Serie (5): Mit Innovationen auf Wachstumskurs
Bestnoten für die Mechatronik

Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik wachsen zusamen: Die Mechatronik zählt zu den zehn wichtigsten Zukunftstechnolgien; schon heute gehen 80 bis 90 Prozent der Innovationen rund um Maschinen und Autos auf mechatronische und elektronische Erfindungen zurück. Branchen, in denen Deutschland traditionell eine Spitzenstellung einnimmt.

DÜSSELDORF. Der Blick in die Zukunft steht bei Professor Rolf Isermann auf dem Schreibtisch. Der Darmstädter Wissenschaftler sieht somit fast täglich auf das, was in absehbarer Zeit wohl in jedem Automobil zu finden sein wird: eine elektromechanische Bremse. „In etwa fünf bis acht Jahren wird sie serienreif sein“, prophezeit der Mann, der jüngst zum weltweit besten Repräsentanten der Wissenschaft von der Integration mechanischer und elektronischer Systeme (Mechatronik) gewählt wurde. Isermann ist der einzige Deutsche auf der im Februar 2003 erschienenen Top-Ten-Ranking-Liste des Massachusetts Institutes of Technology (MIT).

Dass die elektromechanische Bremse kommt, steht für Isermann außer Frage: „Bremsflüssigkeit und hydraulische Bremsleitungen gehören schon bald der Vergangenheit an. Elektromechanische Bremsen können ihre Bremswirkung schneller entfalten als das hydraulische Pendant. Auch eine Früherkennung von Fehlern und die automatische Bremskraftverteilung und Einstellung des so genannten Lüftspiels wären damit effektiver möglich.“ Die Bremse der Zukunft, so schwärmt Isermann, werde den Fahrer vor Defekten warnen, bevor es zu einem eventuellen Ausfall kommt.

Bei der Mechatronik handelt es sich nicht nur um Zukunftsvisionen, vieles ist bereits realisiert: Das Antiblockiersystem (ABS) oder dessen Weiterentwicklungen Antischlupf-Regelung (ASR) und das elektronische Stabilitäts-Programm (ESP) werden inzwischen praktisch in jedes höherwertige Auto eingebaut. Videorecorder, Kameras mit automatischer Scharfeinstellung und Korrektur gegen Verwackelung sowie Magnetplattenspeicher und CD-ROM-Laufwerke sind typische Produkte mit der Verbindung von Mechanik und Elektronik. Mechatronik ist ebenfalls gefragt bei Robotern oder Werkzeugen mit selbsteinstellenden Funktionen.

"Simultaneous Engineering"

Den Vorsprung von deutschen Entwicklern und Herstellern von mechatronischen Produkten sieht Professor Isermann in der Kombination und nennt es „Simultaneous Engineerung" – die Konstruktion wird von Anfang an als ein mechanisch- elektronisches System ausgelegt, beide Komponenten verschmelzen zu einem untrennbaren Gesamtsystem. Dabei könnten mechanische Lösungen durchaus einfach aufgebaut sein, betont Isermann. Erst die Feinjustierung erfolge dann elektronisch. Magnetventile etwa können dank Elektronik in ihrem Gesamtverhalten linear werden. Bei vielen Maschinen lassen sich Sollwerte dank präziser Regelung näher an Grenzwerte mit einem besseren Wirkungsgrad legen. Da ein Teil der Funktionen über Software programmierbar wird, können sie schneller verändert werden.

Beim Auto der Zukunft fällt Isermann noch mehr als die elektromechanische Bremse ein. Ein nächster Schritt könnte ein völlig neuartiges Lenksystem sein. Lenkbewegungen werden nicht mehr mechanisch, sonder elektrisch zu entsprechenden Aktoren übertragen. Ob sich damit das Lenkgestänge gänzlich aus dem Auto verbannen lässt, ist für Isermann nicht die entscheidende Frage: „Auf jeden Fall wird in Zukunft dem Fahrer ein noch besserer elektronischer Co-Pilot zu Seite stehen.“ Das Auto der Zukunft werde Hindernisse erkennen, bevor sie der Fahrer wahrnimmt und reagieren kann. Das Auto wird dann selbständig ausweichen und bremsen.

Selbst das Einparken kann dann den Schrecken so manches Autofahrers verlieren. Ein automatisches Einparksystem, das im Vorbeifahren die passende Parklücke erkennt und das Fahrzeug entweder ganz von selbst einparkt oder den Fahrer mit akustischen oder taktilen Signalen dabei unterstützt, ist für die Mechatroniker auch schon keine reine Zukunftsmusik mehr.

