Pho­to­nik für die fle­xi­ble, ver­netzte Pro­duk­tion – Opti­sche Sen­so­rik“

Axel Deil­mann
Unter­neh­mens­be­ra­ter

1. Zuwen­dungs­weck

Das Bun­des­mi­nis­te­rium für Bil­dung und For­schung (BMBF) för­dert das The­men­feld „Pho­to­nik für die fle­xi­ble, ver­netzte Pro­duk­tion” – hier mit dem Schwer­punkt „Opti­sche Sen­so­rik” – auf der Grund­lage des Pro­gramms „Pho­to­nik For­schung Deutsch­land” www​.phở​tonik​for​schung​.de und leis­tet damit einen Bei­trag zur Umset­zung der neuen Hig­h­­tech-Stra­­te­­gie der Bun­des­re­gie­rung. Im For­­schungs- und Inno­va­ti­ons­feld „Digi­tale Wirt­schaft und Gesell­schaft“ der Hig­h­­tech-Stra­­te­­gie wird das Zukunfts­pro­jekt Indus­trie 4.0 als eine prio­ri­täre Auf­gabe iden­ti­fi­ziert. Hierzu sol­len mit einer Reihe von Maß­nah­men For­schungs­vor­ha­ben der Pho­to­nik geför­dert wer­den, die einen Bei­trag zur Bewäl­ti­gung der stei­gen­den Anfor­de­run­gen an Fle­xi­bi­li­tät, Wand­lungs­fä­hig­keit und Ver­net­zung der indus­tri­el­len Pro­duk­tion und der zuneh­men­den Ein­bin­dung von Kun­den und Geschäfts­part­nern in klas­si­sche Pro­­­du­k­­ti­ons- und Geschäfts­pro­zesse leis­ten. Den Auf­takt bil­dete die För­der­maß­nahme „Pho­to­ni­sche Pro­zeß­ket­ten“, bei der die Ein­bin­dung pho­to­ni­scher Lösun­gen in durch­gän­gige Pro­zeß­ket­ten im Fokus stand. Im Rah­men der aktu­el­len Maß­nahme sol­len Lösungs­an­sätze geför­dert wer­den, die kos­ten­güns­tige und adap­tier­bare Sys­teme zur fle­xi­blen und robus­ten opti­schen Erfas­sung und Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen im Kon­text der indus­tri­el­len Pro­duk­tion ermög­li­chen.

Eine leis­tungs­fä­hige und starke Indus­trie ist in Deutsch­land die Basis für Wachs­tum, Wohl­stand und qua­li­fi­zierte Arbeits­plätze. Qua­li­ta­tiv hoch­wer­tige und inno­va­tive Pro­dukte bil­den heute den Kern der deut­schen Export­stärke.

Die hohe Dyna­mik der glo­ba­li­sier­ten Märkte und die immer schnel­le­ren Inno­va­ti­ons­zy­klen stel­len jedoch auch eta­blierte und über lange Jahre erfolg­rei­che Pro­du­zen­ten per­ma­nent vor neue Her­aus­for­de­run­gen. Die Anzahl an Akteu­ren, die tech­no­lo­gisch anspruchs­volle Pro­dukte kon­zi­pie­ren und anbie­ten kön­nen, steigt bestän­dig an. Dies ver­schärft einer­seits die Wett­be­werbs­si­tua­tion in nahezu allen Tech­no­lo­gie­märk­ten, ande­rer­seits eröff­net es aber auch ein enor­mes Poten­tial, Pro­duk­tion durch fle­xi­ble Fer­ti­gung an unter­schied­li­chen Stand­or­ten effi­zi­en­ter zu gestal­ten.

