internationalen
Komitees des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) und des Internationalen Kälteinstituts
(IIR/IIF).
Fritz J. Neff
Mikroleiter in der Hybridtechnik
1. Einführung
Die folgende Darstellung soll in verständlicher
Weise die Aktualität der Entwicklungen im
Bereich der Mikromechatronik aufzeigen. Im
Reinraum des Laboratoriums für Mikromechatronik und Hybridintegrierte Schichtschaltungen (LMHS) der Hochschule Karlsruhe stehen
Geräte zum hybriden Aufbau von mikromechatronischen Systemen, auch Mikrosysteme
genannt, zur Verfügung. Mit dem LMHS wurde
im ehemaligen Fachbereich Feinwerktechnik
(1992/93), später in der Mechatronik (1996)
und heute in der Fakultät für Maschinenbau
und Mechatronik eine Schnittstelle zu den
Mikrotechniken geschaffen. Mittlerweile hat
sich die Mikrosystemtechnik etabliert und ist
aus den heutigen Investitions- aber insbesondere auch den Hightech-Konsumgütern
nicht mehr wegzudenken. Ohne diese kleinen,
teilweise ohne optische Hilfsmittel kaum zu
erkennenden Helfer gäbe es keine komfortablen Wasch- und Backmaschinen, Rechner,
Drucker, Scanner, keine Navigationsgeräte in
Autos und Flugzeugen, keine adaptiven Herzschrittmacher, keine Geräte der minimalinvasiven Chirurgie. Sie zeichnen sich durch eine
hohe Zuverlässigkeit aus und verbessern den
Lebensstandard.
Ziel ist es in jedem Falle, sehr kompakte,
den Anforderungen entsprechend zuverlässige
und preisgünstige sowie angepasste Systeme
herzustellen. Klein- und mittelständige Unternehmen (KMU) müssen ihre Kernkompetenz
bei sich behalten und dadurch sicherstellen,
dass die notwendigen Bauelemente aus Sensorik, Prozessorik und Aktorik mit der eigens
entwickelten, produktspezifischen Intelligenz
ausschließlich in den eigenen Produkten verwirklicht wird. Es können keine Bauelemente
und Systeme zur Lösung eines allgemeinen
Problems verwendet werden. Dies wäre ökonomisch und meist auch vom gerätetechnischen
Aufwand nicht zu vertreten. Die Lösung liegt
also im hybriden, dem anpassungsoptimierten
Aufbau der Mikrosysteme.
Hierbei werden sehr preisgünstige Bauelemente der Mikroelektronik, der Mikromechanik,
der Mikrooptik etc. aus der Massenproduktion
im Layout verwendet. Die Verknüpfung dieser
erfolgt durch das angepasste Layout. Beispiele
hierzu gibt es in der Fahrzeugtechnik, Medizintechnik, Robotik, Analysetechnik, bei Küchenund Haushaltsgeräten und dergleichen.
2. Technologie und Marktsituation
Mikromechanische, mikrooptische und mikroelektronische Bauelemente werden dabei entsprechend des Layouts so kombiniert, dass
ein optimiertes, hybrides Mikrosystem entsteht. Wesentlichen Anteil an den Funktionalitäten besitzt die Elektronik, deren Leiterbahnen durch Siebdruck auf Keramiksubstrate
erzeugt werden. Die Leiterbahnen sind, was
die Leiterplattentechnik betrifft, in der Regel
bekannt. Die Breiten und Höhen bzw. Dicken
dieser Leiterbahnen unterscheiden sich jedoch
ganz deutlich, je nachdem welche Technologie
genutzt wird, um einen bestimmten Integrationsgrad bzw. eine bestimmte Packungsdichte
zu erhalten. Sehr übersichtlich wurde dies
durch Wiemers dargestellt. [1] Angepasst an
die hier beschriebenen Entwicklungen ergibt
sich daraus folgende Übersicht:
51
Maschinenbau/Mechatronik
The fine-line-technology in the range of thick film technology is divided into two sections. One above
100 μm line width – from 120 μm up to 150 μm – made by screen printing is a well known and approved
technology. On the other hand, we are currently focusing on a field of investigation with line widths
between 90 μm and about 20 μm - which cannot been manufactured easily with a constant quality and
reliability. In recent years, a lot of work has been carried out in this area, in both research and industry,
but so far there has been no solution with which production can be satisfied. This is because no approved
technology has been found giving results of high performance, accuracy, quality and reliability. I want to
show the way to approximate a reliable solution in the area of hybrid integrated thick film technology with
applications in medicine technics, automotive industry, household appliance ect.
Bezeichnung
Standard
Feinleiter
Feinstleiter
Maschinenbau/Mechatronik
MikroFeinleiter
MikroFeinstleiter
Leiterbahnbreite
und -abstand
300μm – 200μm
bei LP
200μm – 180μm
bei LP
180μm – 150μm
bei LP
150μm – 120μm
bei LP und KS
90μm – 50μm LP
90μm – 20μm KS
Durchmesser
Durchmesser
elektr. Vias bei LP elektr. Vias bei KS
Durchmesser
therm. Vias bei KS
Kontaktflächengeometrie
Rund d = 1600μm
Bei LP
2400μm x 600μm
bei LP
2000μm x 500μm
bei KS
800μm – 600μm
600μm – 400μm
400μm – 200μm
200μm
100μm
300μm - 200μm
200μm x 200μm
200μm-150μm
100μm
300μm - 200μm
100μm x 100μm
Tab. 1: Definitionen der Leiterbahnbreiten, der Durchkontaktierungen (vias) und Kontaktflächengrößen (pads) in Anlehnung an
[1]; LP = Leiterplatte, KS = Keramiksubstrat
Bei Leiterplatten findet die Subtraktivtechnik durch Ätzen Anwendung, während bei Keramiksubstraten die Additivtechnik durch
Siebdruck zur Strukturerzeugung führt.
Die Bezeichnung „Mikroleiter“ bezieht sich
demnach auf den Bereich 150 μm – 20 μm,
wobei um 100 μm Leiterbahn-/Strukturbreite im
Moment die Grenze zwischen beherrschten und
weniger beherrschten Prozessen liegt. Deshalb
ist nicht verwunderlich, dass der Bereich zwischen 120 μm bis 90 μm nicht eindeutig
zugeordnet ist. Übliche Schaltungslayouts werden deshalb mit 120 μm Leiterbahnbreite und
-abstand gedruckt. Es ist möglich, Strukturbreiten << 100 μm durch Siebdruck mit herkömmlichen thixotropen oder mittels photosensibler
Pasten zu erzeugen, ein stetiger, qualitativ
hochwertiger Output wie bei Strukturbreiten
> 100 μm ist jedoch noch nicht erzielbar.
ches Kriterium wird wie üblich die Integrations/Packungsdichte und auch Verdrahtungsdichte
sein. Je kleiner die Systeme werden, umso
problematischer wird die Vermeidung und auch
die Ableitung von Wärme. Der Energiehaushalt
in den mikromechatronischen Systemen und
damit auch die thermische Belastung werden
den Maßnahmen zur Steigerung der Integrationsdichte Grenzen setzen. An dieser Stelle
muss der Begriff „Mikrosystem“ hinsichtlich der
Zielrichtung konkretisiert werden: Es werden
im Weiteren ausschließlich hybridaufgebaute, nicht monolithische, mikromechatronische
Systeme betrachtet.
Für das Jahr 2009 erwartet man gemäß der
Prognose von NEXUS Market Analysis [2]
einen Marktumsatz von 25 Milliarden USDollar; dies entspricht innerhalb der kommenden drei Jahre einem Zuwachs von ca.
10 Milliarden US-Dollar. Darin sind bisher
bekannte Sensoren, Aktoren und Prozessoren
sowie neue Mikrosysteme aus dem Bereich
der optischen/mikrooptischen Systeme, Mikroenergiespeicherquellen, Mikrolaboratorien
u. v. m. berücksichtigt.
Eine eigene, somit nicht repräsentative Erhebung bei 62 Unternehmen der Bereiche Forschung, Medizintechnik, Konsumelektronik und
Fahrzeugelektronik im Jahre 2003 ergab [3],
dass ein Anteil von ca. 1/6 aller Substrate auf
Keramikbasis ausgeführt ist und somit auch
die additive Technologie des Siebdruckens
Anwendung findet. Da die Erhebung im KMUBereich stattfand, kann man festhalten, dass
dort etwa dieselbe Problematik zur Steigerung
der Integrationsdichte besteht, wie sie hier
beschrieben wird. [3]
Den stärksten Zuwachs werden die bisher
bekannten Systeme haben, wobei allerdings mit
weiteren Verbesserungen wie Anwendbarkeit,
Wartbarkeit, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und
Lernfähigkeit zu rechnen ist. Diese Auflistung
von Charakteristika ins Englische übertragen,
führte zur Bezeichnung SMART. Dazu werden
neue Technologien erforderlich; ein wesentli-
3. Approximation an beherrschte Prozesse
Ein Beispiel zeigt die nachfolgende Abbildung
des Mikrosystems SAM aus dem Jahre 1997,
wobei Leiterbahnbreiten von 150 μm durch
Siebdruck mit maskierten Sieben, Edelstahlgewebe und anschließendem Einbrennen bei
850 °C Plateautemperatur erzeugt wurden.
52
'ESTALTEN3IE
DIE:UKUNFTMIT
In jedem Falle erfolgt der Aufbau auf einem
den Einsatzanforderungen entsprechend
geeigneten Trägermaterial (Substrat). Üblich
und überwiegend bekannt sind Leiterplatten
(FR3, FR4, ...), weniger bekannt dagegen
sind Oxid- und Nichtoxid-Keramiksubstrate aus
den Basiswerkstoffen Al2O3 oder AlN. Aufgrund
ihrer besonderen Eigenschaften, die in Tabelle
2 dargestellt sind, werden sie meist so hoch
integrativ an oder auch in den zu überwachenden Aktoren verbaut, dass sie meist nicht
entdeckt werden.
7IRSINDEINEDERGRڔTENNATURUNDINGENIEUR
WISSENSCHAFTLICHEN&ORSCHUNGSEINRICHTUNGEN
IM6ERBUNDDER(ERMANNVON(ELMHOLTZ
'EMEINSCHAFT$EUTSCHER&ORSCHUNGSZENTREN
&ORSCHUNGUND%NTWICKLUNGSINDFàRUNS)NVESTI
TIONENINZUKUNFTSWEISENDEMENSCHENGERECHTE
UNDUMWELTSCHONENDE4ECHNOLOGIEN
7IRSINDAKTIVINDEN&ORSCHUNGSBEREICHEN
s%NERGIEUND!TMOSPHÊRENFORSCHUNG
s3CHLàSSELTECHNOLOGIEN
s3TRUKTURDER-ATERIE
&àRUNSERENWISSENSCHAFTLICHTECHNISCHEN
"EREICHSUCHENWIR3TUDENTENINNENUND
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RICHTUNGEN
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FàR0RAKTIKA$IPLOMUND$OKTORARBEITEN
ODERDEN$IREKTEINSTIEG
Tab. 2: Eigenschaften der Keramiksubstrate für hybrid aufgebaute
Mikrosysteme [5]
Nach 14 Jahren Weiterentwicklung kann festgestellt werden, dass die Ausrichtung mit dem
hybriden Aufbau der Mikrosysteme auf Al2O3Keramiksubstraten nicht an Bedeutung verloren hat. Die Leiterbahnen, Ausgleichs-, Isolations,- Dielektrikums- und Widerstandsschichten
&ORSCHUNGSZENTRUM+ARLSRUHE'MB(
(AUPTABTEILUNG0ERSONALUND3OZIALES
4INA%DEL0OSTFACH
+ARLSRUHE
7EITERE)NFORMATIONEN4EL
/NLINEBEWERBUNGUNTERWWWFZKDEJOBS
53
Maschinenbau/Mechatronik
Abb. 1: Souveränes autarkes Mikrosystem SAM [4];
Substratabmessungen 2“ x 2“ x 635 µm dick, Leiterbahnbreite 200 µm, Crossover-Technik, Messen
und Speichern von Druck, Temperatur und Lichtintensität; Datenaustausch und Programmierung über
IR-Schnittstelle
Maschinenbau/Mechatronik
werden mittels Siebdrucktechnik aufgebracht,
wobei diese bei Strukturbreiten von mehr als
100 μm mittels maskierter Siebe hergestellt
werden. Dies zeigt die heute übliche Technologie mit beherrschten Prozessen.
Das eingangs erwähnte Streben zu höherer
Integrationsdichte führte dazu, stetig die Weiterentwicklung der hybridintegrierten Mikrosysteme mit unterschiedlichen Ansätzen zu
betreiben. Dies spiegelt sich auch in den
zeitlichen Entwicklungsabschnitten des LMHS
wider. Die folgenden fünf Entwicklungsstufen
zeigen deutlich das Streben nach höherer Pakkungsdichte, speziell durch die zunehmende
Flip-Chip-Bondtechnologie in Verbindung mit
den Bestrebungen, die Leiterbahnbreiten und
-abstände entsprechend zu reduzieren. Des
Weiteren wurde auch auf bleifreie Löttechnologie umgestellt, womit man zur Renaissance
des Dampfphasenlötens beigetragen hat.
1. 1993: Maskierte Siebe, > 100 μm Bahnbreite, SMT, gehäuste Halbleiter-Bauelemente
(HL-BE), Reflow-Konvektions-Löttechnik
(thixotrope Pasten)
Drucken erfolgte das Trocknen, anschließend
das lithographische Strukturieren, dann das
Entwickeln, Spülen und schließlich das Einbrennen der verbleibenden Leiterbahnen bei
850 °C. Die sich in den Zwischenräumen der
Leiterbahnen und Kontaktflächen befindlichen
Pastenanteile wurden also herausentwickelt
und waren somit verloren.
a)
b)
2. 1996: maskierte Siebe, > 100 μm Bahnbreite, SMT, ungehäuste HL-BE, Reflow-Konvektions-Löttechnik, Halbleiter-Bondtechnik
(die- and wire-bonding)
(thixotrope Pasten)
3. 1999: nicht maskierte Siebe, < 100 μm
Bahnbreite, SMT, ungehäuste HL-BE,
Reflow-Konvektions-Löttechnik, FC-Bondtechnik (flip-chip-bonding), anisotropes Leitkleben
(photosensitive thixotrope Pasten)
4. 2003: nicht maskierte Siebe, < 100 μm Bahnbreite, SMT, ungehäuste HL-BE, ReflowKondensations-Löttechnik, FC-Bondtechnik
(flip-chip-bonding), Multilayer-Technik (Elektrolumineszenz)
(photosensitive thixotrope Pasten)
5. 2006: maskierte Siebe (Trampolinsiebe),
< 100 μm Bahnbreite, SMT, ungehäuste
HL-BE, Reflow-Kondensations-Löttechnik,
FC-Bondtechnik (flip-chip-bonding), Mikromontage (Mikroroboter und Mikroschreiber)
(thixotrope Pasten)
Im Jahre 2000 war es nach langwierigen Versuchen möglich, einige funktionierende Strukturen der Breite 50 μm für einen Sonnenstandsdetektor zu erzeugen. Es bestätigten sich die
anfänglichen Bedenken der Unwirtschaftlichkeit dieses Verfahrens des ganzflächigen Siebdrucks von photosensiblen Pasten. Nach dem
54
Abb. 2: a) Ausschnitt aus dem Bereich zur Kontaktierung des ungehäusten Halbleiters durch „die- and
wire-bonding“, Linien-/Strukturbreiten 50 μm [6]
b) zeigt den kompletten Aufbau des Mikrosystems
mit den beiden Solarzellen auf einem Keramiksubstart , das 0,5“ x 0,5“ x 635 μm dick ist.
