Faszination Technik

Technischer Fortschritt fasziniert

Die wenigen Menschen aus der Gruppe der über Hundertjährigen haben teilweise noch die Einführung der Glühbirne und der ersten Automobile mitbekommen.

Die Generation der heute 60jährigen hat an Schreibmaschinen und Lochkartensystemen gearbeitet. Sie sind groß geworden im Wirtschaftsaufschwung Deutschlands nach dem Zweiten Weltkrieg. Sie haben gesehen, wie die elektrische Nähmaschine die Haushalte eroberte und wie sich die Waschmaschine durchsetzte. Heute sind sie fasziniert von der Digitalkamera, den Möglichkeiten der Computer und dem Flugzeugbau. Im Laufe einer Generation haben sich Technik, Werkstoffe und Produkte in einem solchen Tempo verändert wie nie zuvor.

Die Generation der 20jährigen und Heranwachsenden nimmt nur noch staunend zur Kenntnis, wie ihre Mütter und Väter vor nicht einmal 30 Jahren gearbeitet haben. Wie Menschen ohne MP3 oder Mobiltelefon auskommen konnten, erscheint merkwürdig. Dass allerdings die moderne Technik von heute noch schneller überholt sein wird als die Technik von gestern ahnen die meisten nicht.

Bewegung vor und zurück

Auf dieser Website wollen wir Ihnen ein paar Ausblicke auf zukünftige technische Entwicklungen geben. Genauso werden wir Ihnen aber auch zeigen, wie die technischen Highlights der Vergangenheit begeisterten und wo Sie den Geist technischen Fortschritts der letzten Jahrhunderte erleben können.

Faszination Technik: Ist heute bereits gestern?

Technik ist permanentem Wandel unterworfen. Was uns heute staunen lässt, kann schon in wenigen Jahren vergessen sein oder technisch zu einem vergangenen Zeitalter gehören. So wird auch diese Seite in Bewegung sein. Wir bemühen uns, Sie laufend über neue Entwicklungen in der Metall- und Elektro-Industrie sowie in der Informations- und Kommunikations-Technik zu informieren.

Neue Werkstoffe

Neue Werkstoffe werden permanent mit großem Aufwand entwickelt. Ihre Übernahme in die Produktion scheiterte bisher oft an der Frage, wer die Entwicklungskosten trägt. Bei vielen Werkstoffen reizt es kein Industrieunternehmen, die Stoffe in der Produktion zu verwenden, weil sie kostentreibend wirken. Das soll sich nun ändern. Mit mehr staatlicher Förderung und besserer Zusammenarbeit zwischen Forschung, kleinen und mittleren Unternehmen als Spezialisten der Entwicklung und der Großindustrie sollen Aufwand und Erträge besser verteilt werden.

Einige Beispiele für Entwicklungsrichtungen, Methoden und Werkstoffe, denen in Zukunft noch größere Bedeutung zukommt:

1. Nanotechnologie
Hier geht es um Oberflächeneigenschaften von Materialien, die aus Einzelatomen und Strukturen bis zu einer Größe von 100 Nanometern (nm) bestehen. Es wird möglich, Stoffe Atom für Atom so aufzubauen, dass ihre Struktur einen bestimmten Anwendungszweck erfüllt. Mit
Hilfe von Nano-Strukturen können zum Beispiel ultradünne Schichten mit sehr großer Oberfläche aufgebaut werden. Funktionen wie Selbstreinigung von Oberflächen sind heute schon Ergebnisse der Nanotechnologie. Auch in der IKT werden die Nano-Dimensionen in den nächsten Jahren eine herausragende Rolle spielen.

2. Bionik oder Biomimetik
In der Bionik werden für technische Probleme gezielt Lösungen in der Natur gesucht. Natürliche Phänomene werden analog in technische Lösungen übersetzt. So geschehen mit dem Beispiel der
Riblet-Folien: Bei schnell schwimmenden Haien besteht die Hautoberfläche aus kleinen, dicht aneinander liegenden Schuppen. Diese Schuppen sind mit scharfkantigen feinen Rillen besetzt, parallel zur Strömung ausgerichtet. Sie bewirken einen geringeren Reibungswiderstand. Dieser Effekt gilt in allen turbulenten Strömungen. Deshalb werden teilweise schon Flugzeuge mit einer Folie beklebt, die auf ihrer Oberseite über eine Hai-Struktur verfügt und so den Luftwiderstand des Flugzeugs senkt.