Es gilt, die­sen Her­aus­for­de­run­gen auf viel­fäl­tige Art und Weise zu begeg­nen. Zum einen muß die Pro­duk­tion schnel­ler und kos­ten­ef­fi­zi­en­ter erfol­gen, zum ande­ren müs­sen auch die Kun­den­be­dürf­nisse immer paß­ge­nauer erfüllt wer­den, was letzt­lich in der For­de­rung nach einer Mas­sen­fer­ti­gung von Uni­ka­ten, also einer Kom­ple­xi­täts­stei­ge­rung der Pro­duk­ti­ons­pro­zesse mün­det. Dies ist jedoch nur dann mög­lich, wenn sowohl die Maschine, wie auch der Mensch eine der­art hoch­fle­xi­ble Fer­ti­gung effi­zi­ent umset­zen kön­nen.

Für die opti­schen Tech­no­lo­gien erwächst aus die­ser Pro­blem­kon­stel­la­tion die For­de­rung, Sys­teme zu ent­wi­ckeln und bereit­zu­stel­len, die sowohl die Fle­xi­bi­li­tät und Auto­no­mie der Pro­duk­ti­ons­ma­schi­nen und ‑netz­werke, als auch das Zusam­men­wir­ken zwi­schen Mensch und Maschine sowie zwi­schen ver­teil­ten Pro­duk­ti­ons­stand­or­ten im Rah­men der Indus­trie 4.0 ent­schei­dend ver­bes­sern.

Immer dyna­mi­schere Wert­schöp­fungs­netz­werke, häu­fige Pro­dukt­wech­sel und die Fer­ti­gung gerin­ger Stück­zah­len erfor­dern kurze Ein­fahr­zei­ten für neue Pro­zesse und das schnelle Errei­chen einer hohen Pro­zeß­sta­bi­li­tät. Die schnelle und ver­läß­li­che Lie­fe­rung auch kleins­ter Stück­zah­len nach exak­ten Kun­den­vor­ga­ben wird von emi­nen­ter Bedeu­tung sein und bedarf der Befä­hi­gung zur deter­mi­nis­ti­schen Pro­duk­tion allein auf Grund­lage elek­tro­ni­scher Ent­würfe. Voraus­setzung einer dafür not­wen­di­gen intel­li­gen­ten, gege­be­nen­falls echt­zeit­fä­hi­gen Rege­lung der Pro­zess­pa­ra­me­ter sind geeig­nete Sen­so­ren und Meß­sys­teme zur Erfas­sung aller rele­van­ten Infor­ma­tio­nen – sowohl beim Ein­fah­ren als auch im Nor­mal­be­trieb.

Die berüh­rungs­los arbei­ten­den Lösungs­an­sätze der Pho­to­nik eig­nen sich in beson­de­rer Weise zur fle­xi­blen und ein­fach adap­tier­ba­ren Erfas­sung von Infor­ma­tio­nen über kom­plexe Zustände und Umge­bun­gen in Echt­zeit. Pho­to­ni­sche Sen­so­rik ist kom­pakt und somit gut in Maschi­nen­kon­zepte inte­grier­bar. Außer­dem ermög­li­chen inte­grierte Opti­ken mit Chip und Daten­ana­lyse on Board geringe Her­stel­lungs­kos­ten.

Das Poten­tial der opti­schen Sen­so­rik – auf­set­zend auf dem Stand der Tech­nik – für den Ein­satz in fle­xi­blen und wand­lungs­fä­hi­gen Pro­duk­ti­ons­um­ge­bun­gen mit gege­be­nen­falls selbst­ad­ap­tie­ren­den und zumin­dest teil­au­to­no­men Maschi­nen für die Indus­trie 4.0 zu erschlie­ßen, ist das Ziel die­ser För­der­maß­nahme.

Gleich­zei­tig soll auch die visu­elle Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen für eine intui­tive Anrei­che­rung der Umge­bungs­wahr­neh­mung im indus­tri­el­len Umfeld mit zusätz­li­chen Infor­ma­tio­nen wei­ter voran getrie­ben wer­den, womit es dem Fach­ar­bei­ter mög­lich wird, auch sehr unter­schied­li­che, gege­be­nen­falls sel­tene Tätig­kei­ten ohne auf­wen­di­ges Trai­ning in enger Koope­ra­tion mit der Pro­duk­ti­ons­ma­schi­nen schnell und effi­zi­ent durch­zu­füh­ren.