Nachdem im Jahr 2000 noch mit einer gelungenen Struktur (s. Abb. 2) der erste Erfolg im
Größenbereich von 50 μm verzeichnet werden
konnte, haben im Folgenden bis zum Jahr
2003 die umfangreichen Tests mit Parametervariationen nur ein fast zufriedenstellendes
Ergebnis hervorgebracht; die entsprechenden,
zu variierenden Parameter sind nachfolgend
übersichtlich dargestellt.
Zufriedenstellend hierbei war lediglich die deutlich stärkere Ausprägung der Linien gegenüber
allen bisherigen Parametervariationen; die Problematik liegt immer noch in zufälligen, nicht
reproduzierbaren Störeinflüssen.
Æ Trocknen mit Heizplatte:
1. bei Gelblicht
2. Temperatur: 80 °C
3. Dauer: 20 Minuten
Æ Belichtung
1. Methode: UV-Belichtungsbox F1502D
2. Dauer: 10 min
Æ Entwicklung:
1. Entwickler: 0,8% Na2CO3-Lösung
2. Methode: Besprühen mit Druckluftzerstäuber
auf rotierendes Substrat
3. Dauer: 40 sec
Æ Abspülen:
1. Flüssigkeit: Wasser
2. Methode: Eintauchen
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55
Maschinenbau/Mechatronik
Æ Siebdruck
1. Siebmeshzahl: 200
2. Rakelanpresskraft: 30 N
3. Rakelgeschwindigkeit: 50 mm/sec
4. Rakelwinkel: 45°
5. Siebabsprung: 800 mm
6. bei Raumtemperatur
7. bei Gelblicht
Æ Ebnen lassen:
1. bei Gelblicht
2. bei Raumtemperatur
3. Dauer: 15 Minuten
Maschinenbau/Mechatronik
Abb. 4: Prinzip der Trampolinsiebe [7]
Abb. 3: Ausschnitt der zentralen Struktur zur Positionierung des ungehäusten Halbleiterbauelements
des Sonnenstandsdetektors, hergestellt mit maskiertem Präzisionssieb; Linienbreite 70 μm, Linienhöhe 20 μm
4. Weiterführende Arbeiten
Versuche mit Trampolinsieben, die im Randbereich mit einem Polyestergewebe und im
Innenbereich mit einem den Anforderungen
entsprechendem Edelstahldrahtgewebe bespannt sind, werden im weiteren Verlauf dieser
Untersuchungen durchgeführt, und es zeichnet
sich schon jetzt ab, dass voraussichtlich mit
sehr guten Ergebnissen gerechnet werden
kann. Diese ursprünglich aus einem Preisvorteil entstandene Bespannungstechnik erhöht
den elastischen Bereich der empfindlichen
Feindrahtgewebe, ermöglicht eine höhere Passergenauigkeit und führt zudem, was zunächst
sekundär erscheint, zu höheren Standzeiten
der Siebe.
Die gewonnenen Erkenntnisse, die derzeitigen
Arbeitsergebnisse und auch die Rückmeldungen aus der Industrie motivieren zu weiterem,
verstärktem Vorgehen auf diesem Gebiet.
Literatur
[1] Wiemers, Arnold, Mikrofeinstleitertechnik,
Firmenpublikation der ILFA GmbH, Ausgabe
8.0, 2005.
[2] NEXUS Market Analysis for MEMS and Microsystems III, 2004-2009,
http://www.nexus-mems.com, Oktober 2006.
[3] Herrmann, Marco; Schwarz, Johannes, Problematik der Elektronikproduktion in Klein- und
Mittelständischen Unternehmen, Studienarbeit
in Mechatronik im LMHS, Hochschule Karlsruhe, Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik, 2003.
[4] Buck, Carsten, Entwicklung eines souveränen,
energieautarken Mikrosystems, Diplomarbeit
im Laboratorium für Mikromechatronik und
Hybridintegrierte Schichtschaltungen (LMHS),
Hochschule Karlsruhe, Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik, 1997.
[5] Neff, Fritz J., Mikromechatronik 1, Dickschichttechnik, Vorlesungsskript, Hochschule
Karlsruhe, Fakultät für Maschinenbau und
Mechatronik, 2006.
Prof. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Fritz J. Neff
ist seit 1988 Professor an der Hochschule Karlsruhe und vertritt in der
Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik die Fachgebiete Produktionstechnik und Automatisierung in der Mikromechatronik. Seit dem Aufbau des
LMHS (Laboratorium für Mikromechatronik und Hybridintegrierte Schichtschaltungen) als Schnittstelle der Fakultät zu den Mikrotechniken liegt sein Schwerpunkt in der
Lehre bei den Technologien der Dickschichttechnik und
der Mikrosystemtechnik. Seine Forschungs- und Entwicklungsrichtung gilt der Steigerung der Integrationsdichte
im Bereich hybrid aufgebauter Mikrosysteme sowie der
Umsetzung neuer Erkenntnisse in der Reinraumtechnik.
Prof. Neff leitet das im Jahr 2000 gegründete SteinbeisTransferzentrum Mechatronik-Karlsruhe sowie das Centro
de Mecatrónica de Gijón (CMG) in Asturias/Spanien.
[6] Lilansa, Noval, Entwicklung und Herstellung
eines Sonnenstandsdetektors unter Verwendung photosensibler Pasten, Diplomarbeit
im Laboratorium für Mikromechatronik und
Hybridintegrierte Schichtschaltungen (LMHS),
Hochschule Karlsruhe, Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik, 2000.
[7] Präzisionssiebe für den technischen Siebdruck, Firmenschrift der KOENEN GmbH,
Ottobrunn, November 2003.
56
Norbert Link und Michael Peschl
The Experton Production Technology Concept
Expertons comprise machines, software and/or
humans and a knowledge system supplying the
most appropriate methods for the experton´s
task in real-time. Also an in-line quality monitoring system is an inherent property of an
experton. To illustrate the basic structure, a
field level work unit made up of expertons is
shown in figure 1.
By virtue of the on-line available expert knowledge and an integrated optimum-method
search system, instead of a fixed instruction
sequence only a (possibly varying) goal or task
description is needed by the expertons to optimally fulfil their job and monitor the resulting
quality. In contrast to existing technology this
allows flexibility in response to task changes. In
figure 2, a possible data traffic on the experton
Fig. 1: Field level: Work unit with two welding expertons (WE_0 and WE_1), two handling expertons (HE_0 with a
worker and HE_1 with a robot), unit co-ordinator UC
57
Informatik/Geoinformationswesen
Ein neues Forschungsprojekt auf dem Gebiet der Produktionssoftware hat am 1. Januar 2007 begonnen.
Das Projekt wurde von den Autoren vorgeschlagen und vorangebracht, um ein neues Paradigma in der
Produktionssteuerung umzusetzen. Fünfzehn weitere Forschungs- und Industriepartner aus neun europäischen Ländern haben sich dem Projekt-Konsortium angeschlossen, das von der Kommission der Europäischen Union gefördert wird. Das Vorhaben XPRESS hat zum Ziel, die Montagetechnik auf die Stufe
der sich herausbildenden „Smart Factory“ zu bringen, indem das Framework der „Holonischen Fertigungssysteme“ mit Inhalt gefüllt wird. XPRESS stellt einen innovativen Ansatz für Montageprozesse und -strukturen dar, die auf selbstverantwortlichen Montagemaschinen mit Expertenwissen beruhen. Spezifische
Aufgaben wie „Teile bewegen“ oder „Teile schweißen“ (und sogar Ablaufplanung) werden an die Maschine
delegiert, indem man lediglich die Aufgabe und ihre Randbedingungen spezifiziert. Diese Einheiten heißen
Expertonen, da sie ihre spezifische Aufgabe autonom und situationsadaptiv mit ihrem Expertenwissen auf
optimale Weise durchführen. Kooperative Teams solcher Expertonen sind in der Lage, flexibel eine Vielfalt
von Produkten herzustellen. Gleichartige Expertonen sollen in einem weltweiten Netzwerk untereinander
verbunden sein und darin Wissen über ihren Prozess erzeugen, konzentrieren und teilen und damit eine
ständig lernende Expertengemeinschaft bilden. Um noch weitere Flexibilität zu gewinnen, sollen menschliche Arbeitskräfte nahtlos integriert werden, indem sie durch eine Expertonenumgebung gekapselt werden, welche die nötigen Schnittstellen und Expertenwissen zur Verfügung stellt.
bus is shown with example task descriptions,
which might be understood by the expertons
of figure 1.
(MES)up to production planning and configuration expertons (CEs) responsible for finding an
optimum production configuration and for the
instantiation of workflow managers for different product variants or for varying production
conditions.
Seamless worker integration in mixed, flexible
human/machine environments will be achieved
by wrapping humans with an experton structure. This comprises human-machine interfaces (HMI) to supply the task definition and
corresponding related or requested expert
knowledge as well as a new human behaviour
observation and understanding system to allow
co-operation with full-automatic expertons via
the standard experton interfaces.
Informatik/Geoinformationswesen
Fig. 2: Example of communication between unit co-ordinator and expertons
For permanent self-optimisation, the knowledge systems of the expertons of one kind
(like resistance spot welding) are integrated in
a cross-sectoral learning network, which has
a data mining system to extract common process properties and methods. The data mining
system also has a “research component” to
find methods for totally new task goals and
conditions.
The expertons are agents, which decide, how
to reach their given goals
best, but not when to
perform them. The task
execution is triggered
from outside as defined
by an experton overlooking the higher abstraction level with dedicated
knowledge expertise.
This results in an experton hierarchy from field
level “production expertons” (PEs, executing
basic manufacturing
tasks) via “unit coordinators” (UCs, co-ordinating groups of field-level
expertons) and “workflow managers” (WMs,
controlling the production flow of an item) conforming the manufacturing execution system
Fig. 3: Diagram of a work unit
58
Several PEs will be grouped in a work unit,
where a certain variety of assembly tasks can
be executed. The work unit consists of at least
transport PEs to feed and unload the work unit
with parts, handling and positioning PEs to put
the parts in place and joining PEs to put the
parts together. A UC will supply the PEs with
their respective task descriptions and taskrelated boundary condition information and
co-ordinate their work by scheduling the tasks.
For this purpose, the UC receives a unit job
description document defining the assembly
process in the work unit. The UC also produces a quality document from the quality data
supplied by the PEs. The structure of a work
unit like in figure 1 is shown schematically in
figure 3.
The unit job description again comes from
a higher level experton, the WM. The WM
contains all information defining the tasks and
their sequence of all necessary work units of
one product variant under one specific configuration of work units and PEs. This will be
an electronic bill of processes (eBOP). For
each variant a WM is instantiated, controlling
and tracking the production of a variant item
according to the eBOP and sampling and
assessing the quality data. These WMs are
inserted in the production stream by the ERP
system as variants are needed. If there is a
change of the PE production configuration or of
product properties, new WMs are created. The
WMs also sample and assess the quality documents from the work units to decide on reworking or discarding the produced item as shown
in figure The eBOP is a complete description
of the whole assembly process and the result
of the CE activities. The CE is not only active
during a new product implementation (NPI)
process, but is permanently adjusting WMs
for changes in the production conditions. The
core of the CE is the simulation of workflows
with different BE and work unit configurations.
During simulation, virtual PEs are simulating
their work in real time, using and delivering
the same information via the same interfaces
as in real operation. A cost estimator gives
the weighted cost of the simulated production
and difference from the production goals as an
input to an optimiser, which finds the optimum
process, described finally by the eBOP.
To fit future production systems, the XPRESS
concept extends the structural framework of
“Holonic Manufacturing Systems” (HMS) with
new agent structures for worker integration
and for knowledge gain and organisation. It will
focus on advanced knowledge and responsibil-
The scientific objectives can be summarised
as follows:
Definition of the experton structure extending
the HMS framework with respect to experton
interfaces and system integration. Development of experton interface technology and
toolbox.
Definition of the experton situation analysis
and local and network knowledge structure.
Development of intelligent situation analysis
framework, components and system. Development of a networked knowledge system
with data collection and information distribution, data base and data mining system.
Development of a networked new process
learning system.
Definition of the human experton wrapper.
Development of specific human-machine
interfaces to supply task information and expert knowledge to human workers. Development of a human behaviour monitoring and
understanding system with signal generation
for the experton interface.
Definition of the UC structure based on HMS
agent and communication schemes and on
experton knowledge structures. Development of UC components and a UC construction system.
59
Informatik/Geoinformationswesen
Fig 4: Cross-factory network with central learning knowledge base
ity segregation (specialisation) and on trans-sectoral process learning in
specialist knowledge networks. This integration
of HMS with networked,
knowledge-based specialist experton units is
a radically new approach
and will permit a technological breakthrough
to meet the industrial
requirements on flexibility, costs, quality and
seamless worker integration. The experton concept gives a clear answer
to how basic assembly
units should look like in HMS. Expertons are
modular building blocks of any manufacturing
process. XPRESS generalises the experton
concept also to MES and SCADA levels of production and supplies the corresponding extra
structures. As expertons are self-contained and
modular, the concept can be introduced step by
step in existing assembly solutions, while are
already generating the expected benefit.
ƒ
Definition of the CE structure and interfaces
(to all data resources necessary to define
the overall assembly process like ERP, CAD,
material data bases) with simulation, cost
estimation and optimisation expertons. Development of CE components and new cost
estimation and optimisation systems. Devel-
Solutions
Ideen
Ideas
Lösungen
ƒ
Evaluation of the development results with
demonstrators in the automotive, aircraft and
electrical industry.
Prof. Dr. Norbert Link
ist seit Wintersemester 2001 als Professor an der Fakultät für Informatik
und Wirtschaftsinformatik tätig, wo er
Computer Vision, Automatisierung und Mustererkennung
unterrichtet. Seine Forschungsaktivitäten liegen in den
beiden letzt genannten Gebieten, wobei die Schaffung
neuer Technologien für industrielle Anwendungen im
Vordergrund steht. Norbert Link ist ferner seit 01.10.2004
Geschäftsführender Direktor des Instituts für Angewandte
Forschung (IAF) der Hochschule Karlsruhe.
Michael Peschl
studierte Informatik an der Hochschule
Karlsruhe – Technik und Wirtschaft.
Während des Studium arbeitete er im
Institut für Instrumentelle Analytik des Forschungszentrums Karlsruhe im Bereich Mustererkennung mit Hilfe
Neuronaler Netze. Seit Abschluss des Studium arbeitet
er bei der Hamburger Firma Harms&Wende GmbH & CO
KG, bei der er unter anderem für die Koordination von
internationalen Forschungsprojekten zuständig ist.
Informatik/Geoinformationswesen
opment of wrapper software to integrate existing planning, simulation and optimisation
software in the expertonic structure.