3. Computational Materials Science
Materialien werden künstlich am Rechner entwickelt. Wie sie hergestellt und verarbeitet werden, sogar wie sie sich später in Bauteilen und in der Anwendung verhalten, wird am Computer simuliert.

4. Selbstorganisierendes Konstruktionsprinzip
Noch nicht über die Grundlagenforschung hinaus gekommen, gibt dieses Prinzip jedoch dem 21. Jahrhundert eine Aussicht auf großartige Umwälzungen in der Technik. Den Weg zu aus der Natur bekannten, sich selbst organisierenden Systemen weist die supramolekulare Chemie, die aus organischen und anorganischen molekularen Einheiten Riesenmoleküle entwirft. Deren Strukturelemente organisieren sich dann unter bestimmten Bedingungen zu größeren Systemen mit spezifischen und wiederholbaren Funktionen.

5. Keramik
Keramische Werkstoffe aus unterschiedlichen Grundmaterialien als Oxide, Nicht-Oxide, Silikate etc. weisen je nach Art der Sinterung und Bearbeitung unterschiedliche Materialeigenschaften auf. War der Einsatz keramischer Werkstoffe in der Vergangenheit durch geringe Bruchfestigkeit begrenzt, so sind in den letzten Jahren durch keramische Faserverbundwerkstoffe und PZT-Keramiken die Anwendungsmöglichkeiten gewachsen. Zum Beispiel in der Raumfahrt, in Hochleistungsfahrzeugen oder Industrie-Wälzlagern. Hohe Festigkeit, geringes Gewicht und enorme Hitzebeständigkeit sind nur einige der Eigenschaften, die keramische Werkstoffe auszeichnen.

6. Intermetallics
Neue intermetallische Legierungen werden entwickelt, um leichtere Bauweisen und Einsatz im Hochtemperaturbereich zu ermöglichen. Sie sollen Vorteile keramischer und metallischer Werkstoffe vereinigen, müssen extrem fest, dabei trotzdem verformbar und zäh sein. Basis sind Titan und Aluminium.

7. Metall-Verbundwerkstoffe
Metall-Kunststoff-Verbunde und kohlefaserverstärkte Bauteile werden schon heute in großem Stil im Flugzeugbau eingesetzt. Sie reduzieren das Gesamtgewicht erheblich. Innovative Leichtbauwerkstoffe gewinnen in der gesamten Industrie an Bedeutung. Geforscht wird zurzeit über Verbundwerkstoffen aus mehreren Materialien mit multifunktionalen Eigenschaften.

8. Hybrid-Werkstoffe
Das Wesen von Hybrid-Werkstoffen ist, dass man verschiedene Matrialien miteinander zu einem Bauteil verfügt und dann über die teilweise sehr gegensätzlichen Eigenschaften neue Funktionen integriert. Metalle und Kunststoffe werden heute schon in der Automobilindustrie verfügt.

9. Intelligente Werkstoffe
Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie selbstständig auf äußere Einflüsse wie Temperaturänderung oder Lichtwechsel reagieren, um damit ohne weitere Ansteuerung eine Aktion auszulösen. Zu den intelligenten Werkstoffen, die bisher nur in geringem Umfang genutzt werden, gehören Piezo-Keramiken, Formgedächtnislegierungen, magnetostriktive Werkstoffe, aber auch intelligente Flüssigkeiten wie elektrorheologische und magnetorheologische Fluide.

10. Elektromagnetische Funktionswerkstoffe
In der Mikroelektronik und Sensorik, vor allem im Halbleitermarkt, der Automobilindustrie und der Kommunikationstechnik haben sich innerhalb von zehn Jahren Werkstoffe mit besonderen elektronischen und magnetischen Funktionalitäten dynamisch entwickelt. Heutige Material- und Technologiekonzepte stoßen jedoch an ihre physikalischen Grenzen. Chip-Packaging mit intelligenten funktionalen Hüllen, die kühlen, abschirmen und stabilisieren, ist eine der Herausforderungen. Bleifreie Lote, bessere Energieeffizienz, elektromagnetische Verträglichkeit mit anderen technischen Systemen, Produkte der Polymerelektronik und vieles mehr beschäftigen die Materialentwickler der Zukunft sicher auch.