In der fle­xi­blen und ver­netz­ten Pro­duk­tion fällt der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung, sowohl hin­sicht­lich der Hard­ware, als auch in beson­de­rem Maße der Soft­ware, eine wesent­li­che Bedeu­tung zu, so dass die­ser Aspekt zu berück­sich­ti­gen ist. Ent­spre­chende Koope­ra­tio­nen zur ganz­heit­li­chen Betrach­tung des Sys­tems aus opti­schem Sen­sor und der zuge­hö­ri­gen Daten­ver­ar­bei­tung sol­len unter­stützt und wei­ter aus­ge­baut wer­den. Dabei ist die Anschluß­fä­hig­keit von Soft­ware und Daten­struk­tur an indus­tri­elle Stan­dards bzw. eta­blierte Sys­teme zu beach­ten.

Das BMBF will mit der För­der­maß­nahme koope­ra­tive, vor­wett­be­werb­li­che Ver­bund­pro­jekte unter indus­tri­el­ler Füh­rung unter­stüt­zen, die zu völ­lig neuen oder wesent­lich ver­bes­ser­ten tech­ni­schen Lösun­gen im Bereich der pho­to­ni­schen Erfas­sung und Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen füh­ren und ein gro­ßes Markt­po­ten­tial auf­wei­sen. Kenn­zei­chen der Pro­jekte sind ein hohes Risiko und eine beson­dere Kom­ple­xi­tät der For­schungs­auf­gabe. Für eine Lösung sind in der Regel inter- und mul­ti­dis­zi­pli­nä­res Vor­ge­hen und eine enge Zusam­men­ar­beit von Unter­neh­men, Hoch­schu­len und außer­uni­ver­si­tä­ren For­schungs­ein­rich­tun­gen erfor­der­lich. Vor­ha­ben sol­len ent­lang der Wert­schöp­fungs­kette struk­tu­riert sein. Die Ver­bund­struk­tur soll ins­be­son­dere die not­wen­dige Zusam­men­ar­beit zwi­schen Tech­no­lo­gie­ent­wick­lern und Anwen­dern bzw. Sys­tem­in­te­gra­to­ren wider­spie­geln und einen Bei­trag zur För­de­rung der Zusam­men­ar­beit sowohl ­unter­ein­an­der wie mit Anwen­dern aus ver­schie­de­nen Bran­chen leis­ten.

Die För­der­maß­nahme zielt auf Inno­va­tion und Wachs­tum in Deutsch­land. Der inlän­di­schen Ver­wer­tung der Pro­jekt­er­geb­nisse kommt daher beson­dere Bedeu­tung zu. Da Inno­­va­­ti­ons- und Beschäf­ti­gungs­im­pulse gerade auch von Unter­neh­mens­grün­dun­gen aus­ge­hen, sind sol­che Grün­dun­gen im Anschluß an die Pro­jekt­för­de­rung des BMBF ­erwünscht. Der Hig­h­­tech-Grün­­der­­fonds der Bun­des­re­gie­rung bie­tet hierzu Unter­stüt­zung an. Wei­tere Infor­ma­tio­nen fin­den sich unter www​.high​-tech​-gru​en​der​fonds​.de.

2. Gegen­stand der För­de­rung

Im Zen­trum die­ser För­der­maß­nahme ste­hen For­schungs­ar­bei­ten, die Lösungs­an­sätze für kos­ten­güns­tige und adap­tier­bare Sys­teme zur fle­xi­blen und robus­ten opti­schen Erfas­sung und Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen im Kon­text der indus­tri­el­len Pro­duk­tion ver­fol­gen. Das Spek­trum reicht dabei von der bild­ba­sier­ten Erfas­sung von Umgebungs‑, Pro­­­zeß- und Pro­dukt­in­for­ma­tio­nen (Maschine Vision) über selbst­or­ga­ni­sie­rende opti­sche Sen­sor­netz­werke bis hin zur kon­text­ba­sier­ten Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen mit­tels mul­ti­moda­ler Assis­tenz­sys­teme. Beson­de­res Augen­merk ist bei den ver­folg­ten Lösungs­an­sät­zen auch auf die Anschluß­fä­hig­keit von Soft­ware und Daten­struk­tur an indus­tri­elle Stan­dards bzw. eta­blierte Sys­teme zu rich­ten, um Insel­lö­sun­gen zu ver­mei­den.