60
Britta Nestler
Haptisch unterstützte Bedienelemente für das Mensch-Maschine-Interface eines Fahrzeugcockpits
1. Einleitung
Das immer dichter werdende Verkehrsaufkommen und die ansteigende Anzahl von Stressereignissen in kritischen Straßenverkehrssituationen verstärken das Interesse der Fahrzeughersteller an der Entwicklung von Hilfselementen und Fahrer-Assistenz-Systemen im
Fahrzeugcockpit, die den Fahrzeugführer unterstützen und entlasten sollen. Haptische SensorAktor-Systeme sollen die Fahrsicherheit und
den Fahrkomfort erhöhen. Die bisher entwickelten Ansätze beschäftigen sich vorwiegend mit
optischen oder akustischen Ansprechreizen zur
Erregung der Fahreraufmerksamkeit. Ziele des
Forschungsprojekts „haptICS“ (hapical Interface
Communication) ist die Entwicklung von haptisch unterstützten Ein- und Ausgabegeräten
für Mensch-Maschine-Schnittstellen in einem
Fahrzeugcockpit mit Wahrnehmungsreizen und
Bedienkonzepten. In realitätsnahen Umgebungen sollen Versuche durchgeführt werden,
die Rückschlüsse auf die Anwendbarkeit in
Straßenverkehrssituationen und die Akzeptanz
der Fahrer auf diese neuen haptischen Bedienkonzepte geben. Durch die Verwendung von
haptischem Feedback soll die Anzahl der visuellen und akustischen Wahrnehmungen für den
Fahrzeugführer reduziert werden. Es wurde ein
Verbundprojekt initiiert, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als
Drittmittelgeber gefördert wird. Dieses Projekt
verbindet einerseits verschiedene Disziplinen
der Informatik, Mathematik, Physik, Mechatronik sowie Design miteinander und führt andererseits die Hochschule Karlsruhe – Technik
und Wirtschaft, die Hochschule für Gestaltung
Schwäbisch Gmünd und Partner aus der Automobilindustrie zusammen.
2. Haptische Wahrnehmung
Der Begriff „Haptik“ ist eine Ableitung aus dem
Griechischen „haptikos“ und bedeutet „greifbar,
zu fassen, den Tastsinn betreffend“. In den
oberen Hautschichten liegen die Rezeptoren
der Nervenstränge (s. Abb. 1), die unterschiedliche haptische Reize wie Druck, Berührung, Vibration und Temperatur wahrnehmen
können. Dabei wird zwischen passivem und
aktivem Feedback unterschieden.
Abb. 1: Rezeptoren in der Haut
So kann man z. B. spüren, wie die glatte
Oberfläche eines Gegenstands (Knopf, Fläche) in eine raue Oberfläche wechselt und
umgekehrt. Bei einem metallischen Gegenstand, der normalerweise als kalt empfunden
wird, können die Rezeptoren in der menschlichen Haut einen Wechsel der Oberflächentemperatur von kalt nach warm registrieren.
Beim aktiven Feedback bemerkt man eine
Veränderung des aktuell wahrgenommenen
61
Informatik/Geoinformationswesen
The Research Institute of Computational Engineering at the Karlsruhe University of Applied Sciences has
developed an interface communication platform with a variety of different prototypes for haptical actuators,
including actuators for vibration, rotation, movement and temperature. The system serves as a laboratory
for exploiting the use of haptical force-feedback for various types of applications ranging from an automotive
cockpit to household appliances. The actuator prototypes can be controlled by a software system providing a library of different force-feedback profiles and parameter ranges. The library contains a collection of
effects designed to steer the actuators. For applications in automotive cockpits, the haptical interface communication system is further extended by a driving simulator modeling traffic situations. Events taking place
outside the car can be defined for a specific haptical action which can then be implemented. For example,
the vibration of an actuator can be executed if the distance with respect to a car in front reaches a security
limit. In this way the driving simulator mimics an outer sensor system. In addition, the user can experience
the grade of disturbance as a response given by the haptical actuators while driving in the simulator.
Informatik/Geoinformationswesen
Zustands. So kann sich z. B. die Temperatur
deutlich verändern. Auch kann das Objekt in
Schwingung versetzt werden (Vibration oder
Rütteleffekt). Im Projekt „haptICS“ sollen vorwiegend Sensor-Aktor-Systeme mit haptischen
Reizen und aktivem Feedback untersucht werden. In einer Reihe von Versuchen soll festgestellt werden, wie verschiedene Versuchspersonen auf unterschiedliche
Reize reagieren, da Reizeinwirkungen nicht von allen
Menschen in gleicher Stärke
wahrgenommen werden.
technologisches Fahrzeug zu bewältigen hat,
sind der schnelle Informationsaustausch über
den aktuellen Zustand des Kraftwagens und
die Interaktion zwischen Automobilfahrer und
Fahrzeug für die Fahrsicherheit von entscheidender Bedeutung. In Abbildung 2 sind einige
der geforderten Anwendungsbereiche für einen
Personenkraftwagen skizziert.
3. Motivation
Eine große Anzahl der für
den Fahrer interessanten
und wichtigen Daten wird
in modernen Automobilen
bereits jetzt schon transparent verarbeitet. Hierzu zählen sowohl Anwendungen aus
dem „Consumer“-Bereich,
aber auch die Anzeige des Abb. 2: Anwendungsbereiche für einen Personenkraftwagen
aktuellen Ölstands, des BenDen Automobilherstellern ist es gelungen,
zinverbrauchs, der momentanen Geschwindigauf der Ebene der Fahrzeugnetzwerke alle
keit oder der Blinkanlage. Durch die hieraus entBedienelemente und Informationen, die zur
stehenden Anforderungen, den Fahrer jederzeit
Abarbeitung der in Abbildung 2 dargestellten
zu unterstützen und ihn dabei möglichst nicht
Anwendungsbereiche („use-cases“) erfordervon dem konzentrierten Führen des Fahrzeugs
lich sind, einheitlich auf einem Bussystem
abzulenken, kommt der ergonomischen Gestalbereitzustellen. In der Praxis werden hierfür
tung von Mensch-Maschine-Schnittstellen eine
häufig die Bussysteme CAN (Controller Area
immer größere Bedeutung zu. Gefordert wird
Network) und MOST (Media Orientated Syseine stets schnelle, qualitativ hochwertige und
tems Transport) verwendet. Über Gateways
kontext-abhängige Darstellung der Informatikönnen verschiedene Bussysteme miteinander
onen, also immer „die richtige Information zur
verbunden werden, so dass eine ganzheitrichtigen Zeit!“. Bei einem schnell wachsenden
liche Sicht auf die unterschiedlichsten Daten
Bedarf an Fahrerassistenzsystemen werden
entsteht. Es ist sogar möglich, eine einzige
die vorhandenen Kommunikationskanäle der
Benutzerschnittstelle bereitzustellen, an der
Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) zunehalle Daten der Bussysteme angezeigt werden
mend höher belastet. In dem hier entstehenden
und zugleich beispielsweise die GeschwindigZielkonflikt, immer mehr Funktionen in immer
keit und die gewünschte Innentemperatur des
kompakterer Form darzustellen und zugleich
Fahrzeugs angepasst werden können. Obwohl
die Bedienbarkeit zu verbessern, wird es
ein derartiges Konzept aus technischer Sicht
zunehmend schwieriger, einen Kompromiss zu
sinnvoll wäre, würde es jedoch allen ergofinden. Erschwerend kommt hinzu, dass heute
nomischen Grundsätzen widersprechen. In
bereits 80 bis 90 Prozent aller Informationen
der praktischen Entwicklung muss ständig
über den visuellen Sinneskanal übermittelt werein Kompromiss aus ansprechendem Design,
den. Hier ist es durchaus denkbar, dass durch
Bedienbarkeit der Komponenten und optimaler
den Einsatz von Aktor-Sensor-Systemen auf
Funktionsvielfalt gesucht werden. Dabei setzen
haptischer Basis eine Reduzierung der durch
die einzelnen Disziplinen Schwerpunkte wie
konventionelle Bedienkonzepte verursachten
z. B. Design, Vermittlung von Wertigkeiten,
Reizeinwirkung erzielt werden kann.
klare Stillinie, wenige, aber gut erreichbare
Bedienelemente wie Schalter, Taster, Steller
4. Kommunikation zwischen Fahrzeug und
und keine oder nur vernachlässigbar kleiInsassen
ne Bedienfehler mit geringer Funktions- aber
Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen
großer Gestaltungsfläche.
Anwendungen und Funktionen, die ein hoch-
62
B^]^k8=k_he`8aZm8l^bg^8?^l\ab\am^’
H^kl+geb\ad^bm^g8fbm8Hbhgb^k`^blm
œEZ]^8 [r8 :hl\a›8 lm^am8 _1k8 ^klmdeZllb`^8 InZebmm8 ^bg^l8
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Kmn]^gm^g¥¦bgg^g8 ]^k8 Ag`^gb^nk¦—8 FZmnk¦8 ng]8 Obkml\aZ_ml¦
ppp’[hl\a¦\Zk^^k’]^8
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modellierbare Effektschicht, mit der haptische
Signale, die vorgegebenen Profilkurven entsprechen, umgesetzt werden. Der ausgearbeitete Fahrsimulator ermöglicht das Testen haptischer Steuerungskomponenten während einer
Fahrsituation und lässt Aussagen über den
Einfluss eines haptischen Signals auf Abweichungen beim Fahrverhalten zu. Außerdem
können Aktoren ganz gezielt aus bestimmten
Fahrsituationen heraus angesteuert werden.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, ist das entwickelte Modulsystem in verschiedene Schichten aufgeteilt, die einen entkoppelten Zugriff
auf einzelne Unterprogramme ermöglichen und
eine flexible Erweiterung gewährleisten.
Abb. 4: Schematische Darstellung eines Sensor-Aktor-Modulsystems mit modularem Aufbau (bestehend aus verschiedenen Schichten)
Abb. 3: Fahrerinformationssystem in der Mittelkonsole des
PKW-Armaturenbrettes
5. Projektergebnisse
Die erworbenen Kenntnisse über moderne,
bereits in der Anwendung befindliche MenschMaschine-Schnittstellen, die mit konventionellen,
akustischen und visuellen Bedienkonzepten
arbeiten, zeigten auf, welche Bedeutung die
Entwicklung haptischer Sensor-Aktor-Funktionssysteme zur Reizminderung für die Fahrzeugbediener hat. Möglichkeiten, aber auch Grenzen
der Kommunikation und Informationsverarbeitung mittels haptischer Sensor-Aktor-Übertragung wurden herausgearbeitet. Sowohl ein
grundsätzliches Verständnis für die haptischen
Komponenten als auch für deren Eignung im
Einsatz in Fahrzeugcockpits zeigte sich bei diesen Untersuchungen als sehr vielversprechend.
In den ersten Monaten des von der BMBF für
insgesamt drei Jahre bewilligten Forschungsprojekts wurden die grundlegenden Soft- und
Hardware-Funktionalitäten für ein flexibles
Modulsystem zur Analyse haptischer Komponenten im Fahrzeugcockpit entwickelt. Das
Modulsystem beinhaltet dabei eine SensorAktor-Plattform, einen Fahrsimulator und eine
Simulations-Schicht
Die Simulations-Schicht stellt eine virtuelle
Fahrumgebung dar. In einer graphischen Oberfläche werden von einem auf das Projekt
angepassten Fahrsimulator bestimmte Daten
wie z. B. Straßennetze, Verkehrssituationen,
Fahrzeuge, Straßenverkehrsschilder und Verkehrsordnungen eingespeist. Für die Entwicklung eines geeigneten Fahrsimulators wurde
TORCS als Ausgangsbasis verwendet. Um
möglichst praxisnahe Fahrsituationen modellieren zu können, wurde der Fahrsimulator so ausgebaut, dass neben dem Austesten haptischer
Force-Feedback-Komponenten in der Fahrsituation auch die Realisierung haptischer FahrerAssistenz-Systeme über Außensensoren möglich ist. Folgende Verkehrssituationen sind im
Fahrsimulator bereits berücksichtigt: Einparken, Kreuzungen, T-Kreuzungen, Fahrbahnmarkierungen, Verkehrsregeln und Texturen,
die eine optisch reelle Simulationsoberfläche
schaffen. Diese sind wichtig, um möglichst
authentische Ergebnisse über die Reaktionen
der Fahrer zu erhalten. Zur Modellierung von
Stadtszenarien wurden außerdem Kreisverkehre, Ampeln, Beschilderungen, zweispurige
Straßen, computergesteuerte Radfahrer, Radwege und vieles andere implementiert.
65
Informatik/Geoinformationswesen
Aus ergonomischen Gründen existieren für
nahezu jeden Aktor, der der Fahrzeugsteuerung dient, eigene Bedienelemente (Blinker,
Handbremse, Scheibenwischer etc.). Auch die
Statusanzeigen derartig gesteuerter Aktoren
sind im Wesentlichen auf einem Display im
Fahrzeugcockpit zusammengefasst. In der
Regel sind dort auch die Zustände der im
Fahrzeug vorhandenen Fahrerassistenzsysteme vorzufinden, wie etwa ein ausgeschalteter Beifahrerairbag oder ein abgeschaltetes
ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm). Die
Kommunikation findet über eine zentrale Einheit, das Fahrerinformationssystem (FIS) statt,
das in der Mittelkonsole des Armaturenbrettes
(s. Abb. 3) angebracht ist.
Logische Schicht
Die logische Schicht soll Abstands- und
Geschwindigkeitsmessungen in der Fahrsimulation ausführen und bei entsprechenden Situationen Events an die Effekt-Schicht liefern. Im
jetzigen Entwicklungsstand wird auf ein PKWLenkrad zugegriffen und ein haptischer Effekt
gestartet. Die Feinabstimmung der Geschwindigkeit und/oder Stärke, mit der ein haptischer
Effekt auftritt, wird von der Intensität bzw. dem
Gefahrengrad in einer kritischen Fahrsituation
bestimmt.
Informatik/Geoinformationswesen
Effekt-Schicht
In der Effekt-Schicht sollen Kurven ausgewählt
werden, die vorgeben, wie das Feedback auf
das Gerät übertragen wird.
Hardware-Repräsentations-Schicht
Um eine gemeinsame Schnittstelle für den
Zugriff auf die unterschiedlichen Geräte zu
haben, wird die Hardware-RepräsentationsSchicht als Abstraktionsschicht eingesetzt.
Diese ermöglicht eine Erweiterung und Ergänzung der Hardwareschnittstellen, ohne noch
andere Schichten abändern zu müssen.
Hardware-Treiber-Schicht
Die Hardware-Treiber-Schicht stellt lediglich die
angeschlossene Hardware dar. Diese Schicht
enthält das Interface, mit dem die Sensoren
und Aktoren bedient werden. Zur Verfügung
stehen bisher ein Force-Feedback-Lenkrad
inklusive Pedale sowie ein Lab Jack.
Prof. Dr. Britta Nestler
ist Professorin an der Fakultät für
Informatik und Wirtschaftsinformatik. Ihre Forschungsschwerpunkte
sind computergestützte Materialwissenschaften,
Modellierung und Simulation, numerische Algorithmen, Hochleistungsrechnen sowie Mensch-Maschine-Schnittstellen.
66
Gerhard Schäfer und Rüdiger Heintz
Rotations- und skalierungsinvariante Objekterkennung mittels Gaborfilter
Invariant object localization is one of the challenging tasks in computer vision research. In this paper we
present a robust rotation and scale invariant object recognition method. A local Gabor filter space is treated
as the core of this method. Image rotation and scaling operations were transformed into shift operations
along the Gabor filter space dimensions. This property enables efficient scale and rotation estimation. The
Gabor filter space allows a comparison of local environments and is used as the basis of the invariant
object recognition method. After introducing the basics of the object localization method, two examples
are shown. The examples clarify the potentialities of the object recognition method and show its flexibility
and robustness.
mit
und
In Abbildung 1 wurde die Skalierung des Filterkerns entlang der Spalten und die Drehung des
Filterkerns entlang der Zeile variiert. Gaborfilter
sind Bandpassfilter; somit extrahiert jeder Filter
einen bestimmten Frequenzanteil des Bildes.
In der hier vorgestellten Arbeit wird die Entwicklung neuer Verfahren gezeigt, die eine
robuste und flexibel anpassbare rotations- und
skalierungsinvariante Objekterkennung und
-lokalisierung erlauben.