Magnetostriktion

Die Deformation ferromagnetischer Stoffe durch ein angelegtes magnetisches Feld nennt man Magnetostriktion. Dabei ändert sich der Körper bei konstantem Volumen elastisch in der Länge. Bei besonderen Stoffen wie Invar-Legierungen ist auch eine Volumenmagnetostriktion möglich. Dann ändert sich das Volumen.

Magnetorheologisches Fluid (MRF)

Das ist eine Flüssigkeit, die ähnlich wie Ferrofluide auf ein Magnetfeld reagiert, sich aber dabei verfestigt. Der Unterschied zwischen Magnetorheologischen Fluiden und Ferrofluiden besteht in der Art der Reaktion auf ein Magnetfeld. Die relativ großen Teilchen der MRF bilden Ketten, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Das erhöht ihre Viskosität/Zähigkeit und verfestigt sie, wenn eine einwirkende Druckkraft nicht groß genug ist, um die Ketten zu brechen. Im Gegensatz dazu bildet ein Ferrofluid keine Ketten. Die zufällige Bewegung der Teilchen überwiegt die Kraft, die sie zusammenzieht. Der magnetorheologische Effekt beginnt ab einer Teilchengröße von über 10 Nanometern.

Neue Verfahren in der Metallindustrie

Mit neuen Materialien und Verbundstoffen verändern sich auch die Verfahren in der Produktion. Traditionelles Schweißen, Nieten, Schrauben und Pressen ist in der Metallindustrie auf dem Rückzug. Es wird mehr geklebt, wobei sich Klebstoffe und Klebetechniken permanent weiter entwickeln. Auch völlig neue Verfahren erobern die Produktionshallen.

Zum Beispiel:

Fibre Placement
Tailored Fibre Placement (TFP) ist ein Verfahren für die Produktion von Verbundstrukturen, bei dem die Kohlestofffaserbündel (Rovings) auf einem Trägermaterial maßgeschneidert aufgestickt werden. Durch gekrümmte Faserorientierungen ist es möglich, die Bauteile den Belastungen besser anzupassen. Spannungskonzentrationen an Kerben, Ecken und Ausschnitten sind besonders anfällig für Materialversagen. Statt Formen zu ändern kann mit Fibre Placement gezielt Spannungskonzentration abgebaut werden.

Thixogießen
Statt eines stranggegossenen Vormaterials werden bei diesem Verfahren Bolzen verwendet, die durch Verdichten von metallischen Pulvermischungen hergestellt werden. Die Bolzen werden dann in einfachen Umluftöfen in teilflüssigen Zustand versetzt und erhalten ihre Form auf eine Kaltkammer-Druckgießmaschine. Nachdem Gießlauf etc. entfernt ist, kann das Halbzeug geschäumt werden. Vorteil: gleichmäßigere Schäume, geringerer Energieeinsatz.

Hydroforming
Beim Innenhochdruckumformen (IHU, engl. Hydroforming) wird ein rohrförmiges Werkstück durch Innendruck aufgeweitet und gleichzeitig gestaucht. Das Werkstück nimmt in einem geschlossenen Werkzeug durch den Innendruck die Form der Werkzeuggravur an. Der Innendruck (bis ca. 3000 bar und höher) wird durch eine Wasser-Öl-Emulsion übertragen. Die Axialkraft zum Stauchen wird über zwei Dichtstempel an den Rohrenden eingeleitet.

Eingesetzt wird IHU bevorzugt für Rohre mit einer variablen Dicke und für T-Stücke wie Fittinge oder auch Wasserhähne. Durch IHU lassen sich unter anderem hohe Steifigkeiten erzielen. Ein Beispiel hierfür ist die A-Säule des 3er-Cabrios (E46) von BMW: Sie ist so steif, dass ein weiteres baugleiches Fahrzeug mit seiner gesamten Masse auf der Querverbindung der beiden A-Säulen lasten kann. Auch die Aluminiumhinterachsen der 5er-(E39, E60) und 7er-(E65)Serie von BMW werden mit dieser Technik hergestellt.