Fehlerdiagnose als Spezialgebiet

Vertrauen in die schöne neue Welt der Mechatronik bekommen die Menschen aber nur, wenn sie den mechanisch-elektronischen Systemen vertrauen können. „Vom fehlerfreien Funktionieren dieser Systeme ist oft unser Leben abhängig“, weiß auch Isermann. Die Fehlerdiagnose mechatronischer Systeme ist daher ein weites Spezialgebiet der Darmstädter Ingenieure, betont der Professor, der seit 1977 im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Darmstadt das Fachgebiet Regelungstechnik und Prozessautomatisierung vertritt.

Nicht nur im Automobilbau, sondern etwa auch bei der Fehlererkennung von Pipelines, Wärmeaustauschern, Werkzeugmaschinen, Robotern und elektronischen Antrieben ist der Mensch darauf angewiesen, dass alles fehlerfrei funktioniert. Ein ganz aktuelles Projekt beschäftigt sich mit der Fehlerfrüherkennung bei Verbrennungsmotoren. So sollen Fehlzündungen, die den Katalysator schädigen können, erkannt werden. Teilverbrennungen oder Lecks sollen angezeigt und demnächst vielleicht sogar automatisch verhindert werden.

Ein ganz großer Anwendungsbereich für die Mechatronik werden mikromechatronische Implantate in der Medizintechnik sein. So kann sich Prof. Isermann vorstellen, dass beispielsweise bei der Therapie von Wasserköpfen (Hydrocephalus) die bislang verwendeten Kugelfederventile durch neuartige Implantate ersetzt werden können. „Allein in Deutschland leiden 8 000 Patienten pro Jahr an dieser sehr schmerzhaften Krankheit, neben Kindern auch Unfallopfer“, berichtet Isermann. Die Mechatronik verspreche hier eine Linderung, mitunter auch eine Heilung dieser Krankheit.

Die Bestnoten für die deutsche Mechatronik-Forschung sind die eine Seite der Medaille. Die Umsetzung in Produkte und Systeme die andere. „Wir besitzen hier große Chancen, den Standort Deutschland wieder voran zu bringen“, ist Isermann überzeugt. „Chancen dafür gibt es reichlich. Die Mechatronik zählt nämlich vor allem deshalb zu den zehn wichtigsten Zukunftstechnologien, weil 80 bis 90 Prozent der Innovationen rund um Maschinen und Autos schon heute auf mechatronische nd elektronische Erfindungen zurückgehen.“ Und gerade in diesen Branchen, davon ist der Wissenschaftler überzeugt, nimmt Deutschland traditionell eine Spitzenstellung ein.

Audi fördert Forschung der Uni München

Auf dem Weg zu einem Mechatronik-Zentrum befindet sich auch die Technische Universität München in Ingolstadt. Dazu gehen die Technische Universität München, (TUM) die Audi AG und die Stadt Ingolstadt eine Kooperation ein. INI.TUM (Ingolstadt Institute der Technischen Universität München) heißt das gemeinsame Projekt, das in den Räumlichkeiten des SE-Zentrums (Simultaneous Engineering) im Nordosten von Ingolstadt ihre Arbeit aufnehmen wird. „Wir kommen mit der Ansiedlung eines Mechatronik-Schwerpunktes im Technologieraum Ingolstadt dem riesigen Bedarf an Ingenieuren nach. Gerade wegen ihrer Kernkompetenz u.a. auf den Gebieten Elektrotechnik und Informationstechnik, Maschinenwesen, Informatik und Mathematik ist die TUM dafür prädestiniert, diese wissenschaftliche Allianz in Ingolstadt zum Aufbau eines Mechatronik-Forschungszentrums einzugehen“, so TU-Präsident Prof. Dr. Wolfgang A. Herrmann zur Frage der Standortwahl. Die Finanzierung der INI.TUM erfolgt projektbezogen durch die Audi AG, die gemeinsam mit der TU München die Forschungs- und Entwicklungsprojekte festlegt.

Auch bei diesem Projekt wird sehr viel Wert auf die Einbeziehung von Forschungsergebnissen aus anderen Fakultäten der TU München gelegt: Maschinenwesen, Elektro- und Informationstechnik sowie Informatik sollen zur Entwicklung des großes zukunftsträchtigen Bereichs Mechatronik beitragen. Ein erster Schwerpunkt der Zusammenarbeit ist die Fahranalyse. Diese beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Fahrer, Fahrzeug und Fahrumgebung mit dem Ziel, das Fahrzeug für den Fahrer noch sicherer, komfortabler und innovativer zu gestalten.

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