Grundlagen
Zur Entwicklung eines robusten Systems
für die rotations- und skalierungsinvariante
Objekterkennung und -lokalisierung wurden
Gaborfilter verwendet, die bereits erfolgreich
in der Gesichtserkennung eingesetzt werden.
Für die hier vorgestellte Anwendung war eine
Modifizierung des Gaborfilters notwendig. Das
Filter wurde so entworfen, dass die Filterkerndrehung mittels eines Parameters p1 und
eine Filterkernskalierung mittels eines weiteren
Parameters p2 möglich wurden. In Abbildung
1 sind einige Gaborfilterkerne dargestellt. Der
Gaborfilterkern entspricht einer komplexen
Funktion, weshalb jeweils der Real- und Imaginärteil dargestellt sind. Die angepasste Gleichung des Gaborfilters lautet:
Abb. 1: Gaborfilterkerne
Die Verwendung mehrerer Gaborfilter ermöglicht eine nahezu komplette Erfassung des
Ortsfrequenzraums (s. Abb. 2).
Durch die Filterung eines Eingangsbilds mit
mehreren Gaborfilterkernen ergeben sich mehrere komplexe Filterantworten in der Größe
des Eingangsbilds. Daraus resultieren für
jeden Bildpunkt des Eingangsbilds mehrere
komplexe Filterergebnisse, die sich zu einer
67
Informatik/Geoinformationswesen
Einleitung
In den letzten Jahren hat sich das Maschinelle
Sehen zu einer Schlüsseltechnologie mit einem
breiten Spektrum von Anwendungsgebieten
entwickelt. So weist die industrielle Bildverarbeitung laut einer Studie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit [1] seit Jahren die
höchsten Zuwachsraten innerhalb der Automatisierungstechnik auf, und auch für die Zukunft
wird ihr enormes Wachstumspotential prognostiziert. Anwendungsgebiete des Maschinellen
Sehens sind z. B. Qualitätskontrolle, Fertigungssteuerung, Überwachung, Auswertung
medizinischer Daten und Arbeitssicherheit [2, 3,
4]. Die meisten Anwendungen des Maschinellen Sehens lassen sich ohne visuelle Objekterkennung und -lokalisierung nicht realisieren,
weshalb diese einen der Hauptbestandteile von
maschinell sehenden Systemen darstellen.
korrekt war. Bei fehlerhafter Schätzung wird die
nächste wahrscheinliche Position verwendet.
Dies wird so lange durchgeführt, bis das Objekt
gefunden wurde.
In weiterführenden Untersuchungen wurde
das Verfahren zur Objekterkennung und
-lokalisierung auf Farbbilder erweitert. Dies
wurde erreicht, indem das Farbbild in ein für
die Gaborfilterung geeignetes Signal umgesetzt wurde. Des Weiteren wurde auf Basis
einer Auswertung der Jetmatrizen ein Verfahren entwickelt, um signifikante Umgebungen zu
erkennen. Diese Erweiterungen erlauben eine
Vergrößerung des Anwendungsspektrums.
Informatik/Geoinformationswesen
Abb. 2: Überlagertes Ortsfrequenzspektrum
Matrix zusammenfassen lassen. Diese Matrix
wird im Weiteren als Jetmatrix bezeichnet.
Durch die spezielle Anordnung der Gaborfilterkerne nach Abbildung 1 wird erreicht, dass eine
Drehung oder Skalierung des Eingangsbilds
in eine Verschiebung in der Jetmatrix übergeht. Durch die Ausdehnung der Filterkerne
umfasst die Jetmatrix nicht nur Informationen
eines Bildpunkts, sondern beschreibt die lokale
Umgebung um einen Bildpunkt.
Vertiefende Informationen zur Erzeugung und
Auswertung der Jetmatrix sowie die vorgestellten Erweiterungen sind in [5] und [6] zu
finden.
Beispielanwendungen
Das Verfahren wurde erfolgreich auf unterschiedliche Probleme angewendet. Zum Beispiel wurde das Verfahren zur
Lokalisierung von Messmarken,
Georeferenzierung von Satellitenbildern
und
Das entwickelte Verfahren zur Objekterkennung
und -lokalisierung basiert auf dem Vergleich
Vollständigkeitsprüfung
lokaler Umgebungen anhand ihrer Jetmatrizen.
eingesetzt. Durch die Flexibilität des neuen
Beim Vergleich ist jedoch zu berücksichtigen,
Verfahrens war eine Anpasasung an die unterdass die Jetmatrizen durch Rotation und Skaschiedlichen Anforderungen in kürzester Zeit
lierung zueinander verschoben sein können.
möglich. Hier werden nun zwei dieser BeispielZur Auswertung wurde eine neue Methode
anwendungen vorgestellt.
– basierend auf der komplexen Kreuzkorrelation – entwickelt. Die Methode liefert ein
Für die Erkennung von Messmarken wurde
Maß für die Ähnlichkeit zweier Jetmatrizen
die MC-MXT-Marke des Fraunhofer-Instituts
und somit der Umgebungen. Zudem liefert die
für Informations- und Datenverarbeitung (IITB)
Jetmatrix den Verschiebungsvektor zwischen
gewählt. In Abbildung 3 sind solche Marken darden Jetmatrizen, anhand dessen die Transforgestellt. Die Marke kann trotz Helligkeitsschwanmationsparameter für Rotation und Skalierung
kungen und Verzerrung erkannt werden.
zwischen den Umgebungen
angegeben werden können.
Wird nun ein Objekt gesucht,
werden in einer Referenzabbildung für das Objekt
signifikante Umgebungen
ausgewählt. Anhand der Jetmatrizen dieser Umgebungen wird die Objektsuche
durchgeführt. Zunächst werden die wahrscheinlichsten
Positionen der ersten Umge- Abb. 3: Ergebnisbild mit maschinell erkannter Marke
bung im Suchbild bestimmt.
Zur Erkennung bietet es sich an, die weiAnhand der wahrscheinlichsten Position kann
ßen Punkte zu verwenden. Da die lokalen
der Suchraum eingeschränkt werden. Durch
Umgebungen um die weißen Punkte bei allen
Suche der restlichen signifikanten Punkte kann
vier Punkten identisch sind, wurden anhand
festgelegt werden, ob die erste Schätzung
68
Als weitere Beispielanwendungen wird auf
die Vollständigkeitsprüfung des Inhalts von
durchsichtigen Tüten eingegangen. Hierbei
ergeben sich zwei Störquellen: An der Tütenoberfläche kann es zu Reflexionen kommen
und zudem können Abschattungen entstehen, falls sich Symbole oder Ähnliches auf
der Tüte befinden. Diese Störungen führen
dazu, dass Standardverfahren bei der Segmentierung versagen, da die Reflexionen zur
Trennung der Bauteile in zwei Segmente und
die Abschattungen zur Verbindung zweier Bauteile zu einem Segment führen können. Mittels des hier vorgestellten Verfahrens ist trotz
dieser Störungen eine Objekterkennung und
-lokalisierung möglich (s. Abb. 4).
Literatur
[1] Botthof, A. u.a., Anforderungen an die
Technologie- und Wirtschaftspolitik durch
die Konvergenz der elektronischen Medien,
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit,
Dokumentation Nr. 539, S. 45-46, 2005.
[2] Demant, C.; Streicher-Abel, B.; Waszkewitz,
P, Industrielle Bildverarbeitung - Wie optische
Qualitätskontrolle wirklich funktioniert, Springer-Verlag, 2. Auflage, 2001.
[3] Pham, D.T.; Alcock, R., Smart Inspection
Systems - Techniques and Applications of
Intelligent Vision, Academic Press, 2003.
[4] Davies, E. R., Machine Vision - Theory, Algorithms, Practicalities, Academic Press, 2005.
[5] Heintz, R.; Schäfer, G., Lokale invariante
Objektlokalisierung mittels Gaborfiltern,
GMA Kongress, VDI-Bericht 1883, 2005,
S. 441-448.
[6] Heintz, R.; Schäfer, G.; Bretthauer, G., Local
invariant object localization based on Gabor
feature space, Proceedings 5th International
Conference on Visualization, Imaging and
Image Processing, 2005, S. 575-580.
Prof. Dr. Gerhard Schäfer
ist in der Fakultät für Elektro- und
Informationstechnik für das Fachgebiet
angewandte Mikroelektronik verantwortlich. Seine Tätigkeiten umfassen neben dem Entwurf
von digitalen Systemen auch Methoden der Bildverarbeitung und deren Umsetzung in praktisch anwendbare
Systeme.
Abb. 4: Ergebnisbild mit maschinell erkannten
Objekten
Dipl. Ing. (FH) Rüdiger Heintz
studierte Nachrichtentechnik an der
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule Karlsruhe
– Technik und Wirtschaft. Nach Beendigung seines Studiums begann er eine Promotion in Kooperation zwischen
Universität Karlsruhe und Hochschule Karlsruhe. Er
befasste sich dabei mit den Themen der invarianten
Objekterkennung in digitalen Bildern.
Jedes Objekt wurde anhand von ein bis vier
signifikanten Punkten eingelernt. In Abbildung
4 sind die gefundenen Punkte angezeigt, die
Punktfarbe wurde zur Kennzeichnung der einzelnen Objekte verwendet.
69
Informatik/Geoinformationswesen
der Jetmatrix Kriterien zur Erkennung weißer
Punkte bestimmt. Durch Auswertung dieser
Kriterien für jeden Bildpunkt lassen sich lokale
Wahrscheinlichkeiten für die Existenz einer
Messmarke für jeden Bildpunkt angeben. Auf
diesem Weg kann die Messmarke erkannt
und lokalisiert werden. Auf eine komplexe
Kreuzkorrelation kann in diesem Fall verzichtet
werden, wodurch sehr schnelle Rechenzeiten
realisiert werden können.
Oliver Kusche und Andreas Schmidt
Entwicklung eines Austauschformats und eines Editors für Lebenszyklusdaten
Informatik/Geoinformationswesen
Life Cycle Assessment (LCA) is an assessment of the environmental impact of a product or service throughout its entire lifespan, “from cradle to grave“. In the context of its efforts to facilitate environmental sustainability and to promote the use of life cycle data and tools, the European Commission is currently developing
a reference database for life cycle data, called the “European Reference Life Cycle Data System“ (ELCD).
An XML-based data format (ELCD Format) is also to be developed to serve for data exchange and as a
reference format for the database. The Institute for Applied Computer Science at Forschungszentrum Karlsruhe has been contracted for the implementation of the data format as well as a simple editor application
for creating and editing datasets. In order to achieve an efficient software development process and easier
maintenance as the format evolves, the format-specific components of the editor are derived from the XML
Schema documents describing the format using model driven software development techniques.
Einleitung
Im Rahmen ihrer Strategie zur nachhaltigen
Entwicklung verfolgt die Europäische Kommission unter anderem das Ziel, die breite Verfügbarkeit und Akzeptanz von Lebenszyklusinformationen und Werkzeugen zur Ökobilanzierung zu fördern. Vor diesem Hintergrund wurde
das Institut für Angewandte Informatik (IAI)
des Forschungszentrums Karlsruhe beauftragt,
für eine im Aufbau befindliche europäische
Referenzdatenbank für Lebenszyklusdaten ein
XML-basiertes Datenformat zu entwickeln, das
als Referenz- und Datenaustauschformat vorgesehen ist. Dieses Format wird als „European
Reference Life Cycle Data System Format“,
kurz ELCD-Format, bezeichnet. Neben der
Entwicklung des Austauschformats soll außerdem ein Editor mit grafischer Benutzungsoberfläche zum Anlegen und Bearbeiten von
Abb. 1: Prozesskette mit Flüssen
70
Lebenszyklusdaten bereitgestellt werden. Die
im Folgenden beschriebenen Arbeiten wurden
maßgeblich im Rahmen einer Masterthesis [1]
an der Fakultät für Informatik und Wirtschaftsinformatik durchgeführt.
Die Ökobilanz ist eine Methode zur Analyse und
Bewertung der Umweltwirkungen eines Materials, Produkts oder einer Dienstleistung während
des gesamten Lebenszyklus, beginnend von
der Rohstoffgewinnung über die Herstellung,
Nutzung bis hin zur Entsorgung bzw. Wiederverwertung [2]. Basis für die Erstellung einer
Ökobilanz stellen die Prozessketten dar, mit
denen der gesamte Lebensweg eines Produkts
oder einer Dienstleistung modelliert wird. In
Abbildung 1 sind beispielhaft drei Prozesse
zur Gewinnung von Heizöl dargestellt. Das
Material und die Energie, die in einen Prozess
hinein- bzw. aus diesem herausfließen, werden
Aufgabenstellung
Das zu implementierende Austauschformat
wurde vom „Institute for Environment and
Sustainability“ (IES) der gemeinsamen Forschungsstelle (JRC) der Europäischen Kommission zusammen mit den Herstellern von Werkzeugen im Umfeld der Ökobilanzierung inhaltlich
spezifiziert. Die Aufgabe bestand darin, gemäß
dieser Spezifikation ein auf XML basierendes
Austauschformat zu entwickeln. Zusätzlich sollten noch XSLT-Stylesheets zur Transformation
der Datensätze ins HTML-Format und ein graphischer Editor zur Erstellung und Bearbeitung
von Datensätzen entwickelt werden.
ELCD-Formatspezifikation
Zur Beschreibung des Austauschformats wurde
W3C XML Schema [3] genutzt. Im Gegensatz zu klassischen Document Type Definitions
(DTDs) erlaubt XML Schema weitergehende
Validierungsmöglichkeiten der XML-Dokumente. So ist XML Schema etwa in der Lage, den
Datentyp eines Elements oder Attributs zu spezifizieren, ebenso wie die Anzahl des minimalen
bzw. maximalen Auftretens eines Elements an
einer bestimmten Stelle im Dokument. Daneben sind die Beschränkung des Wertebereichs
durch Angabe von Intervallen, regulären Ausdrücken, Aufzählungen sowie die Sicherung
der referentiellen Konsistenz und Formulierung
diverser Constraints möglich. Trotz dieser im
Vergleich zu klassischen DTDs sehr weitgehenden Validierungsmöglichkeiten sind für das
ELCD-Format bestimmte Eigenschaften spezifiziert, die sich mittels XML-Schema nicht
formulieren lassen. Um eine entsprechende
Validierung zu ermöglichen, wurden spezielle
XSLT-Stylesheets erstellt, deren Aufgabe nicht
in der Transformation in ein anderes XMLVokabular besteht, sondern in der Überprüfung
der Konformität. Hierfür wurde in den Stylesheets eine Reihe von Regeln formuliert, die bei
Auftreten von Konsistenzverletzungen entsprechende Fehlermeldungen ausgeben.
Die Struktur des ELCD-Formats besteht aus
sieben Datensatztypen, die durch logische
Referenzen miteinander verknüpft sind. Der
Aufbau ist modular, so dass für jeden Daten-
satztyp ein eigenes XML-Schemadokument
existiert. Weiterhin gibt es ein zentrales Schema, das die gemeinsam genutzten Datentypen
sowie die Aufzählungstypen enthält.
Nicht alle Aufzählungstypen wurden dabei ins
Schema aufgenommen; für einige wurden die
möglichen Werte in externen XML-Dateien
abgelegt. Damit wird erreicht, dass bestimmte
Informationen wie beispielsweise die Klassifikation der Prozesse und Flüsse oder geografische Angaben z. T. beliebig angepasst
werden können. Die Konsistenz wird in diesem
Fall nicht mehr durch das XML-Schema selbst,
sondern durch die zusätzlichen Validierungsstylesheets (s. o.) gewährleistet.