Hand­lungs­be­darf wird ins­be­son­dere in fol­gen­den Berei­chen gese­hen:

Neue Kon­zepte für kom­pakte, maschi­nen­in­te­grier­bare, robuste und – soweit erfor­der­lich – ener­gie­au­to­nome opti­sche Sen­so­ren, neue opti­sche und hybri­d­op­ti­sche Funk­ti­ons­prin­zi­pien für Sen­­sor- und meß­tech­ni­sche Anwen­dun­gen mit Ziel­stel­lung einer Pro­­­zeß- bzw. Anla­gen­in­te­grier­bar­keit, Reduk­tion der anfal­len­den Daten­menge und Beschleu­ni­gung der Daten­aus­wer­tung (Ver­rin­ge­rung von Latenz­zei­ten) u. a. durch inte­grierte Sen­sor­kon­zepte und pro­ble­man­gepaßte Daten­ver­ar­bei­tungs­hier­ar­chien, selbst­kon­fi­gu­rie­rende, stan­dar­di­sierte opti­sche Sensoren/​​Sensornetzwerke für Plug & Pro­duce, adap­tive und gege­be­nen­falls frei kon­fi­gu­rier­bare Sen­­sor-Arrays mit der Ver­wen­dungs­mög­lich­keit in unter­schied­lichs­ten Anwen­dungs­be­rei­chen, sys­te­mi­sche Betrach­tung von Sen­sor, Aus­wer­te­ein­heit ein­schließ­lich Daten­ver­ar­bei­tung und Anla­gen­steue­rung bzw. Akto­rik mit dem Ziel selbst­ad­ap­tie­ren­der oder selbst­ler­nen­der Sen­so­ren der adap­ti­ven Bereit­stel­lung von Infor­ma­tio­nen des Auf­baus von umfang­rei­chen Daten­ban­ken aus Pro­zeß­pa­ra­me­tern, Maschi­nen­zu­stän­den und Pro­duk­t­ei­gen­schaf­ten Wei­ter­ent­wick­lung opti­scher Off­­line-Meß­­tech­­ni­­ken für den Inline-Ein­­satz, inno­va­tive Kon­zepte für opti­sche Sen­so­ren mit redu­zier­ter Latenz und Echt­zeit­fä­hig­keit, Erwei­te­rung des Funk­ti­ons­raums eines Sen­sors oder Sen­­sor-Arrays durch intel­li­gente Beleuch­tung und/​​oder Daten­aus­wer­tung, modu­lare Kom­bi­na­tion ver­schie­de­ner Sen­sor­da­ten (mul­ti­modal mit Ein­be­zie­hung opti­scher Sen­so­rik) und deren Ergeb­nis­aus­wer­tung durch selbst­ad­ap­tie­rende oder selbst­ler­nende Algo­rith­men, 3D-Vision zur robus­ten Erfas­sung kom­ple­xer Bau­teile oder Umge­bun­gen, Ein­bin­dung der visu­el­len Infor­ma­ti­ons­dar­stel­lung in kon­text­ba­sierte mul­ti­modale Assis­tenz­sys­teme, opti­sche Leit- und Sicher­heits­sys­teme für Robo­ter, spe­zi­ell im koope­ra­ti­ven Arbeits­um­feld zur siche­ren Erken­nung von Men­schen und Anti­zi­pa­tion ihrer Bewe­gun­gen. Diese Auf­zäh­lung ist nicht voll­stän­dig und nur bei­spiel­haft zu ver­ste­hen.