Weitere Techniken
Strukturelles Nähen, Injektionstechniken, neue Fügetechniken und innovative Schweißtechniken wie das Rührschweißen werden erprobt und teilweise schon in der Fertigung eingesetzt.

Das Flugzeug von morgen

In Stade bei Hamburg entwickelt die CTC GmbH Fertigungsverfahren für Flügel- und Rumpfstrukturen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Zurzeit geht es um Verbesserungen der Bauteileigenschaften und Reduktion der Fertigungsschritte. Dabei testet CTC zum Beispiel Harzinfusionen, durch die bei der Rumpfschale die Haut mit den notwendigen Verstärkungen in einem Schritt gefertigt wird. Ein weiterer Test läuft mit einer Roboter gestützten Nähanlage, die über drei Nähköpfe Doppelsteppstich, Blindstich und Tufting erledigen kann. Vernäht werden textile Versteifungsstrukturen mit der Flugzeughaut.

Neue Entwicklungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie: Die IuK-Technik wird spannender

Den Computer kennen wir nun alle. Zustimmend nehmen wir zu Kenntnis, dass ab und zu ein Kollege über die Maschine flucht. Klammheimliche Zustimmung auch, wenn eine Zeitung mal wieder berichtet, dass ein PC-User seine Hardware aus Wut über Disfunktionen aus dem Fenster geworfen hat. Nicht jeder Techniker und nicht jeder Maschinenbediener erlebt das vollendete Glück im Umgang mit der elektronischen Steuerung.

Vollkommen klar ist: Was wir nutzen, ist längst nicht perfekt. Doch die Forschung hat die Fehler erkannt und sich zur Aufgabe gemacht, uns morgen in den Frieden mit dem Computer zu führen. Hier einige Einblicke in die Aufgabenstellung und den Forschungsstand:

Interfaces – Mensch-Maschine-Kommunikation

Mit manchen Computern macht es Spaß zu arbeiten, mit anderen weniger. Roboter werden in Produktionsstätten nicht länger in abgetrennten Bereichen arbeiten, sondern zusammen mit ihren menschlichen Kollegen. Für die Kooperation zwischen Mensch und Computern bedeutet das erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Die Erforschung aller Möglichkeiten, Computer auf einfache Weise zu bedienen und die Gestaltung von funktionalen und intelligenten IT-Werkzeugen ist das Arbeitsgebiet der Mensch-Maschine-Kommunikation.

Es gibt Arbeitsgeräte, deren Bedienung Experten benötigt. Computer waren lange Jahre nur für die PC-Profis konstruiert. Der Siegeszug des PC mit grafischer Benutzeroberfläche und Maus hat gezeigt, dass der Umgang mit Computern auch einfacher sein kann. Die Ideen stammen aus der Erforschung der Mensch-Maschine-Kommunikation, die in den USA „User Interface Engineering“ genannt wird.

Doch die Entwicklung ist schon weiter als Maus und Computerbildschirm. Sprache, Gestik und andere Formen der Verständigung sind für die Interaktion mit dem Computer bereits erprobt. Immer neue Einsatzfelder und immer kleiner werdende Systeme verlangen nach völlig neuartigen Lösungen für die Steuerung von Computern. Innovative Lösungen zum Umgang des Menschen mit der Technik werden zukünftig die Voraussetzung sein, um für neue Systeme Kundinnen und Kunden zu finden. Die Forschung hat dabei in Deutschland drei neue Schwerpunkte:

Virtuelle Welten

Die deutsche Forschung gehört derzeit zu den weltweit Führenden auf dem Gebiet der virtuellen und erweiterten Realität. Das schließt die Darstellung vollständig künstlich erzeugter Welten genauso ein wie die Erweiterung von realen Sinneseindrücken um per Computer erzeugte Zusatzinformationen. Beispiel für erweiterte Realitäten (englisch: augmented reality, AR) sind die von einigen Automobilherstellern schon angebotenen Fahrerinformationen, die im Sichtfeld des Fahrers auf die Frontscheibe projiziert werden.