Eigenschaften des Formats
Die Eindeutigkeit eines Datensatzes wird durch
einen eindeutigen Identifizierer, die sogenannte
UUID (Universally Unique Identifier), sowie
eine Versionsnummer gebildet. Damit wird dem
Umstand Rechnung getragen, dass sich die
Informationen der einzelnen Prozesse mit der
Zeit ändern (z. B. verringerter Kohlendioxidausstoß aufgrund verbesserter Filtertechnologie),
die Prozessstruktur jedoch gleich bleibt. Indem
die UUID für einen bestimmten Prozess gleich
bleibt, behält die Struktur eines Prozessnetzes
seine Gültigkeit, und es müssen lediglich die
Versionsnummern angepasst werden.
Das ELCD-Format unterstützt durchgängig
Mehrsprachigkeit. Dabei ist die Anzahl der
Sprachen nicht beschränkt, sondern jeder
Datensatz kann Informationen in n Sprachen
aufnehmen. Technisch wird dies durch Einsatz
des speziell dafür vorgesehenen Attributs xml:
lang und der Formulierung zusätzlicher Constraints realisiert, so dass ein als mehrsprachig
ausgezeichnetes Element nur einmal in einer
konkreten Sprache vorkommen kann.
Für die Kategorisierung von Prozessen und
Flüssen existiert ein Klassifikationssystem, das
beliebig tief geschachtelt sein kann. Da das
Klassifikationssystem nicht standardisiert ist, liegen diese Informationen nicht im Schema selbst,
sondern in externen XML-Dateien (s. o.).
Ein kompletter Datensatz für eine Prozesskette besteht aus mehreren Dateien, die in
einem ZIP-Archiv, das der JAR-Spezifikation
[4] genügt, vorliegt.
Stylesheets
Aufgabe der Stylesheets ist die Transformation
der ELCD-Datensätze nach HTML. Dabei wird
sowohl die Online-Transformation im Browser
als auch die Offline-Transformation unterstützt.
71
Informatik/Geoinformationswesen
als In- bzw. Outputs bezeichnet. Sie sind in der
Abbildung durch Pfeile gekennzeichnet. Unterschieden wird dabei zwischen Elementarflüssen
(blau), die als Ressourcen direkt der Natur entnommen bzw. in Form von Emissionen an diese
abgegeben werden, und den übrigen Flüssen
(schwarz), bei denen es sich um Materialien,
Produkte, Energie oder Abfälle handeln kann.
Informatik/Geoinformationswesen
Neben der reinen Repräsentation der Daten
im HTML-Format findet eine zusätzliche Informationsanreicherung statt, etwa durch zusätzliche Aggregation von Informationen sowie
die Extraktion von Informationen aus externen Dokumenten, um beispielsweise Texte für
Hyperlinks zu generieren. Weitere Aufgaben
sind die Hinzunahme von Informationen aus
den annotierten Schemas, um dem Betrachter
zusätzliche Erläuterungen in Form von Tooltips
anzuzeigen.
Editor
Das Format umfasst über 450 Einzelinformationen; die Hinzunahme neuer Felder bzw. die
Modifikation bestehender Felder in weiteren
Versionen ist wahrscheinlich. Um den zu entwickelnden Editor ohne großen manuellen
Aufwand an die jeweiligen Versionen anpassen
zu können, wurde bei der Entwicklung ein
modellgetriebener Ansatz gewählt. Ausgangspunkt für die Generierung des Editors sollen
die zuvor entwickelten XML-Schemata sein.
Ziel des Ansatzes ist, einen Großteil des Quellcodes für den Editor aus den Schemainformationen zu generieren.
Dazu wurden in einem ersten Schritt existierende Ansätze zur Ableitung von Benutzeroberflächen aus XML-Schemainformationen gesichtet, darunter JAXFront [5], XAmple [6] und
mehrere XForms-basierte [7] Ansätze. Während JAXFront für den Einsatz aus technischer
Abb. 2: Schematischer Ablauf der GUI-Generierung
72
Sicht einen sehr vielversprechenden Eindruck
machte, jedoch aus lizenztechnischen Gründen nicht eingesetzt werden konnte, schied
XAmple aufgrund der Art der Präsentation der
komplexen LCA-Datensätze im Editor aus.
Ebenso kamen die XForms-basierten Ansätze
aufgrund von anderen Beschränkungen nicht
in Betracht.
Als ein tragfähiger Ansatz erwies sich die Eigenentwicklung unter Zuhilfenahme von SwiXML
[8]. SwiXML ist eine Beschreibungssprache zur
Formulierung von Java-Swing-Oberflächen.
Der gesamte Ablauf der Generierung und Ausführung wird in Abbildung 2 dargestellt. Ausgehend vom XML-Schema wurde ein XSLT-Stylesheet entwickelt, das die Schemainformationen
in die SwiXML-Beschreibungssprache transformiert. Diese Beschreibung wird dann zur
Laufzeit von einer SwiXML-Rendering-Engine
interpretiert, und die GUI-Komponenten werden dargestellt.
Zusammenfassung
Die in diesem Artikel vorgestellten Arbeiten
wurden im Rahmen eines Auftrags der Europäischen Kommission im Bereich Lebenszyklusdaten durchgeführt. Zu diesem Themenfeld sind
inzwischen fünf Abschlussarbeiten von Absolventen verschiedener Fakultäten der Hochschule Karlsruhe angefertigt worden; zwei dieser
Absolventen sind gegenwärtig im Forschungszentrum in diesem Bereich beschäftigt.
Literatur
[1] Kusche, Oliver, Modellgetriebene Softwareentwicklung auf Basis von XML-Schema, MasterThesis, Hochschule Karlsruhe –Technik und
Wirtschaft, Fakultät für Informatik, 2006.
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Umfassende IT-Dienstleistungen von der
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[2] Norm DIN EN ISO 14040., August 1997, Umweltmanagement – Ökobilanz – Prinzipien und
allgemeine Anforderungen.
[3] van der Vlist, Eric, XML-Schema, O’Reilly,
2003.
>@ -$5)LOH6SH]L¿NDWLRQKWWSMDYDVXQFRP
MVHGRFVJXLGHMDUMDUKWPO6XQ0LFURV\Vtems, Inc., 1999.
>@ *ROXERY);$PSOH;0/(GLWRUKWWSZZZ
IHOL[JROXERYFRP;0/(GLWRU
XQGVWDUNWEHLGHQ0LWDUEHLWHUQ
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[7] Dubinco, M., XForms Essentials, O’Reilly,
2003.
>@ 6ZL;0/+RPHSDJHKWWSZZZVZL[PORUJ
Bechtle GmbH & Co. KG
IT-Systemhaus Karlsruhe
Prof. Dr. Andreas Schmidt
ist Professor an der Fakultät für
Informatik und Wirtschaftsinformatik
der Hochschule Karlsruhe – Technik
und Wirtschaft. Außerdem betreibt er anwendungsnahe
Forschung am Institut für Angewandte Informatik des
Forschungszentrums Karlsruhe mit Schwerpunkten in
den Bereichen webbasierter Informationssysteme und
generativer Softwareentwicklung.
G.-Braun-Straße 12
Telefon (0721) 56 96-0
karlsruhe@bechtle.com
Oliver Kusche M. Sc.
ist Absolvent der Fakultät für Informatik und Wirtschaftsinformatik
und seit mehreren Jahren freiberuflich in den Schwerpunkten webbasierte Informationssysteme und XML-Technologien in Industrie und
Forschung tätig.
73
76187 Karlsruhe
Telefax (0721) 56 96-500
www.bechtle.com
Informatik/Geoinformationswesen
[5] Gantenbein, C.; Leber, M.; Portmann, S.,
-$;)URQW.RQ]HSWH9KWWSZZZMD[IURQW
org/download/JAXFront-Konzepte-V1_60.pdf
Peter A. Henning
WB3 – Visualisierung von Siedlungsstrukturen
WB3 is a project to visualize urban structures by transforming two-dimensional tabular data already
present in the public administration into graphical data. The project uses advanced XML technology to
achieve this goal. This results in two-dimensional pictures, and also in an automatically generated virtual
reality environment that may be navigated by the user in three dimensions.
1. Übersicht
Die öffentliche Verwaltung verfügt mit ihren
Grundstücks- und Gebäudedaten über einen
bisher weitgehend ungenutzten Wissensschatz. Ziel des Projektes WB3 ist, diese Daten
einem Mehrfachnutzen zuzuführen.
1m
Informatik/Geoinformationswesen
Fachliche und politische Planer, Eigentümer
von Objekten und in eingeschränktem Maße
auch die Öffentlichkeit erhalten – gesteuert
über ein rollenbasiertes Sicherheitskonzept –
über ein einfaches Web-Interface Zugriff auf
1. tabellarische Daten von Grundstücken
und Gebäuden
2. grafische Ansichten von Grundstücksund Gebäudeflächen (s. Abb. 1)
3. dreidimensionale Ansichten von Gebäuden, Stadtteilen und ganzen Städten in
unterschiedlichen Detaillierungsgraden
(s. Abb. 2 und 3)
Die grafischen und dreidimensionalen Daten
werden dabei nicht durch aufwändige manu-
Abb. 1: Generierung von 2-D-Daten aus der Grundstücksdatenbank; zu sehen ist eine Grafik im sogenannten Scalable-Vector-Graphics-Format (SVG),
das ohne Qualitätsverlust beliebig vergrößert werden kann
elle Modellierung beschafft. Vielmehr werden
sie beim niedrigsten Detaillierungsgrad im
Augenblick des Abrufes aus den zweidimensionalen Katasterdaten erzeugt – nötig sind
Abb. 2: X3D-Ansicht des Prototyps; Gebäude in „Klötzchenform“ sind in der Datenbank ohne Firstline hinterlegt, bei
Gebäuden mit realistischer Dachform (derzeit implementiert: Satteldach, Pultdach, Flachdach) wurde zusätzlich zur
Grundlinie lediglich eine Firstlinie angegeben.
74
nur, in einem beliebigen Koordinatensystem,
die jeweiligen Eckpunkte von Grundstück und
Gebäude sowie eine Höhenangabe.
Bereits in diesem niedrigen Detaillierungsgrad
ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, von der Städteplanung bis zur
Simulation. Wird für ein beliebiges Gebäude noch eine Firstlinie definiert (z. B. durch
automatisierte Auswertung von Luftbildern),
erzeugt das System WB3 daraus eine realistische dreidimensionale Dachform und ergänzt
die Datenbank entsprechend.
Beim Vorliegen einer realistischen 3-D-Modellierung des Gebäudes (z. B. in der Virtual
Reality Modeling Language VRML) kann diese
ebenfalls in die Gesamtansicht eingebunden
werden – und zwar so, dass bei der Annäherung das realistischere Modell eingeblendet
wird. Damit besteht die Möglichkeit, in größeren Städten bestimmte Points of Interest architektonisch genau zu modellieren und damit
virtuelle Städtetouren anzubieten.
WB3 wurde im Juli 2006 mit einem doIT-Forschungspreis des Landes Baden-Württemberg
als herausragende Forschungsleistung ausgezeichnet. Das Projekt ist prototypisch im Internet verfügbar, siehe http://www.waldbruecke.
de/virtual/index.html
2. Forschungsansätze des Projektes
Eine wesentliche inhaltliche Neuerung von
WB3 gegenüber anderen Systemen ist die
dynamische Generierung der dreidimensionalen grafischen Ansichten aus Daten, die
ursprünglich höchstens der zweidimensionalen
Planerstellung dienten.
Abb. 3: Automatischer Ersatz eines Gebäudes in
Abb. 2 durch eine architektonisch genaue Modellierung bei genügender Annäherung (sogenannter
LOD- = Level-of-Detail-Knoten)
fischen Ansichten Links zu hinterlegen, die auf
weitergehende Informationen verweisen und
diese auch gleich einblenden. Dieses ist ein
aktuelles Entwicklungsgebiet bei den gegenwärtigen Routenplanungssystemen – erste thematische Verlinkungen (sogenannte Location
Based Services) sind dort inzwischen verfügbar; WB3 steht also in dieser Hinsicht an der
vordersten Front der aktuellen Entwicklung.
Als Anwendungsszenario ist z. B. die 3-DAnsicht einer Stadt denkbar. „Zoomt“ man diese
heran, werden zunächst Verkehrswege dargestellt. Beim Fokus auf ein bestimmtes Objekt
(z. B. Kino) wird ein Fenster mit einer Information über gerade stattfindende Veranstaltungen
geöffnet. Eine weitere Annäherung wird dann
durch ein detailliertes 3-D-Modell belohnt, durch
das man – je nach Modellierungsaufwand, der
in diesem Fall aber noch manuell zu erbringen
ist – „virtuell wandern“ kann.
Nicht ganz üblich an WB3 ist auch, dass nur
Open-Source-Software zum Einsatz kommt,
was gerade in der öffentlichen Verwaltung
künftig eine größere Rolle spielen wird.
Eine weitere inhaltliche Neuerung wird durch
die technische Realisierung mit Hilfe der Metasprache XML (eXtensible Markup Language)
möglich. XML-Anwendungen genießen derzeit
in der industriellen Praxis einen hohen Stellenwert, weil sie Probleme der Langzeitarchivierung
ebenso lösen wie das Problem der Verknüpfbarkeit und Wiederverwendbarkeit von Daten.
Prof. Dr. rer. nat. habil.
Peter A. Henning
ist Professor an der Fakultät für Informatik und Wirtschaftsinformatik der
Hochschule Karlsruhe. Seine Forschungsgebiete sind
eLearning, Multimedia, XML-Technologien sowie Quanteninformatik.
Konkret wird dies im System WB3 durch Verbindung mit anderen Datenquellen in gemeinsamen Dokumenten eingesetzt. So etwa ist es
möglich, den zwei- oder dreidimensionalen gra-
75
Informatik/Geoinformationswesen
Die dreidimensionale Darstellung erfolgt in der
Beschreibungssprache X3D, für die es eine
Vielzahl von frei verfügbaren Betrachtern gibt.
Dadurch sind dreidimensionale, navigierbare
Ansichten ganzer Städte im Internet möglich,
dies eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten etwa im touristischen Bereich.
Peter A. Henning
Virtuelle Archäologie am Beispiel der Römischen Villa Stettfeld
VROME is a project to visualize Roman urban structures dating back to 200 A.D. and located in the vicinity
of Stettfeld, Germany. The central structure of this location is a large Roman palace yet to be excavated
– and within VROME it is modeled in virtual reality and integrated into a digital information system.
Informatik/Geoinformationswesen
Auf der Gemarkung Stettfeld im Landkreis
Karlsruhe befindet sich eine bisher nicht freigelegte archäologische Fundstätte, die durch
eine palastähnliche Struktur – im Folgenden
als „Römische Villa Stettfeld“ bezeichnet –
dominiert wird.
Diese Fundstätte ist im Volksmund von Stettfeld seit langer Zeit als „Schlössle im Hecken“
bekannt; sie fügt sich nahtlos in die Kenntnis
der römischen Siedlungsgeschichte Stettfelds
ein. Immer wieder wurden dort auf einer Fläche
von ca. 160 m x 80 m Ziegelteile, Tonscherben
und Mörtelreste gefunden. Im Jahre 1958
wurde von dem Lehrer Wilhelm Bauer auf seinem eigenen Grundstück eine erste bekannte
Ausgrabung durchgeführt, die ein kleines Bad
von ca. 20 m² zum Vorschein brachte. Im
Jahre 2003 erstellte das Landesdenkmalamt
durch geomagnetische Messungen einen zweidimensionalen Grundriss der in ca. 1 m Tiefe
liegenden Siedlungsstrukturen.
