Ziel der Entwicklung

Hauptziel des Vorhabens war die Entwicklung von Antennenkombinationen, mit welchen ein zukünftiger Betrieb von SAW (Surface Acoustic Wave)-Transpondern in sowohl groß- als auch kleinvolumigen Anlagen mit dynamischen dielektrischen Prozessbedingungen ermöglicht werden soll. Die Entwicklung sollte den insbesondere auch durch Industrie 4.0 getriebenen Trend einer steigenden Losgrößen-variabilität bei kürzeren Abrufzeiten und der daraus resultierenden immer stärkeren Verbreitung kleinerer Beschichtungsanlagen berücksichtigen. Hier setzt der Einsatz 433 MHz-basierter Lösungen technische Grenzen, da die erforderliche Antennengröße den verfügbaren Bauraum übersteigt. Es wurden deshalb Lösungen mittels thermisch sensitiver 2,45 GHz SAW-Transpondertechnologie angestrebt. Im Gegensatz zu den 433 MHz-Technologien können die Antennen in deutlich kompakterer Bauform ausgeführt und damit leichter integriert werden. Der Arbeitsplan sah diesbezüglich vor, entsprechende 2,45 GHz-Antennenlösungen zu entwickeln. Hierbei stellten sich jedoch wesentliche technische Fragen, die innerhalb der Projektarbeit zu lösen waren: Signalverhalten unter dynamischen dielektrischen Bedingungen von Plasmaumgebungen im
angestrebten Frequenzbereich; Bestimmung des Signalrauschabstandes unter Plasmabedingungen; Auswirkung der elektrischen Ladung des Plasmas auf gewählte Antennenkonzepte; Auswirkung der Beschichtungsvorgänge auf die gewählten Antennenkonzepte sowie die Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen; Auswirkung der Kontaktierungs- und Wärmeausgleichsprobleme der elektrischen Anschlusseinheit auf das Signalverhalten.
Unter Berücksichtigung der Einsatzrestriktionen für die vorliegende Anwendung muss das Antennensystem folgende Forderungen erfüllen: Funktions- und überlebenssichere Aufbau- und Verbindungstechnik für das Antennensystem unter Prozessbedingungen; drahtlose Übertragung von Telemetrie-Daten aus bzw. durch die Prozesszone; Diagnosevorrichtung zur Beurteilung der Funktionssicherheit des Antennensystems im Prozesszyklus; Frequenzsicherer Betrieb des Antennensystems über den gesamten Prozesszyklus.
Die anspruchsvollen, deutlich über den aktuellen Wissens- und Applikationsstand hinausgehenden wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des FuE-Projektes sind zusammengefasst: Integration eines langzeitstabilen Antennensystems in eine DLC-Plasmaanlage; Entwicklung von plasmaprozesstransparenten Antennenkomponenten; Entwicklung von frequenzstabilen Antennenkonzepten für den gewählten Frequenzbereich; Entwicklung von frequenzdriftkompensierenden Antennenstrukturen; Entwicklung von hochtemperatur- und vakuumtauglicher Aufbau- und Verbindungstechnik; Technologieentwicklungen zum Herstellen, Bearbeiten und Fügen der Komponenten der Antennenkonfiguration, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie von langzeitstabilen Prozessraumwandungsdurchführungen; Verfahrensentwicklungen zur Nutzung robuster SAW-sensorrelevanter Funktelemetrie-
Betriebsverfahren; Untersuchung des Einflusses von Temperaturgradienten, EM-Belastungen, Vibrationen auf die Frequenztauglichkeit der hochtemperaturrelevanten elektrischen Anschlusstechnik.

