Produktionsautomatisierung und Logistikoptimierung in Echtzeit Vernetzte RFID-Transponder

Wie kommt das Bierfass nach dem Befüllen, dem Transport über den Bierverlag und das Gasthaus sicher wieder zurück an seinen richtigen Platz im Lager? Ein kleiner Transponder macht es möglich. Er liefert die nötigen Informationen für die perfekte Lagerhaltung und das lückenlose Behältermanagement.

Produktionsautomatisierung und Logistikoptimierung in Echtzeit

Wie kommt das Bierfass nach dem Befüllen, dem Transport über den Bierverlag und das Gasthaus sicher wieder zurück an seinen richtigen Platz im Lager? Ein kleiner Transponder macht es möglich. Er liefert die nötigen Informationen für die perfekte Lagerhaltung und das lückenlose Behältermanagement.

RFID-Anwendungen (Radio Frequency Identification) in der Transport- und Produktionslogistik verlangen zunehmend nach hohen Lesereichweiten auch in der Nähe von Flüssigkeiten und Metallen. Dabei sollen auch Informationen über Hersteller, Inhalt, Produktionsdatum, Seriennummer und Eigentümer des Objektes jederzeit verfügbar sein. Gleichzeitig sollen aktuelle Informationen auch neu gespeichert werden können – all dies ohne direkten Sichtkontakt auf das Objekt und ohne manuelle Handhabung.

Herkömmliche, folienbasierte RFID-Transponder – so genannte „Smart Labels“ – sind hier nicht geeignet, da sie von Metallen oder Flüssigkeiten beeinflusst werden und nur geringe Lesereichweiten aufweisen. Hier werden MID-Verfahren (Molded Interconnect Devices) eingesetzt, die als dreidimensionale Antennenstrukturen realisiert werden können und als passive Transponder im UHF-Bereich eine Lesereichweite von mehr als 5 m erreichen.

Antennen in 3D-MID

Für passive RFID-Transponder im UHF-Bereich (868 MHz in Europa, 915 MHz in den USA) müssen Antennenbauformen mit Richtcharakteristik eingesetzt werden, die gegenüber leitenden Oberflächen der Objekte abgeschirmt sind. Als Bauformen kommen hier Patch-, Inverted-F- oder Dipol-Antennen mit verkürzten Dimensionen in Frage, die jeweils direkt über einem Reflektor angeordnet werden. Harting Mitronics [1] hat ausgesuchte dreidimensionale Antennenmodelle – darunter Inverted-F und Dipol mit Reflektor – daraufhin untersucht, ob sie sich zur Realisierung in MID eignen. Dazu wurden sie auch hinsichtlich ihrer Strahlungseffizienz simuliert. Anhand dieser Simulationen wurden die Einflüsse verschiedener Kunststoffparameter hinsichtlich Mittenfrequenz, elektrischer Verluste, realisierbarer Baugrößen sowie Sensibilität gegenüber Produktionstoleranzen optimiert.

Der Wirkungsgrad der Antenne setzt sich aus den ohmschen und dielektrischen Verlusten und den Verlusten aus der Impedanztransformation zwischen Antennenfußpunkt und Chip-Impedanz zusammen. Hinzu kommt die verminderte Strahlungseffizienz durch die Verkürzung auf 1/6 gegenüber der freien Wellenlänge hinzu. Mit resultierenden Antennengewinnen von über –4 dBi und einer maximalen Strahlungsleistung des Lesegerätes von 2 W ERP (in Europa) lassen sich Entfernungen von mehr als 5 m überbrücken.

Mit Hilfe von CAD-Software und Hochfrequenz-Simulationstools (CAE) können neuartige Produkte zielgerichtet entwickelt werden, die dem Anwender eine nahezu unbegrenzte Auswahl aus unterschiedlichen Varianten eröffnen, für die es bislang keine befriedigenden Lösungen gab.

Herstellverfahren

Ausgesuchte thermoplastische Kunststoffe weisen einen geringen Verlustfaktor (< 4 x 10–3) und eine Dielektrizitätskonstante von etwa 3,1 auf. Der Spritzgusskörper aus Thermoplast wird mit einer laserstrukturierten Metallisierung (Laser Direct Structuring), einem Verfahren der Firma LPKF [2], als dreidimensionales Leiterbild versehen. Das Gehäuse des RFID-Transponders dient gleichzeitig als Schaltungsträger und der RFID-Chip wird mittels des NCA-Flip-Chip-Verfahrens (NCA: Non Conductive Adhesive) kontaktiert. Da die Gehäuse mit Ultraschall-Schweißen verschlossen werden, sind Schutzarten von IP54 bis IP67 erreichbar. Mit dem MID-Verfahren lassen sich „gehäuste“ 3D-Antennen aufbauen – also Antennen- und Massestrukturen auf den Innenseiten eines spritzgegossenen Gehäuses –, die eine Anwendung in rauher Industrieumgebung ermöglichen. Dabei bietet der Kunststoff LCP (Liquid Crystal Polymer) von der Firma Ticona GmbH [3] ein Höchstmaß an Qualität, die Zuverlässigkeit ist dabei für hohe Temperaturen (derzeit 180 °C) gewährleistet. Durch die hermetisch geschlossene Bauform kann die hohe Produktlebensdauer auch bei Außenwitterung garantiert werden.

RFIDs im Einsatz

Die aufgebauten Funktionsmuster mit verschiedenen Antennenprinzipien zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Simulation. Die Funktion von passiven RFID-Transpondern im UHF-Bereich konnte nachgewiesen werden, es werden Lesereichweiten von etwa 6 m erreicht. Auch Feldversuche in der Transportlogistik verliefen erfolgreich, diese werden mit weiteren Varianten fortgesetzt. Die neue Technologie, die bei der Herstellung der RFID-Transponder bei Harting zum Einsatz kommt, gewährleistet die gleichzeitige Erfüllung der vielfältigen Anforderungen:

  • hohe Lesereichweite auf metallischen oder flüssigen Objekten,
  • passiver UHF-Transponder mit nahezu unbegrenzter Lebensdauer ohne Wartungsaufwand,
  • hohe Schutzklassen für Anwendungen in extremen Umgebungen,
  • nahezu beliebige Bauformen entsprechend den Anforderungen der Anwendung,
  • robustes Gehäuse mit vielfältigen Befestigungmöglichkeiten.