Aus­ge­hend von Inno­va­tio­nen im Bereich der opti­schen Sen­so­rik kön­nen auch Arbei­ten zu dar­auf basie­ren­den neu­ar­ti­gen oder ver­bes­ser­ten Pro­zeß­ket­ten geför­dert wer­den. Der Schwer­punkt der Inno­va­tion soll dabei bei der opti­schen ­Sen­so­rik und deren Nut­zung lie­gen. Die allei­nige Betrach­tung ein­zel­ner Pro­zeß­schritte ist hier nicht zur För­de­rung vor­ge­se­hen.

Cha­rak­te­ris­tisch für alle Vor­ha­ben soll sein, dass sie auf einer ganz­heit­li­chen Betrach­tung der Infor­ma­ti­ons­er­fas­sung oder Bereit­stel­lung im direk­ten Kon­text der fle­xi­blen, ver­netz­ten Pro­duk­tion beru­hen. Dies erfor­dert in der Regel die aktive Ein­bin­dung eines ent­spre­chen­den Sys­tem­in­te­gra­tors oder eines Anwen­ders aus dem Bereich pro­du­zie­ren­der Unter­neh­men.

3. Zuwen­dungs­emp­fän­ger

Antrags­be­rech­tigt sind Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft, die zum Zeit­punkt der Zuwen­dungs­be­wil­li­gung ­einen Sitz in Deutsch­land haben, Hoch­schu­len und außer­uni­ver­si­täre For­schungs­ein­rich­tun­gen. For­schungs­ein­rich­tun­gen, die von Bund und/​​oder Län­dern grund­fi­nan­ziert wer­den, kann neben ihrer insti­tu­tio­nel­len För­de­rung nur unter bestimm­ten Vor­aus­set­zun­gen eine Pro­jekt­för­de­rung für ihre zusätz­li­chen pro­jekt­be­ding­ten Aus­ga­ben bezie­hungs­weise Kos­ten bewil­ligt wer­den.

Die Betei­li­gung klei­ner und mitt­le­rer Unter­neh­men (KMU) ist aus­drück­lich erwünscht und führt bei der Pro­jekt­be­gut­ach­tung zur Auf­wer­tung.

4. Zuwen­dungs­vor­aus­set­zun­gen

Vor­aus­set­zung für die För­de­rung ist das Zusam­men­wir­ken meh­re­rer unab­hän­gi­ger Part­ner zur Lösung gemein­sa­mer F&E‑Aufgaben (Ver­bund­pro­jekte). Eine För­de­rung von Ein­zel­vor­ha­ben ist nicht beab­sich­tigt.

Die Vor­ha­ben soll­ten ent­lang der Wert­schöp­fungs­kette struk­tu­riert sein, dem­entspre­chend sol­len alle Part­ner ein­be­zo­gen wer­den, die für eine Ver­wer­tung der Pro­jekt­er­geb­nisse erfor­der­lich sind.

Die Part­ner eines Ver­bund­pro­jekts regeln ihre Zusam­men­ar­beit in einer schrift­li­chen Koope­ra­ti­ons­ver­ein­ba­rung. Vor der För­der­ent­schei­dung über ein Ver­bund­pro­jekt muß eine grund­sätz­li­che Über­ein­kunft über bestimmte vom BMBF vor­ge­ge­bene Kri­te­rien nach­ge­wie­sen wer­den.

Antrag­stel­ler sol­len sich, auch im eige­nen Inter­esse, mit dem EU-Rah­­men­­pro­­gramm für For­schung und Inno­va­tion ver­traut machen und prü­fen, ob das beab­sich­tigte Vor­ha­ben spe­zi­fi­sche euro­päi­sche Kom­po­nen­ten auf­weist und damit eine aus­schließ­li­che oder ergän­zende EU-För­­de­­rung mög­lich ist. Das Ergeb­nis die­ser Prü­fung soll im Antrag auf ­natio­nale För­der­mit­tel kurz dar­ge­stellt wer­den.