Das Forschungsgebiet „Virtuelle Welten“ ist für kleine und mittlere Unternehmen wichtig und zunehmend interessant, da mittlerweile ausreichend leistungsfähige Hardware bezahlbar wird. Aber auch Großunternehmen können von der Technologie profitieren, beispielsweise bei der durch Techniken der erweiterten Realität unterstützten außerordentlich komplexen Verkabelung von Flugzeugen, Fahrzeugen und anderem.

Die Ergebnisse aus Forschungsprojekten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung führten in den letzten vier Jahren zu 40 Patenten. Es geht jetzt darum, diese Forschungen zügig fortzusetzen, um den Vorsprung auszubauen. Die technologischen Herausforderungen liegen in:

• markerlosem Tracking – dem Verfolgen von realen Szenen in der normalen Umwelt, speziell der genauen Bestimmung von Position und Orientierung in gemischten Welten ohne spezielle Markierungen,
• der Entwicklung von Softwareentwicklungssystemen und dort speziell in der AR-gerechten Aufbereitung komplexer Sachverhalte und dynamischer und statischer Datenbestände,
• der Weiterentwicklung von Datenbrillen und leistungsfähigen Head Mounted Displays, die leicht und robust sind, zugleich aber auch leistungsfähig sein sollen sowie
• in der benutzerzentrierten Gestaltung dieser Technik.

Servicerobotik

Die Gesellschaft in den Industrieländern, insbesondere Deutschland und Japan, altert sehr schnell. Es ist absehbar, dass schon in wenigen Jahren nicht mehr genügend Pflegepersonal zur Verfügung steht. Auf diese Entwicklung zielen die Serviceroboter für den privaten Bereich ab. Im industriellen Umfeld wächst der Bedarf an Robotern, die zusammen mit Menschen in einer Arbeitsumgebung operieren können. Um Unfälle zu vermeiden, wenn sich Roboter in Werkshallen frei bewegen, müssen Roboter die Menschen sicher wahrnehmen und Gefahren zuverlässig vermeiden. Zugleich müssen Roboter enger als bisher mit Menschen zusammenarbeiten, um die Fähigkeiten von Menschen und Maschinen besser zu nutzen.

Ziel ist es daher, die Interaktion des Menschen mit Robotern technisch so weiterzuentwickeln, dass eine Kooperation zwischen Menschen und Robotern sowohl im industriellen wie auch im privaten Bereich möglich ist. Deutschland ist auf dem Gebiet der Serviceroboter weltweit mit an der Spitze. Die Entwicklung der Servicerobotik bis zum Einsatz dauert noch fünf bis zehn Jahre. Insoweit ist der Markt für die Servicerobotik noch offen. Wir müssen versuchen, ihn zu gewinnen. Die Hauptzielrichtungen liegen hier in der Medizin, der Reinigung, der Kontrolle und der Sicherheit sowie bei den Heimrobotern.

Semantic Web

Die Entwicklung des World Wide Web (WWW) geht derzeit von der klassischen Annotierung von Webseiten mit den HTML-Beschreibungsmitteln über zur inhaltlichen bis hin zur automatischen Annotierung. Für die Benutzerinnen und Benutzer werden die technischen Möglichkeiten entwickelt, eine Suche im Internet direkt durch Spracheingabe mit ergänzenden Zeigegesten durchzuführen. Das Ziel ist, zukünftig gesprochene Sätze als Anfrage einzugeben, zu der dann eine ganze inhaltliche Antwort ausgegeben wird. Bisher erfolgt eine Ausgabe aller Seiten im Internet, die ein bestimmtes Stichwort enthalten. Auf diesem Gebiet der so genannten multimodalen Interaktion mit dem Internet und der inhaltlichen Suche im Netz ist die deutsche Forschung weltweit führend. Für Anwendungen dieser Technik besteht ein großer Markt.

SmartWeb: Maschinen lernen, Menschen zu verstehen

Neue Technologien wie das Internet oder das Handy erleichtern uns das Leben: Informationen sind damit fast überall und zu jeder Zeit abrufbar. Doch die Kommunikation zwischen Mensch und Technik funktioniert nicht immer reibungslos. Oft verstehen Maschinen nicht, was Menschen von ihnen wollen. Das soll sich ändern. In verschiedenen Projekten wird daran gearbeitet, die Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern, um die Technik an den Menschen anpassen und ihm so ein intuitives und einfaches Bedienen ermöglichen.