Die Villa wird aufgrund der sonstigen Funde
in Stettfeld vorläufig auf das Jahr 200 n. Chr.
datiert. Sie misst ca. 120 m x 75 m; das
Gebäude besteht aus einem großen, länglichen Hauptgebäude und hat vier große Eckgebäude (Risalithe) an den Enden. Sie ist
von der Ausdehnung daher zweifelsohne zu
den bedeutenderen Objekten dieser Art zu
rechnen.
Im Herbst 2005 wurde deshalb der Plan
gefasst, die vorhandenen Daten (2-D-Grundriss) in einer dreidimensionalen Modellierung
so aufzuarbeiten, dass sie in einer kleinen, am
Ort vorhandenen Ausstellung (dem „Römermuseum Stettfeld“) als Anschauungsmaterial
dienen können.
Diese erste Aufarbeitung erfolgte im Rahmen
einer Studienarbeit an der Hochschule Karlsruhe.
Als Resultat liegt ein dreidimensionales Modell
vor sowie diverse Bilder und Filmsequenzen,
die aus diesem Modell abgeleitet wurden. Im
Folgenden werden einige Beispiele dargestellt.
76
Abb. 1: Digitaler Grundriss der Villa
Ziel des darauf aufbauenden Projektes VROME
ist – in Kooperation mit dem Landesdenkmalamt Baden-Württemberg – die Erstellung eines
digitalen Informationssystems, in welchem nicht
nur die Villa, sondern auch andere bekannte
Fundstücke aus Stettfeld modelliert, dargestellt
und zueinander in Beziehung gesetzt werden. Besonderes Augenmerk wird dabei der
Einbindung in den historischen, überörtlichen
Kontext gewidmet, insbesondere dem Verlauf
der römischen Straßen, ihrer Bedeutung und
den möglichen Beziehungen der Stettfelder
Siedlungsstrukturen zu anderen bekannten
römischen Siedlungen.
Die Darstellung kann dabei (gestützt auf eine
Datenbank) sowohl textuell als auch zwei- oder
dreidimensional grafisch erfolgen. Durch die
dreidimensionale, virtuelle Landschaft in und
um Stettfeld soll ein Benutzer des Systems
nach Belieben wandern können, die Objekte,
Verkehrswege und Siedlungsstrukturen also als
„virtueller Besucher“ selbst erkunden können.
Zur Datenhaltung und zur Verbindung mit
den entsprechenden kulturellen Daten werden
XML-basierte Techniken angewandt. Dabei
handelt es sich um topaktuelle Techniken der
Informatikforschung, die sich auch im industriellen Umfeld immer stärker als Informationssysteme durchsetzen.
Mit diesem Informationssystem wird deshalb
wissenschaftliches Neuland bei der Darstel-
lung kultureller Informationen betreten. Es soll
vor Ort in Stettfeld installiert werden, aber auch
internetbasiert (und damit weltweit) abrufbar
sein und interessierten Personen Informationen über römische Siedlungskultur liefern.
Damit schafft das Projekt VROME auch einen
Prototypen, der von Museen und ähnlichen
Einrichtungen für geografisch orientierte kulturelle Informationen verwendet werden könnte.
Abb. 3: Detailansicht Bad
Mehrwert archäologischer Funde geschaffen,
indem diese z. B. für touristische Werbung
eingesetzt werden.
Gleichzeitig wird mit diesem Projekt auch
archäologisches Neuland betreten: Die Modellierung von Strukturen a priori, also vor einer
Grabung, ist zwar schon manchmal vorgenommen worden. Neuartig ist aber die Einbindung
in ein umfassendes digitales Informationssystem. Damit werden vorhandene Strukturen
und bekannte Daten auch der Öffentlichkeit
zugänglich gemacht, ohne dass die Objekte
im Boden gestört werden. Außerdem wird ein
Prof. Dr. rer. nat. habil.
Peter A. Henning
ist Professor an der Fakultät für Informatik und Wirtschaftsinformatik der
Hochschule Karlsruhe. Seine Forschungsgebiete sind
eLearning, Multimedia, XML-Technologien sowie Quanteninformatik.
77
Informatik/Geoinformationswesen
Abb. 2: Modell des Haupteingangs
Reiner Jäger
DFHRS – A rigorous Approach for the Integrated Adjustment and
Fitting of Height Reference Surfaces
Informatik/Geoinformationswesen
Ziel des FuE-Projekts DFHBF (engl. DFHRS) ist die Berechnung präziser Höhenbezugsflächen (HBF), wie
sie für die moderne GNSS-Höhenpositionierung (GPS/GLONASS/GALILEO) in GNSS-Referenzstationsnetzen zur direkten Umrechnung ellipsoidischer GNSS-Höhen h in physikalische Höhen H („Meereshöhen“)
unabdinglich sind. Das mathematische Modell der Digitalen Finite Elemente Höhenbezugsfläche (DFHBF)
fundiert auf eine polynombasierte Trägerfunktion der HBF. Im Ergebnis der Berechnungen steht die
DFHBF-Datenbank (DB), die das parametrische Modell der HBF umfasst und in der o. g. Online-GNSSHöhenbestimmung direkt verwendbar ist. Eine Übersicht über die bisher berechneten DFHBF_DB und den
realisierten Standard in der GNSS-Industrie findet sich auf www.dfhbf.de. Gegenstand der Untersuchungen in der ersten Entwicklungsstufe des Ausgleichungskonzeptes DFHBF waren die aus ellipsoidischen
Höhen h und Landeshöhen H bestehenden Passpunkte (Fitting-Punkte), Geoidhöhen aus Geopotenzial(GPM) oder Geoid-Modellen sowie Lotabweichungen aus Messungen oder GPM als Beobachtungs-Input
der Berechnung. In der derzeitigen zweiten Entwicklungsstufe konzentrieren sich die Arbeiten auch auf
Funktionale des Erdschwerefeldes (z. B. Schwerewerte) als zusätzliche Beobachtungstypen, womit das
DFHBF-Konzept zu einem weltweit führenden Ansatz zur Berechnung von HBF avanciert ist.
1. Introduction
The DFHRS (Digital-Finite-Element-HeightReference-Surface) research and development
project, German word DFHBF, aims at the
computation of height reference surfaces (HRS)
[1]. A HRS is represented by the height N of the
HRS above the reference ellipsoid (fig. 1). The
main practical target of the DFHRS project is to
provide for Global Navigation Satellite Systems
(GNSS), such as GPS, GLONASS, GALILEO
(2008) and other future systems, in a GNSSbased positioning in reference station networks
(e. g. SAPOS, www.sapos.de or ascos, www.
ascos.de) the direct conversion of the ellipsoidal
GNSS height h determined at the earth surface
(ES), into the physical earth gravity field based
standard “sea-level” height H = h – N (fig. 1).
Depending on the height system type, the
physical heights H are called orthometric, normal or spheroidal normal heights (NN-heights),
and the respective HRS is called geoid, quasigeoid or NN-surface. In the DFHRS concept, a
continuous polynomial surface over of a grid of
finite element meshes (FEM) with polynomial
parameters p (fig. 3, thin blue lines) is used as
a carrier function N=N(B,L,h) for the HRS. The
FEM surface of the HRS is therefore called
NFEM(p|B,L). The above HRS-types show
weak or missing dependences of the HRS
height N from h, which is treated in the mathematical computation model of the DFHRS approach below, and therefore already included
in the final HRS representation NFEM(p|B,L).
For some old height systems H a scale-difference factor ∆m has to be considered in
addition, so that the DFHRS-correction DFHRS
(fig. 1) consists of two parts. The principle of a
GNSS-based height determination H (fig. 1),
requires submission of the GNSS-height h to
the DFHRS(B,L,h)-correction, and it reads:
(1)
Fig. 1: Principle of GNSS-based height determination: H = h – DFHRS(B,L,h)
78
The DFHRS-correction DFHRS(B,L,h) is
provided by means of a DFHRS database
(DFHRS_DB), which contains the HRS parameters (p, ∆m) together with the mesh-design
(fig. 3) information. DFHRS_DB have become
an industrial and user standard for all GNSSreceiver types worldwide ([1], [3], [5], [8]), and
a new kind of modern geo-data product [4] in
the GNSS navigation age.
With fB and fL we introduce the partial derivatives of f(x(B,L),y(B,L)) (2c) with respect
to the geographical coordinates B and L.
M(B) and N(B) mean the radius of meridian and normal curvature at a latitude B. The
continuity of the resulting HRS representation
NFEM(p|x,y)=f(x,y)Txp over the meshes (fig. 3,
thin blue lines) is automatically provided by the
continuity equations C(p) (2f).
A number of identical fitting-points (B,L,h; H) are
introduced by the observation equations (2a)
and (2e) (fig. 3, green triangles). In the practice
of DFHRS_DB evaluation, one or a number of
different geoid-/GPM such as the EGM96/99 or
EGG97 are used in a least squares estimation
related to the mathematical model (2a-f), which
is implemented in the DFHRS-software 4.0 (fig.
Fig. 2: Overview on DFHRS_DB computed all
over Europe
3). To reduce the effect of medium- or longwave systematic shape deflections, namely the
natural and stochastic “weak-shapes”, in the
observations N and (x,h) from geoid- or GPM
models, these observations are subdivided into
a number of patches (fig. 3, thick blue lines).
These patches are related to a set of individual
parameters, which are introduced by the datum
parametrizations ¶NG(dj) (2b) and (¶x(dx,h);
¶h(djx,h) ) (2c,d). In this way, it is of course
possible to introduce geoid height observations
and vertical deflections from any number of different geoid- or GPM models in the same area,
or observed vertical deflections.
Fig. 2 gives an overview of the DFHRS_DB
computed all over Europe in different accuracy
classes concerning the respective DFHRS-cor-
79
Informatik/Geoinformationswesen
2. Geometrical Observation Components
and Parametrization – 1st stage of the
DFHRS concept
In the 1st stage of the DFHRS approach development, geoid- or geopotential model (GPM)
heights N, observed astronomical or geoid/
GPM-model based deflections of the vertical
(x,h) in any number of groups, and fitting
points (B,L,h; H) were exclusively used as observation groups in a common least squares
computation for the evaluation of the DFHRS_
DB parameters p and ¨m. The mathematical
model for these observations is given by formulas (2a-f). In case of an adequate stochastical
model, the use of gravity-based geoid-/GPM
model information is equivalent to the use of
the original observed gravity values g [3]. The
mathematical model for the computation of
the DFHRS_DB parameters (p, ¨m) using the
above so-called geometrical part of observation components reads:
Informatik/Geoinformationswesen
rection (1). For the five German states, shown
in the hatched yellow area of fig. 2, 1_cm
DFHRS_DB, and in addition a continuous (1-3)
cm DFHRS_DB all over Germany were computed. Other (1-3) cm DFHRS_DB were computed
within the DFHRS project for Luxembourg, Estonia, Latvia, Lithuania, West Spain and Hungary,
frequently in diploma and master thesis at the
Karlsruhe University of Applied Sciences and
at different external institutions (fig. 2). In 2004
the DFHRS-concept was applied for the evaluation of a 1_dm DFHRS_DB for Albania (geoid),
and a closed and continuous 1_dm DFHRS for
Europe in total (quasi-geoid), which is presently
the most precise HRS for Europe (fig. 2). Out-
with SCH by a much less number of parameters
than by OSH. E.g. for a 2 mm resolution for the
HRS, a degree of 7200 for the OSH parametrization by (Cn,m; Sn,m) is required, while for a cap
size area of 100 km a degree of only kmax = 80
is enough in case for a SCH parametric model.
So SCH is the key for enabling the computation
of high resolution HRS in the 2nd stage of the
DFHRS research and develoment, meaning an
integrated over-determined HRS-computation
with geometrical and physical observations.
side Europe DFHRS_DB were computed for two
African states and for Florida, USA (fig. 3).
Here the space position refers to the triple of
spherical cap coordinates (r, l',q').
Fig. 3: DFHRS-software at the example of the DFHRS_DB computation
for Florida, USA
FEM-Meshes (thin blue lines), patches (thick blue lines) and fitting
points (green triangles)
The representation of the gravitational potential
V of the earth in terms of SCH with parameters
(C'n(k)m,S'n(k),m) reads ([6], [7]):
As part of that article,
the observation equation for terrestrial and
air- or space-borne
gravity observations gp
is briefly worked out.
For more details, and
with regard to further
physical observation
types, related to (3), it
is referred to [6] and [7].
The gravity observation
gp at the earth surface,
Fig. 4: Gravity meter for a
taken with a gravity
terrestrial or airborne obsermeter (fig. 4), is referring vation of the gravity vector
to the local astronomical gLAV = [0,0,-gp]T
vertical system (LAV),
and so we have for the respective observed
three-dimensional gravity vector in total:
gLAV = [0,0,-gp]T
3. Physical Observation Components and
Parametrisation - 2nd stage of the DFHRS concept
The extension of the DFHRS-concept and software to physical observation types - such
as e.g. terrestrial, air- or space-borne gravity
measurements (terrestrial gravity meter, see
fig. 4), or physical observation types taken
from geopotential models (GPM) - is based on
a regional spherical cap harmonic parametrization (SCH) of the earth’s gravitational potential V. The benefit of SCH with a local cap
pole and a limited cap size area, instead of an
ordinary global spherical harmonic on (OSH), is
that the same resolution of V can be achieved
80
Original gravity observation and vector
(4a)
The astronomical vertical (F = B + x,
L = L + h/cos(B)) is set up by the ellipsoidal
vertical (B,L) and the deflections from the vertical (x, h). The original vector gLAV (4a) is first
rotated to the earth-centred earth-fixed system
(ECEF) using (F, L). In that coordinate frame,
the centrifugal parts are removed, and so the
original observation (4a) is strictly reduced with
respect to the vertical deflections (“topography”)
and to the centrifugal acceleration. After a further rotation to the local geodetic vertical system
(LGV) related to the cap sphere, we arrive at
(4b)
The observation vector
(4b) is further
rotated as
to the SCH-representation
frame (3) with
- Hypothesis free final parametrization of
(4c)
The ”vertical” and principle component of the
finally reduced observed gravity observation is
related to the third parametric component in (4c), and so we have the following observation equation for a gravity observation in the integrated DFHRS approach:
Due to its characteristics as adjustment concept, the integrated DFHRS-approach (2a-f),
(3), (4d) and (5)) can be used to analyse and
optimize the observation and network design
(1st, 2nd and 3rd order design) with regard to
accuracy related target functions based to the
HRS-parametrization DFHRS(p¨P_%/KDQG
its covariance matrix. Presently the question of
Finally the condition equations (5) are introduced as pseudo observations over the meshgrid (fig. 3) with high weights.
the optimal mixed design for terrestrial gravity
observations (fig. 4) and vertical deflections
observations from modern automated zenith-
Equations (5) relate the HRS, as represented
by (C'n(k)m, S'n(k),m), back to the classical and
VWDQGDUGL]HG ')+56B'% SDUDPHWHUV p and
¨P DQG HQDEOH WKH VHW XS WKH ')+56 VWDQ
dard correction (1). So the NFEM-parameters
p remain the main unknowns and the stanGDUGL]HG')+56B'%FRQWHQWFDQEHNHSWIRUD
HRS surface representation.
cameras is of great interest in HRS-computations. These further developments are just two
examples for present and future research and
developments, and for further master-thesis
and PhD studies in the DFHRS project.