5. Art und Umfang, Höhe der Zuwen­dung

Zuwen­dun­gen kön­nen im Wege der Pro­jekt­för­de­rung als nicht rück­zahl­bare Zuschüsse gewährt wer­den. Bemes­sungs­grund­lage für Zuwen­dun­gen an Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft sind die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Kos­ten, die in der Regel – je nach Anwen­dungs­nähe des Vor­ha­bens – bis zu 50 % anteil­fi­nan­ziert wer­den kön­nen. Nach BMBF-Grun­d­­sä­t­­zen wird eine ange­mes­sene Eigen­be­tei­li­gung – grund­sätz­lich min­des­tens 50 % der ent­ste­hen­den zuwen­dungs­fä­hi­gen Kos­ten – vor­aus­ge­setzt.

Bemes­sungs­grund­lage für Hoch­schu­len, For­­schungs- und Wis­sen­schafts­ein­rich­tun­gen und ver­gleich­bare Insti­tu­tio­nen sind die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Aus­ga­ben (bei Hel­m­holtz-Zen­­tren – HZ – und der Fraun­­ho­­fer-Gesel­l­­schaft – FhG – die zuwen­dungs­fä­hi­gen pro­jekt­be­zo­ge­nen Kos­ten), die indi­vi­du­ell bis zu 100 % geför­dert wer­den ­kön­nen. Bei For­schungs­vor­ha­ben an Hoch­schu­len wird zusätz­lich zu den zuwen­dungs­fä­hi­gen Aus­ga­ben eine Pro­jekt­pau­schale in Höhe von 20 % gewährt.

Es wird erwar­tet, dass sich Unter­neh­men der gewerb­li­chen Wirt­schaft im Hin­blick auf die Umset­zungs­nähe ent­spre­chend ihrer Leis­tungs­fä­hig­keit an den Auf­wen­dun­gen der Hoch­schu­len und öffent­lich finan­zier­ten For­schungs­ein­rich­tun­gen ange­mes­sen betei­li­gen, sofern letz­tere als Ver­bund­part­ner mit­wir­ken. Als ange­mes­sen gilt, wenn in Summe über den Ver­bund eine Eigen­be­tei­li­gung der Ver­bund­part­ner in Höhe von min­des­tens 50 % an den Gesam­t­­kos­­ten/-aus­­­ga­­ben des Ver­bund­pro­jekts erreicht wird. Im Ein­zel­fall kann bei beson­ders star­ker KMU-Ein­­bin­­dung auch eine ent­spre­chende Eigen­be­tei­li­gung von in Summe 40 % als ange­mes­sen bewer­tet wer­den. Bei der Berech­nung die­ser Ver­bund­för­der­quote von maxi­mal 50 % (bzw. im Ein­zel­fall 60 %) sind Boni für KMU sowie in den Auf­wen­dun­gen von Hoch­schu­len ent­hal­tene Pro­jekt­pau­scha­len nicht zu berück­sich­ti­gen; diese wer­den zusätz­lich gewährt.

Deil­mann Busi­ness Con­sul­ting ist lang­jäh­rig auf die För­der­mit­tel­be­ra­tung von KMU spe­zia­li­siert. Wir haben bereits zahl­rei­che Pro­jekte mit Finan­zie­rungs­för­de­run­gen und Zuschüs­sen erfolg­reich beglei­tet. Durch unsere bun­des­weit sehr gute Ver­net­zung mit den För­der­insti­tu­tio­nen und unsere Erfah­rung in den Bean­tra­gungs­pro­zes­sen zeich­nen wir uns durch eine pro­fes­sio­nelle Ana­lyse, eine aus­ge­feilte Kon­zep­tion und eine erfolg­rei­che Antrag­stel­lung in der För­der­be­ra­tung aus.

Unternehmensberatung aus Essen: Axel Deilmann

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