SmartWeb – Intelligente Suche
Bei der Suche nach Informationen stoßen Internetnutzerinnen und -nutzer häufig an die Grenzen der Mensch-Maschine-Kommunikation: Auf Fragen wie „Was ist der höchste Berg Deutschlands?“ oder „Wie heißt der deutsche Fußball-Rekordnationalspieler?“ erhalten sie eine Flut an Internetseiten. Diese enthalten zwar die Wörter „höchste Berg“ oder „Rekordnationalspieler“, die Antwort ist aber oft nicht dabei. Deshalb müssen Menschen die Suchanfrage so formulieren, dass der Computer sie „versteht“. Menschen passen sich also der Maschine an – zumindest bisher. Den Zugang zu Informationen aus dem Internet erleichtern – das ist das Ziel des Projektes „SmartWeb“.

16 Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft entwickeln Lösungen für eine „intelligente“ Suche im Internet und die dazugehörigen mobilen Anwendungen. Diese Suche basiert auf dem semantischen Web (auch Semantic Web), das eine Erweiterung des bisherigen World Wide Web darstellt. Das semantische Web enthält Daten bzw. Internetseiten, die auch Maschinen lesen können. Der Vorteil für alle: Endgeräte wie Laptops, Handys oder Personal Digital Assistents (PDAs) verstehen, was mit einer Eingabe gemeint ist und liefern Antworten und nicht nur eine Auflistung von Internetseiten.

Mehr dazu auf: www.smartweb-projekt.de

Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern – ganz automatisch

Eine Integration von KfZ-Sensorik, Umweltinformationen und eine an Gefahrensituationen angepaßte Kommunikation zeigt eine weiteres SmartWeb-Ergebnis. Für alle Auto- und Motorradfahrer kann die Information „Fahrbahnglätte – Ölspur auf der Fahrbahn!“ lebensrettend sein. Viele Autos haben schon Sensoren an Bord, mit deren Hilfe sich solche Daten zur Straßenlage erkennen oder ableiten lassen. Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen kann solche lokal mit Sensorhilfe aufgenommenen Informationen unmittelbar an alle Verkehrsteilnehmer in der Umgebung senden. Nicht nur die Car-to-Car, sondern die zu allen Verkehrsteilnehmern! Das DFKI zeigte mit der BMW AG auf der CeBIT 2007 die intelligente Kommunikation zwischen Pkw und Motorrad, bei der solche Warnmeldungen auch als Sprachmitteilung im Helm des Fahrers ausgegeben werden können.

Virtual Human – Maschinen zeigen Gefühl

Mit einer anderen Form der Mensch-Maschine-Kommunikation beschäftigt sich das BMBF-Verbundprojekt „Virtual Human“. Sieben Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft haben es sich zum Ziel gesetzt, virtuelle Menschen zu schaffen, die nicht nur realistisch aussehen, sondern sich auch so verhalten. Virtuelle Kundenberater, die einem beim Einkaufen helfen oder virtuelle Tutoren, die Sprachen beibringen – das soll in Zukunft möglich sein. Wie? Durch eine verbesserte grafische Darstellung und möglichst authentische Mimik und Gestik.

Dabei unterscheiden sich die virtuellen Menschen grundlegend von den alt bekannten Figuren aus Computerspielen oder aus dem Fernsehen. Ihre Reaktionen sind nicht vorprogrammiert, sie reagieren selbstständig und in Echtzeit auf ihre Umgebung. Und noch mehr: die virtuellen Menschen zeigen sogar Emotionen, sie haben schauspielerische Fähigkeiten. Die Möglichkeiten, die sich für virtuelle Menschen ergeben, sind vielfältig: zum Beispiel könnte uns in naher Zukunft ein virtueller Mensch am Fahrscheinautomaten begrüßen und uns beim Kauf des richtigen Fahrscheins beraten. Eine große Zukunft wird ihnen auch im Bereich der Bildungssoftware prophezeit: Ein virtueller Tutor könnte bald Schülerinnen und Schülern das Lernen erleichtern.