4. Outlook
The new integrated DFHRS approach ((2a-f),
(3), (4d) and (5)) is presently being further
developed in two projects, namely Saarland
DQG%DGHQ:UWWHPEHUJ7KHILUVWUHVXOWVVKRZ
[7], that the concept is suited to represent the
HRS to accuracies of better than one centimetre. The final investigations in the PhD project
are dealing with the optimum parametrization
the additional datum parameters dg(dg) in
(4d), and with the completion of the integrated
DFHRS software, version 5.0.
Presently the size of the spherical caps has to
References
[1] Jäger, R.; Schneid, S., www.dfhbf.de, DFHRSHomepage, 2000-2006.
[2] Jäger, R., Ein Konzept zur selektiven Höhenbestimmung für SAPOS%HLWUDJ]XP
SAPOS-Symposium, Hamburg 11./12. Mai
1998, Arbeitsgemeinschaft der VermessungsYHUZDOWXQJHQGHU/lQGHUGHU%XQGHVUHSXEOLN
Deutschland (Hrsg.), Amt für Geoinformation
und Vermessung, Hamburg, 1998, S. 131-142.
[3] Jäger, R.; Schneid, S., Passpunktfreie direkte Höhenbestimmung – ein Konzept für
Positionierungsdienste wie SAPOS®, Proceedings 4. SAPOS® Symposium, 21.-23. Mai
/DQGHVYHUPHVVXQJXQG*HREDVLVLQIRU-
81
Informatik/Geoinformationswesen
Reduced gravity observation vector
be kept small for numerical reasons. This has
the disadvantage, that for each cap a complete
set of SCH-parameters has to be set up repeatedly, instead of one common high-developed
set in one cap. The second disadvantage is
due to the fact that the gravity from remote
areas is also concerning and affecting the
unique potential V. So further research has
to follow, in order to improve the integrated
approach from the numerical point of view,
as well as to further develop accordingly the
DFHRS software.
mation Niedersachsen (LGN) (Hrsg.), Hannover, 2002, S. 149-166.
[4] Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg
(Hrsg.), Neue Projekte und Produkte mit
Kunden- und Praxisbezug im Landesbetrieb
Vermessung, Festschrift „50 Jahre BadenWürttemberg – 50 Jahre Hightech-Vermessungsland, 150 Jahre Badische Katastervermessung“, 2002, S. 39-50.
[5] Jäger, R.; Kälber, S.; Schneid, S. et al.,
Realization of CoPaG/DFLBF and DFHRS
Databases for Albania, in: Contribution to
IAG Subcommission for Europe Symposium
EUREF 2004, Bratislava (Slovakia), EUREFMitteilungen, Bundesamt für Kartographie und
Geodäsie (BKG), Heft 14(2004), Frankfurt.
ISBN 3-89888-795-2, S. 333-339.
Prof. Dr. Reiner Jäger
ist Professor an der Fakultät für
Geomatik der Hochschule Karlsruhe. Seine Lehrgebiete sind Satellitengeodäsie, Mathematische Geodäsie, Programmentwicklung sowie Ausgleichungsrechnung. Er ist
Projektleiter des DFHBF-Teams.
Informatik/Geoinformationswesen
[6] De Sanits, A., Translated origin spherical
cap harmonicl analysis, in: Geophys. J. Int.,
106(1991), p. 253-263.
[7] Jäger, R.; Schneid, S., Extension of the DFHRS approach for gravity observations and
computation design for a 1cm fitted DFHRS
of Europe, Proceedings EUREF Symposium,
14-17 June 2005, Vienna, in press.
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Dieter Höpfel und Maxim Terekhov
Kernspintomografieuntersuchungen von porösen Polymeren mit dem
thermisch polarisierten Gas SF6
Nuclear Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a well established method in medical technology resulting
in very high contrasts in soft tissue. However, special methods are necessary for the MRI of solids. One
possibility for the imaging of porous media is the use of fluids or gases, which can penetrate the pores to
show the inverse structure. In this work we have used thermal polarized SF6 with pressures between 15
and 20 bar to investigate porous polymers (foams and filters). This made it possible to image the pores of
the solids with a spatial resolution below 100 μm/Pixel.
Allerdings lassen sich mit den Standardverfahren der MRI keine Festkörper und auch keine
Bereiche darstellen, in denen nicht bewegliche
Protonen in ausreichender Menge vorhanden
sind. So können z. B. Knochen oder die Lunge
bzw. generell Festkörper mit MRI nicht dargestellt werden. Hierfür sind spezielle, im Allgemeinen auch sehr zeitaufwändige Methoden
notwendig. [1, 2]
Eine andere Möglichkeit, Festkörper mit MRI
abzubilden, besteht nun darin, in Hohlkörper
Flüssigkeiten (Wasser) oder (thermisch) polarisiertes Gas einzubringen. Allerdings dringen
Flüssigkeiten nicht in kleine Hohlräume ein
oder können gar die eigentliche Struktur des
Festkörpers zerstören (z. B. bei der Abbildung von Filtern). Thermisch polarisierte Gase
haben aufgrund der geringen Dichte wiederum
den Nachteil, ein sehr schwaches Messsignal
zu ergeben. Verbessert wird die Situation
durch eine Erhöhung des Druckes und durch
die Verwendung eines Gases mit einer hohen
Spindichte. Aus diesem Grunde wurden Messungen mit dem Gas SF6 durchgeführt (dabei
wird das Fluorsignal gemessen), das außerdem chemisch inert und nicht brennbar ist.
SF6 verfügt noch über weitere günstige Eigenschaften für die MRI-Abbildung, auf die aber
hier nicht näher eingegangen werden soll.
Materialien
Um die Eignung von SF6 für die Messung von
porösen Polymeren zu untersuchen, wurden
Proben mit mittlerer (PU-Schaum) und hoher
Porosität (Polystyren-Faserfilter) gemessen.
Das Filtermaterial besteht zu 98 Prozent aus
Hohlräumen, wobei aber eindringendes Wasser die eigentliche Filterstruktur zerstören
würde. Es bleibt daher nur die Möglichkeit mit
einem Gas zu messen, das in die Hohlräume
eindringt ohne die Struktur zu beschädigen.
Probenpräparation
Um außerdem durch einen hohen Druck eine
Signalverstärkung zu erhalten, wurde die Filterprobe zunächst in ein Glasröhrchen gelegt
und dieses wurde evakuiert. Daraufhin wurde
SF6-Gas in das Röhrchen eingelassen und
mit flüssigem Stickstoff ausgefroren. Anschließend wurde das Röhrchen zugeschmolzen.
Die Menge des gefrorenen SF6-Gases wurde
dabei so abgeschätzt, dass sich nach dem
Verdampfen ein Gasdruck zwischen 12 und 15
Bar ergab.
Ergebnisse
Bei ersten Experimenten mit thermisch polarisiertem SF6 unter einem Druck von 15 bis
20 Bar konnte bei der Messung der 3-D-Struktur von porösen Polyurethanschäumen eine
83
Schlaglichter
Die MR-Bildgebung (MRI: Magnetic Resonance Imaging, Kernspintomografie) ist ein
nicht-invasives Messverfahren, das eine
zunehmende Verbreitung in der Medizin findet.
So wurden im Jahr 2003 nach einer Verlautbarung des Nobelpreis-Komitees weltweit
60 Millionen Untersuchungen durchgeführt.
Ein grundlegender Vorteil der MR-Bildgebung
gegenüber anderen Verfahren ist die Möglichkeit, verschiedenste physikalische Parameter
messen zu können. Im Gegensatz dazu kann
z. B. mit Röntgen-Bildgebung im Wesentlichen
nur die Dichte von Stoffen gemessen werden.
Die MRI ist nach mehr als 20-jähriger Bewährung im klinischen Einsatz eine ausgereifte
Methode, mit der sich eine sehr hohe Bildqualität erzielen lässt. Der bisherige Trend in der
Entwicklung der MRI bestand im Übergang
zu immer höheren Magnet(B0-)Feldstärken
(0,5 T; 1,0 T; 1,5 T und inzwischen 3 T). Auf
diese Weise wurde eine zunehmende Steigerung der Kernspin-Polarisation und damit einhergehend des Signal/Rausch-Verhältnisses
erzielt, verbunden aber mit einem erheblichen
Anstieg der Kosten für den supraleitenden
Magneten der MR-Geräte.
Auflösung von 60 bis 100 µm/Pixel erreicht
werden:
Abb. 1: 3-D-MRI von Polyurethan, aufgenommen mit
gasförmigen, thermisch polarisiertem SF6; gesamte
Aufnahmedauer: ca. 8 h, Auflösung: 100 µm/Pixel
Bei weiteren Experimenten mit thermisch
polarisiertem SF6 wurde die Bestäubung von
Filterproben untersucht. Dabei wurde wieder
bei einem Druck von 15 bis 20 Bar gearbeitet,
wobei eine Auflösung von 62 µm/Pixel erreicht
werden konnte (s. Abb. 2). Diese Experimente erforderten allerdings eine Messzeit
von 24 h; eine kürzere effektive Messzeit mit
Mehrschichtanregung ist wegen der Diffusion
der Gasmoleküle nicht möglich. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Bestimmung
der Filterstruktur durch Einsatz von MRI-sensitiven Gasen möglich ist.
Die Messungen wurden im Rahmen eines
DFG-Projekts (Deutsche Forschungsgemeinschaft) an einem 4,7-T-Bruker-MRI-System an
der Universität Karlsruhe durchgeführt.
In einem nächsten Schritt wird eine völlig neuartige Technik erprobt: Durch eine Anregung mit
einem schmalbandigen Laser kann eine Hyperpolarisation von Xenon erreicht werden, die
zu einer Magnetisierung führt, die bis zu fünf
Größenordnungen über der thermischen Polarisation liegt. Damit lassen sich völlig neuartige
Experimente durchführen. Aufgrund der sehr
hohen Magnetisierung sind sogar bereits Messungen im Erdfeld durchgeführt worden. [3]
Literatur
[1] Fang, Z.; Höpfel, D., Combination of MagicEcho and Single-Point Imaging Techniques for
Solid-State MRI, in: Appl. Magn. Reson., 2002,
pp. 269-276.
[2] Terekhov, M.; Höpfel, D., MRI with the dipolar
interaction refocusing techniques: analysis of
the effectiveness for the solid-state polymers,
in: Magnetic Resonance Imaging, 22(2004),
pp. 573 - 582.
[3] Appelt, S.; Haesing, F.; Baer-Lang, S; Shah,
N.; Blümich, B., Proton Magnetization enhancement of solvents with hyperpolarized Xenon
in very low-magnetic fields, in: Chem. Phys.
Lett. 348(2001), pp. 263-269.
[4] Appelt, S., From Photon Spin to Magnetic Resonance Imaging, Habilitationsschrift, RWTH
Aachen, 2004.
Schlaglichter
Abb. 2: Zwei einzelne Schichten einer 3-D-Abbildung eines Filters mit thermisch polarisiertem SF6;
Martix 128 x 128 x 16, Auflösung 62 µm/Pixel in
der Ebene, Schichtdicke 500 µm; Aufnahmezeit
ca. 24 h
[5] Neutzler, S.; Terekhov, M.; Höpfel, D.; Oellrich, L., NMR investigation of gaseous SF6
confinement into EPDM rubber, in: Magnetic
Resonance Imaging, 23(2005), pp. 321 - 323.
Bruker BioSpin MRI
www.bruker-biospin.com
Bruker BioSpin MRI ist Teil der 1960 in Karlsruhe gegründeten Bruker-Gruppe. Wir entwickeln, produzieren und vertreiben
weltweit als führender Anbieter Lösungen für molekulare und vorklinische Bildgebung basierend auf der Magnetresonanztomographie.
Die Anwendungsgebiete umfassen ein breites Spektrum von Life Science über klinische und
pharmazeutische Forschung bis hin zu Materialwissenschaften.
84
[6] Terekhov, M.; Neutzler, S.; Aluas, M.; Höpfel,
D.; Oellrich, L. R., NMR measurements of
gaseous sulfur hexafluoride (SF6) to probe
the cross-linking of EPDM rubber, in: Magnetic
Resonance in Chemistry, 43(2005), pp. 926936.
Prof. Dr. rer. nat. Dieter Höpfel
ist seit 1992 Mitglied des Studiengangs
Sensorsystemtechnik an der Fakultät
für Elektro- und Informationstechnik.
Dort vertritt er die Bereiche Technische Optik, optische
Messtechnik und Medizintechnik mit dem Schwerpunkt
bildgebende Verfahren in der Medizintechnik. Seine Forschungsschwerpunkte sind Kernspintomographie (MRT)
in der Medizintechnik sowie die dreidimensionale Darstellung von Festkörperstrukturen mit der MRT. Dieses
Thema wurde in den letzten sechs Jahren im Rahmen
eines DFG-Projekts in Zusammenarbeit mit der Universität Karlsruhe und dem Fraunhofer-Institut ICT bearbeitet.
Prof. Dr. Höpfel war von 1995 bis 2000 Prodekan und von
2000 bis 2005 Studiengangsleiter im Studiengang Sensorik/Sensorsystemtechnik. Seit März 2005 ist er Prorektor
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85
Andreas Luckey
Continuing Professional Development (CPD) for Construction Management in Europe – Ein EU-Projekt zur Erarbeitung eines „blended e-learning“-Konzepts für die Bauindustrie
The need for continued access and provision to continuing professional development (CPD) and the
benefits of continued learning are recognized by both the construction industry and higher education institutions. CPD is vital to individual and organizational success. Accessing CPD opportunities, while working
full-time in the construction industry, is a challenging undertaking. A European network of higher education institutions is working on a European funded (MINERVA) project to develop and establish a learning
framework for delivering CPD to the construction industry and construction professionals while participants
remain in employment. One main objective of the network is to establish a platform for developing different
instructional strategies accommodating different learning styles and cognitive processes. The expected
output of the project is a database of learning resources integrated into CPD learning programs in a
blended learning format.
Schlaglichter
Die Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft ist Partner in einem von der Europäischen Gemeinschaft geförderten Projekt als
Teil des sog. MINERVA-Programms. Dessen
Ziel ist es, die europäische Kooperation auf
dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologie (ICT) sowie die Entwicklung
von „Open and Distance Learning (ODL)“Programmen im Bereich der Aus- und Fortbildung zu fördern. Weitere Partner des Projekts
sind das federführende Waterford Institute of
Technology in Irland, die Nottingham Trent
University in England, die Istanbul Technical
University in der Türkei sowie die Firma Multimedia Instructional Design in Irland.
Abb. 1: Konferenz der Projektteilnehmer in Nottingham/England im September 2006
Worum geht es bei dem Projekt? Die Bauindustrie ist eine der Schlüsselindustrien in
Europa. Sie kann deshalb wesentlich den öko-
86
nomischen Fortschritt und die Entwicklung der
Europäischen Gemeinschaft beeinflussen und
zu deren Prosperität beitragen. Weiterhin ist
zwischenzeitlich allgemein anerkannt, dass im
beruflichen Leben eine elementare Notwendigkeit nach kontinuierlicher, berufsspezifischer
und professioneller Fortbildung besteht. Der
im vergangenen Herbst vorgelegte OECD-Bildungsbericht 2006 beklagt auf diesem Gebiet
eine zu geringe Beteiligung Berufstätiger. Dem
will das Projekt ebenso Rechnung tragen wie
dem Umstand, dass die am schnellsten wachsende Gruppe im Bereich der Fortbildung
„part-time“-Teilnehmer sind, die ihre Karriere
und berufliche Fortbildung fördern wollen, ohne
aus dem beruflichen Alltag auszusteigen oder
diesen wesentlich zu unterbrechen. Die Idee
hinter dem Projekt ist deshalb, eine innovative,
internationale Plattform in Form einer Database
bzw. eines E-Learning-Programms zu schaffen, die der Fortbildung von Personen aus der
Bauindustrie bzw. dem Baumanagement dient.