Vorteile und Lösungen

Das Antennensystem wurde als niedrigbauende spezielle Ausführungsform einer Patch-Antenne (Platten-Antenne) als erweiterte F-Antenne mit einseitig geerdeten Emitterblechen realisiert. Die metallischen Komponenten der Antennenfläche und das koaxialen Anschlussrohrsystems wurden aus Hartkupfer erstellt, welches eine hohe thermische Stabilität und elektrochemische Beständigkeit in der Vakuum-Plasma-Umgebung aufweist. Die notwendigen keramischen Komponenten wurden aus elektrisch nichtleitender offenporiger Metalloxidkeramik erstellt. Die genutzte Aluminium-Oxidkeramik hat sich als sehr widerstandsfähig gegen die thermischen und barometrischen Wechselzyklen gezeigt. Insgesamt konnte eine konstruktive Lösung gefunden werden, die es ermöglicht, den koaxialen Antennenanschluss als tragendes Element sowohl für die Antennenemitter als auch die Keramikschutzhausung zu nutzen. Da die elektromagnetischen Betriebsverhältnisse je nach Anlagentyp unterschiedlich sind, ist die erstellte Lösung als Baukastensystem zu sehen, das in jeweils spezifischer Applikationen fertig justiert werden muss. Die signaltechnischen Parameter konnten erfolgreich realisiert werden, so dass eine prinzipielle Signalträger-Kopplung von einer Antenne zur anderen Antenne im Frequenzbereich 2,45 GHz unter Plasmabetrieb möglich ist. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Funkbetrieb innerhalb des plasmabelasteten Prozessraumes möglich ist. Hierbei sind jedoch die relativ hohen Signalverluste zu berücksichtigen. Die problematischen Reflexionsverhältnisse innerhalb des Gesamt-Funkbetriebsraumes führen dazu, dass eine reine Erhöhung des Sendepegels keine relevanten Verbesserungen in der Empfangsqualität bringt. Durch Resonanzen und Interferenzen ersteht ein hohes Hintergrundrauschen. Ein Telemetriebetrieb im 2,45 GHz Bereich durch das Prozessplasma ist möglich. Die starken Datenkopierungen und geringen Abstände der Betriebsfunkbänder aus der normalen Betriebsumgebung sind nicht sicher nutzbar. Gleichzeitiger Sendebetrieb mehrerer Teilnehmer ist zu vermeiden. Die Komprimierung des Übertragungssignals ist in Abhängigkeit der Plasmabelastung anzupassen. Die dynamische Dielektrizität in Verbindung mit Reflexionen und Interferenzen im Funkbetriebsraum führt zu einer negativen Beeinflussung der empfangbaren Signalflanken, was bei den Auswertungen zu beachten ist. Positiv für die Signalauswertung ist, dass der Störhintergrund in dem abgeschlossen Funkbetriebsraum zeitlich und frequenz-technisch charakterisierbar ist und die Nutzsignale in Zeit und Struktur bekannt sind. Dieser Umstand erleichtert die Entwicklung passender dynamische Störfilter für verschiedene Plasmaprozesszustände.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppe für die wirtschaftliche Verwertung sind insbesondere Fertiger und Betreiber von Thermoprozessanlagen im Mittelpunkt. Die Fähigkeit, eine Infrastruktur für drahtlose Sensorsysteme in Anlagen zu integrieren, stellt einen deutlichen Wettbewerbsvorteil dar. Die steigenden Anforderungen in Bezug auf das produkt- und fertigungsprozessbezogene Qualitäts- und Dokumentenmanagement ist hierbei eine der Triebfedern für den verstärkten Einsatz von Sensoren im direkten Fertigungsprozess. Die Erhöhung der Prozesstransparenz ermöglicht neben der umfassenden Dokumentation der Qualitätsparameter neue und hoch dynamische Konzepte zur Prozess- und Anlagensteuerung. Hierdurch kann die Herstellung kundenspezifischer Bauteilbeschichtungen in ihrer Prozessabfolge gezielt dokumentiert und Prozesse kundenindividuell geregelt werden. Diese Fähigkeiten stellen eine zunehmende Grundvoraussetzung für die Teilnahme an den Märkten für Volumenzulieferer dar. Im klassischen Oberflächenbeschichtungsmarkt wächst der Kosten- und Zeitdruck vehement. Das führt dazu, dass auch hier die „Produktion auf Vorrat“ sich immer stärker zu einer Just in Time Fertigung mit häufig wechselnden Bauteiltypen wandelt. Hier können über die Integration einer bauteilnahen Temperaturmesstechnik und daraus resultierenden Energieeinsparungen mittels optimierter Prozessführung Alleinstellungsmerkmale erschlossen werden. Weiterhin können Einfahrprozesse drastisch verkürzt werden. In Bezug auf die Erweiterung des Anwendungsspektrums der Oberflächenbeschichtung, speziell im High-End-Bereich, ermöglicht eine eng tolerierte Prozessführung die Erschließung neuer Anwendungen für immer neuartigere und kostengünstigere Grundmaterialien. Das erstmalige Verfügbarmachen einer entsprechenden drahtlosen In Prozess-Sensorlösung erhöht drastisch die Markteintrittschancen. Konkrete Funktionalitäten und Parameter sind diesbezüglich:
Prozesssichere Oberflächenbeschichtungen in engen Toleranzfeldern; Oberflächen-Schicht-Wachstum steuer- und regelbar, um definierte Schichtfolgen mit neuartigen qualitativen Eigenschaften zu ermöglichen; mind. 15 Prozent Energieeinsparung, die je Bauteilapplikation erforderliche Einfahr- und Prüfprozesse um mind. 60 Prozent reduziert.

Wirtschaftliche Effekte aus den entwickelten technischen Lösungen ergeben sich hinsichtlich mehrerer Punkte. Es ergeben sich deutliche wirtschaftliche Effekte bei den Anlagenanwendern selbst im Rahmen von Energieeinsparungen und einer drastischen Verkürzung von Einfahrphasen inklusive notwendiger Prüfaufwände.
Die FuE-Ergebnisse werden somit in folgenden Bereichen verwertet:
Verwertung der Projektergebnisse in Drittunternehmen (Entwickler und Hersteller von Beschichtungsanlagen sowie Anlagenanwender und Lohnbeschichter); Erstellung von Komplettangeboten für Anlagen, bestehend aus der finalen Form der sensitiven Transponder (drahtlose Sensoren), der im Projekt entwickelten Antennentechnik einschl. Daten-Telemetrie-System und Auswerteeinheit. Hierfür wird ein Kooperationsverbund aus Anbietern von Messtechnik, Beschichtungsanlagenbauern sowie Beschichtungsunternehmen etabliert; Resultierende wirtschaftliche Effekte bei Lohnbeschichtern durch Senkung des Energieverbrauchs und Reduzierung von Einfahrzyklen sowie dem Einsatz kostengünstigerer Grundwerkstoffe.