Innovation durch interdisziplinäres Denken

Ein Plädoyer für den »mechatronischen Ansatz«

Mensch & Mechatronik

Heute ist die Technik ein verschmolzenes Konsortium aus Elektronik, Mechanik und Informatik. Der anhaltende technische Wandel ist gezeichnet durch eine immer höhere Integration von mechanischen und elektronischen Elementen, gepaart mit programmierbarer Intelligenz. Die Mechatronik ist daher eine Querschnittstechnologie, auf die High-Tech-Geräte der Zukunft aufbauen – sei es als Maschine, als Komponente oder als Fertigungsanlage.

Der VDI definiert »Mechatronik« als »das synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und der Herstellung industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung«.

Ist die Mechatronik nun eine Übergangserscheinung oder können ihr die Eigenschaften »innovativ« und »zukunftssicher« zugeschrieben werden? Ralf Colin vom Institut für Angewandte Forschung Mechatronik an der Hochschule Esslingen beantwortet diese Frage wie folgt: »Alles, was heute benutzt wird, hat mit Mechatronik zu tun. Es gibt kaum noch Produkte, die ohne die Funktionsintegration von Mechanik, Elektronik und Informatik funktionieren. Mechatronik ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Meiner Meinung nach wird die Mechatronik zukünftig unseren Alltag erleichtern, die Mobilität stärken und für mehr Komfort sorgen. «

Andreas Brand, ein Mechatronik-Student der HS Esslingen, sieht das Alleinstellungsmerkmal der Mechatronik in der »Effizienz« und nennt ein Beispiel: »Bedient sich eine Firma nicht der mechatronischen Systeme für die Produktherstellung, dann braucht es für jeden Schritt in der Entstehung eine gesonderte Stufe bzw. Station. Im schlechtesten Fall laufen diese nacheinander ab: An einer Station wird geschweißt, an der anderen lackiert, in der letzten wird möglicherweise händisch die Qualität überprüft. Durch Mechatronik können in einer Anlage Mechanik, Elektronik und IT gepackt, diese drei Funktionen – bis hin zur Qualitätsprüfung – in einem Prozess integriert und von einem einzigen System gehandhabt werden.«

Zusammenführung der Disziplinen 

Die Verknüpfung der verschiedenen Einzeldisziplinen ist der Kernpunkt der Technologie und zugleich eine besondere Herausforderung: Sie führt zur Entwicklung neuer (Komplett-) Lösungen in der Automatisierungstechnik. So wird die Mechatronik zur Querschnittstechnologie und prägt – insbesondere durch den interdisziplinären Denkansatz – die Innovationen der Industrie.

Im Maschinenbau etwa konnten sich die Unternehmen im internationalen Wettbewerb nur behaupten, weil sie den Mut zum Umbau des klassischen Maschinenbaus gefunden haben und sich nun an der Mechatronik als zentrale Vorgabe für neue Vorgehensweisen orientieren. Noch bis vor kurzem wurde der Schwerpunkt in einer »Lösungsfindung« auf die Mechanik gelegt, Elektronik und Informatik spielten nur eine untergeordnete Rolle. Heute haben sich die Schwerpunkte erheblich verschoben. Die Mechatronik als Verbindung von Mechanik mit Elektronik und Informatik wandelt sich von einer Teilaufgabe zu einer ganzheitlichen Aufgabe. Mechatronik heißt dann: einfache mechanische Konstruktionen, elektronisch angetrieben und durch ein komplexes Software-Engineering synchronisiert.

Mechatronik – ein Problemlösungswerkzeug

Bei den technisch hochwertigen Automatisierungssystemen zur Herstellung bzw. Fertigung von Produkten verzahnt sich die Elektronik zunehmend mit der Mechanik und der Informatik. Unternehmen wie Festo haben längst erkannt, dass Mechatronik in der Automatisierungstechnik eine bedeutende Rolle spielt. Durch die Verbindung der drei Disziplinen ist diese Technologie ein optimales Werkzeug für die Lösung vieler Problemstellungen.