Verschiedene Lehr- und Unterrichtsstrategien
sowie Vermittlungsprozesse sollen dabei zur
Anwendung kommen und miteinander kombiniert werden („blended“).
Technologischer Fortschritt und das Internet
eröffnen neue Möglichkeiten für Lehre und
Fortbildung, den traditionellen Vorlesungsraum mit IT-unterstütztem Lernen zu verbinden, um so den Lernenden den Zugang
zu CPD-Lernmöglichkeiten zu erleichtern und
die Bereitschaft zu fördern, diese Formen
der Wissensvermittlung aufzugreifen. Studien
im englischsprachigen Raum haben gezeigt,
dass eine deutliche Mehrheit der befragten
Berufstätigen das Internet nutzt, um ihre berufliche Fortbildung voranzutreiben [1]. Beson-
deres Augenmerk bei der Entwicklung einer
derartigen Lernplattform ist dabei aber auf die
Tatsache zu richten, dass es auf Seiten der
Lernenden verschiedene, individuell bevorzugte Lernmethoden gibt, d. h. verschiedene,
individuell bevorzugte Erkenntnisprozesse, die
den Lernerfolg maßgeblich beeinflussen. In
der Vergangenheit haben oftmals bedeutende
Investitionen in die Entwicklung derartiger
Lernplattformen nicht den gewünschten Erfolg
gezeigt, weil der Schwerpunkt mehr auf die
>>>
Entwicklung der technologischen Seite gelegt
wurde und weniger auf die Probleme bei der
Beantwortung der Frage, in welcher Art und
Weise die Wissensvermittlung pädagogisch
und didaktisch am besten gelingt [2]. Das
Augenmerk muss also nicht nur auf den
stofflichen Inhalt und die Fragen im Zusammenhang mit der technischen Übermittlung
gerichtet werden, sondern in besonderem
Maße auch auf die Probleme der pädagogisch
und didaktisch besten Vermittlung [3].
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Schlaglichter
IFM · Karlsruhe
Eine Schlüsselinnovation für die Zukunft ist
deshalb die Entwicklung einer internetbasierten Plattform mit Online-Modulen für im Baubereich Tätige, um diesen im Sinne einer „blended solution“ das Lernen und Fortbilden zu
erleichtern. Dabei ist als Teil der online-basierten Methode vorgesehen, die pädagogischen
und didaktischen Bemühungen durch „online
tutorials and conferencing, online simulations,
online tests and assessments and problem
based learning techniques“ zu bereichern.
Literatur
[1] Brosnan; Burgess, Web based continuing professional development - a learning architecture
approach, in: Journal of Workplace Learning,
Vol. 15, (1)2003, pp 24-30.
[2] Harden, Myths and e-learning, in: Medical
Teacher, Vol. 24, (5)2002, pp 469-472.
[3] Gilboy, Collaborative e-learning: The Right
Approach, 2001.
Eine Überlegung im Rahmen der zu entwickelnden Plattform ist auch, darin ein differenziertes Netzwerk einzurichten, in das Benutzer,
Entwickler und Berufsgruppen bzw. Verbände
berufsspezifisches Informationsmaterial einstellen, das aber auch zur Organisation und
Koordination von Aktivitäten genutzt werden
kann.
Prof. Dr. iur. Andreas Luckey
ist seit 2005 Mitglied des Studiengangs
Baubetrieb / Baumanagement an der
Fakultät für Architektur und Bauwesen
und Mitglied des Senats der Hochschule Karlsruhe.
Er vertritt an der Fakultät den Bereich Recht mit den
Schwerpunkten Bau-, Vergabe- und Architektenrecht.
Prof. Dr. Luckey leitet den trinationalen Studiengang
„Master of International Construction Management“, den
die Hochschule Karlsruhe zusammen mit der Nottingham
Trent University in England und dem Waterford Institute of
Technology in Irland anbietet.
Schlaglichter
Heberger System-Bau GmbH
Altreutweg 15
68809 Neulußheim
Telefon 0 62 05/3 99-0
Telefax 0 62 05/3 99-2 00
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Peter Freckmann und Gertrud Schaab
Capacity Building zu Geoinformationsverarbeitung für die zentralen
und südlichen Philippinen
Since January 2005 the Karlsruhe University of Applied Sciences has been supporting the setting-up of
two GIS competence centres at universities in South-East Asia, as part of the GEOTEACH CENSOPHIL
project financed by the EU. The tasks the Faculty of Geomatics has taken over include the training of four
Filipinos in Karlsruhe, advice on how to implement GIS modules in the existing curricula, and the supervision of the trainees while developing teaching units.
Der Schwerpunkt des Projekts liegt im Transfer
von Wissen zur Nutzung von Geoinformationstechnologie zwischen Europa und den Philippinen. Ziel ist es, an den zwei philippinischen
Universitäten, dem Xavier University College of
Agriculture (XUCA) in Cagayan de Oro und der
University of Saint La Salle (USLS) in Bacolod,
Ressourcen für die Geoinformationsverarbeitung aufzubauen. Langfristig sollen die beiden
Hochschulen als GIS-Kompetenzzentren etabliert werden, die auch für nicht-universitäre
Organisationen und Behörden zugänglich sind.
GIS (Geographische Informationssysteme) sollen dabei vor allem in Bereichen eingesetzt
werden, in denen die philippinischen Partneruniversitäten durch Forschungs- und Entwicklungsprogramme bereits tätig sind. Dies sind
kommunale Entwicklung, Landwirtschaft sowie
Nutzung und Erhalt natürlicher Ressourcen in
Städten. Angesichts eines Landes wie den Philippinen, das mit hohen Geburtenraten, Überbevölkerung, Armut und Umweltzerstörung zu
kämpfen hat, erscheint die Fokussierung auf
eine Verbesserung und Weiterentwicklung der
genannten Aufgabenbereiche unter Zuhilfenahme von GIS sinnvoll.
Um das Projektziel zu erreichen, wird die
Hochschule Karlsruhe von den Facultés Universitaires Notre Dame de la Paix in Namur
und dem Institut Environmental Science for
Social Change (ESSC) in Malaybalay auf den
Philippinen unterstützt. Jeder der Partner hat
spezielle Aufgaben im Projekt übernommen.
Das ESSC ist für die Einrichtung jeweils eines
Labors mit dem notwendigen technischen
Equipment verantwortlich. Die Universität
Namur betreut die Mitarbeiter bei der Ausarbeitung angewandter Forschungsarbeiten, die
den Einsatz von GIS erfordern. Die Fakultät
für Geomatik der Hochschule Karlsruhe hat
die Aufgabe übernommen, die beiden philippinischen Universitäten bei der Entwicklung von
Geomatik-Lernmodulen zur Seite zu stehen
und diese in die bestehenden Curricula zu integrieren. Zu den wichtigsten Projektaktivitäten
gehören dabei die Ausbildung von Mitarbeitern
im Bereich GIS sowie deren Betreuung bei der
Ausarbeitung von Lehrmaterialien. So nahmen im Sommersemester 2005 vier Filipinos
an Lehrveranstaltungen des internationalen
Masterstudiengangs Geomatics der Hochschule Karlsruhe teil. In dieser Zeit wurden sie
zudem auf ihre künftigen Aufgaben an den
philippinischen Universitäten vorbereitet. Speziell zu GIS und digitaler Kartographie konnten
sie an der Hochschule Karlsruhe ihr Wissen
aufbauen.
Eine wichtige Vorrausetzung bei der Ausbildung der Filipinos war, dass sie in den Labors
ihrer Heimatuniversitäten die gleiche Software
einsetzen können, mit der sie hier den Umgang
mit GIS erlernt haben. Beide Labors wurden
mit ArcGIS 9.x der Firma ESRI, einer der
weltweit größten Hersteller von GIS-Software,
ausgestattet. Um sich möglichst schnell und
effektiv mit dem Umgang von Geodaten und
der Software vertraut zu machen, mussten
die Filipinos nach einer kurzen Einlernphase bereits erste konkrete Aufgabenstellungen
mit GIS lösen. Dafür haben sie neben den
Übungsaufgaben aus dem laufenden Semester
im Masterstudiengang weitere Lerneinheiten
bearbeitet, die speziell auf ihre Anforderungen
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Schlaglichter
Seit 1. Januar 2005 engagiert sich die Fakultät für Geomatik der Hochschule Karlsruhe
– Technik und Wirtschaft im Projekt GEOTEACH CENSOPHIL (s. Abb. 1), das von der
Europäischen Union im Rahmen des ASIAIT&C-Programms bis zum 31.12.2006 finanziell gefördert wurde. Der Projektname steht
für „Geomatics Technology as an Empowering Tool for Academic Institutions in Community Participatory Development and Human
Resource Mobilization for Urban Agriculture
and Environmental Management in the Central
and Southern Philippines”.
Abb. 1: Impressionen von den Projektkonferenzen zu GEOTEACH CENSOPHIL auf den Philippinen
(Fotos: Angelito Montes, Gertrud Schaab, Ericson Alarcon)
zugeschnitten waren. Auf dieser Basis konnte
den Filipinos ein breites Einsatzspektrum an
GIS-Anwendungen vermittelt werden. Dazu
zählten die Erfassung von Geodaten, ihre
Georeferenzierung bzw. die Transformation in
Koordinatensysteme, die Durchführung räumlicher Abfragen und raumbezogener Analysen
sowie die Ausgabe kartographisch korrekter
und ansprechender Präsentationen. Mit diesen
Erfahrungen und der Unterstützung von Mitarbeitern aus der Fakultät für Geomatik waren
die vier Filipinos anschließend in der Lage,
Lernmodule zu erstellen, die sie teilweise
Schlaglichter
Prof. Dr.-Ing. Gertrud Schaab
wurde zum Wintersemester 2002/03
an die Fakultät für Geomatik berufen.
Ihr wissenschaftliches Interesse gilt
der angewandten Geoinformationsverarbeitung in den
Umweltwissenschaften.
Prof. Dr. Peter Freckmann
ist Professor an der Fakultät für Geomatik der Hochschule Karlsruhe.
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bereits für die Ausbildung ihrer Kollegen und
von Studierenden einsetzen.
Auch wenn GEOTEACH CENSOPHIL kein
explizites Forschungsprojekt darstellt, so bietet es zwei Chancen: die Erschließung von
Kandidaten für den internationalen Masterstudiengang Geomatics aus Südost-Asien sowie
der Aufbau neuer, bewährter Kontakte für
gemeinsame Forschungsprojekte. Eine erste
Kandidatin wurde bereits gewonnen, auch wartet eine Projektidee darauf, in einen Antrag
umgesetzt zu werden.
Michael Thiele
Gesundheit und Kommunikation
Die hier vorgestellte Forschungsarbeit handelt
von der Interaktion zwischen Arzt und Patient.
Gerade die technologische Seite der Medizin,
die Ingenieure und Ingenieurinnen besonders
interessieren dürfte, zeigt ein Dilemma: Die
Medizin weist in Sachen Kommunikation ein
entschiedenes Defizit auf, weil sie sich nur mit
zwei Seiten des menschlichen Individuums
befasst hat, und zwar mit dem Formwechsel
(Organveränderungen und physiologischer
Wandel) und dem Stoffwechsel (Metabolismus). Der dritte Funktionskreis des humanen Systems jedoch, der „Informations- und
Gefühlswechsel“, spielte bei der Diagnose und
Behandlung von Krankheiten so gut wie keine
Rolle. Dieses Defizit lässt sich nur mithilfe der
sogenannten Kommunikationsmedizin beseitigen, der „sprechenden Medizin“ – ein Begriff,
der in sich schon widersprüchlich ist, weil nur
der sprechende Arzt tatsächlich ein Arzt ist.
Das Ich als denkendes Individuum, so unterstellte die neuzeitliche Philosophie nach Descartes,
sei vom Körper als Gliederkorpus existenziell
geschieden; Person und Krankheitsbild ließen
sich demnach trennen. Ist diese Trennung vollzogen, kann die Reparaturgesinnung gemäß
Julian Offray de la Mettrie (1709–1751) greifen, der in seinem Werk „L’Homme machine“
von 1748 eine Vorstellung vom Menschen als
Maschine entwickelte, die bis heute die Schulmedizin dominiert: Kranke Organe lassen sich,
so unterstellt sie, wie Maschinenteile reparieren
oder auswechseln. Aber immer häufiger wird
Kritik am Reparaturbetrieb und „TÜV-Gehabe“
der rein technisch-rational ausgerichteten Medizin laut. Die Idee, Krankheit sei nur ein reparierbarer Defekt, ist nicht länger haltbar. Diese Kritik
kann sich interessanterweise mit der modernen Physik verbünden, die das mechanistische
Weltbild schon lange hinter sich gelassen hat.
Verständigungsprobleme resultieren zu großen
Teilen aus der Nichtkompatibilität von Laienund Expertensprache. Nicht kompatibel sind
auch die Klassifikationsraster bei der Erstellung
der Diagnose: Die Mediziner rastern in erster
Linie nach der Topografie (wo ist das Symptom
lokalisiert?) sowie nach der Ätiologie (wie ist es
verursacht?). Die Patienten dagegen verfolgen
eher einen topografischen und prognostischen
Ansatz (wie kann man den Krankheitsverlauf günstig beeinflussen?). Das topografische
Raster lässt sich zwar als Schnittmenge von
beiden ausmachen, aber die Kranken erfassen
ihre Syndrome eher emotional, die Mediziner
rational. Der Arzt kann diesem Dilemma nur
entgehen, indem er auf sein eigenes Körpererleben zurückgreift, denn auch er selbst hat
ja Erfahrungen von Krankheit gemacht. Die
antike Vorstellung vom „verwundeten Arzt“ ist
ein Modell, das hier helfen kann.
Man sollte allerdings nicht dazu übergehen, das
naturwissenschaftliche Maschinenmodell beseitigen zu wollen, hat es doch insbesondere in der
Chirurgie und im klinischen Bereich als Ganzem zum immensen medizinischen Fortschritt
beigetragen und die wirtschaftliche und juristische Klassifikation von Therapiemaßnahmen
und ärztlichen Leistungen allgemein wesentlich
erleichtert. Das maschinelle Design muss sich
nur wieder mit einem ganzheitlich ansetzenden
kommunikativen Medizinmodell verbinden.
Literatur
Keller, G.; Thiele, M., Kommunikationspraxis für
Apotheker, Deutscher Apotheker Verlag, Stuttgart,
2001.
Thiele, M., Gesundheit kommunizieren, in: M. T.,
Körpersprechen. Atem, Stimme, Gesundheit, Verlag
für Medizin und Gesundheit, Biebelsheim, 2007 (in
Vorb.).
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Schlaglichter
Modern medicine’s technical orientation has led to a communication deficit. The language of the layman
and that of the expert are not compatible. In addition, a doctor classifies an illness according to two factors:
the place (where is the symptom found?) and the cause (what is the reason for the illness?). On the other
hand, the patient classifies their illness according to location and the prognosis – how can the course of
the sickness be influenced? Though both systems of classification use location they remain fundamentally
different, because the patient tends to view their symptoms emotionally, the physician rationally. The
therapist can only really relate to the patient’s situation when he thinks of his own experience of being ill,
and through this personal understanding of suffering is able to heal others. This is the archaic idea of the
‘wounded healer’. It follows from this that the concept of technical medicine needs to be united with the
holistic concept of ‘talking medicine’.
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