Bei Festo hat man den Ansatz vielfältiger Lösungen durch die Mechatronik erfasst. Das beginnt mit der Möglichkeit, individuelle Automobilteile am Fließband zu produzieren, und endet noch lange nicht beim Handling von Alu-Deckeln an Joghurtbechern und deren Fixierung. Die Kunden des Familienunternehmens kommen aus den Schlüsselbranchen Automotive, Pharma, Elektronik und Nahrungsmittelindustrie. Sie alle greifen auf die Mechatronik zurück. Für Festo-Mitarbeiter Michael Seyfang aus dem Bereich »Research and Innovation« ist die Mechatronik nicht mehr wegzudenken: »Festo wird auf dem Markt als Anbieter von Komplettlösungen wahrgenommen und muss als solcher unbedingt auf die Mechatronik zurückgreifen. Diese Technologie kann mehr als nur den Kundenansprüchen gerecht zu werden. Durch den interdisziplinären Denkansatz kann man zuvor unentdeckte Potentiale erkennen!«

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Bild 1. Wie lässt sich das effiziente Vorbild eines menschlichen Körperteils annähernd gut genug nachkonstruieren? Das ist nur mit Hilfe der Mechatronik zu schaffen.

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Bild 1. Wie lässt sich das effiziente Vorbild eines menschlichen Körperteils annähernd gut genug nachkonstruieren? Das ist nur mit Hilfe der Mechatronik zu schaffen.

Ein gutes Beispiel für Mechatronik in dem Unternehmen ist der Roboterarm »Airic's_arm«. Dieser zeigt, wie automatisierte Bewegungsabläufe künftig aussehen könnten. 30 künstliche Muskeln sorgen für Bewegung in der „Knochenstruktur“ – dynamisch wie in der Natur (Bild 1). Diese Muskeln sind als »Fluidic Muscle« in der industriellen Praxis bereits weit verbreitet. Zudem finden sich in Airic's_arm innovative Piezo-Proportionalventile, die die Kräfte exakt regeln.

Piezoventile für mehr Sitzkomfort

Bei der Produktion von Handys, Autos und sogar Nahrungsmitteln ist die interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft besonders gefragt. Bei Festo kann man Mechatronik fast in allen Branchen vorfinden, so auch in der Fertigung für den Automobil-Zuliefer-Bereich, in der mit innovativer Technologie bis zu 850.000 Piezoventile pro Jahr hergestellt werden können. Diese Ventile regeln den Druck der Luftkammern in hochwertigen Autositzen. Einerseits werden hierdurch statische Lordosefunktionen realisiert, andererseits werden bei einer Kurvenfahrt diese Kissen in kürzester Zeit aufgeblasen, um dem Fahrer immer optimalen Halt und maximalen Komfort im Sitz zu geben.

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Bild 2. Die Fertigungslinie für die Herstellung von Piezoventilen ist ein gutes Beispiel für ein mechatronisches System.

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Bild 2. Die Fertigungslinie für die Herstellung von Piezoventilen ist ein gutes Beispiel für ein mechatronisches System.

In der vollautomatisierten Fertigungslinie werden aus den Einzelteilen, bei denen jedes höchste Ansprüche an die Verarbeitung stellt, Ventile im 20-Sekunden-Takt gefertigt (Bild 2).

Hierbei werden sowohl sämtliche Chargendaten der Komponenten als auch alle anfallenden Prozess- und Prüfdaten aufgenommen und im SAP-Produktionssystem gesichert. Aus den über 300 Einzeldaten je Ventil lassen sich so Echtzeit-Darstellungen der Prozesse umsetzen, die ein schnelles Eingreifen im Sinne der »closed loop« erst ermöglichen. Eine Produktkennzeichnung mit maschinenlesbaren Datenmatrix-Codes in Verbindung mit einer automatischen Sortierung der fertigen Ventile in unterschiedliche Klassen verhindert Verwechslungen und ermöglicht eine durchgehende Rückverfolgbarkeit von der Anlieferung im Wareneingang bis zum Versand an den Kunden.

1. Teil: Ein Plädoyer für den »mechatronischen Ansatz«
2. Teil: Aus drei mach eins
3. Teil: Individualist oder Generalist?

Weiterführende Links:

• Festo: Mechatronische Möwe fliegt
• Fraunhofer: »Künstlicher Muskel« wird elastisch