Integration von Mechanik und Elektronik
Die Integration von Mechanik und Elektronik ist ein wichtiger Bestandteil mechatronischer Systeme. Ziel hierbei ist es, eine hohe Dichte mechanischer, wie auch elektronischer Funktionsträger auf kleinem Bauraum zu erreichen. Das wesentliche Potential der Integration liegt in der Miniaturisierung, den geringeren Herstellkosten und der höheren Zuverlässigkeit. Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) steht hier im Vordergrund. Aus der räumlichen Integration von mechanischen und elektronischen Funktionsträgern resultieren starke Wechselwirkungen innerhalb einer Baugruppe. Beispielsweise können Wärmeentwicklung oder elektromagnetische Strahlung die Funktionsfähigkeit beeinflussen. Zudem ist die Entwicklung durch die starken wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen Produkt und dem dazugehörigen Produktionssystem geprägt. Die Restriktionen der Fertigungstechnologien weisen einen erheblichen Einfluss auf das Produktkonzept auf. Umgekehrt schränken die Anforderungen des Produktkonzepts die Auswahl an einsetzbaren Fertigungstechnologien stark ein. Daher sind Produkt und Produktionssystem parallel und integrativ zu entwickeln [GF06], [Pei08]. Ein Innovationstreiber in diesem Bereich ist die Technologie MID (Molded Interconnect Devices).
Mechatronische Systeme dieser Klasse bestehen meist aus einem Gehäuse, einem Schaltungsträger inklusive elektronischer Bauteile sowie elektronischen und mechanischen Schnittstellen. Das untere Bild zeigt die Grundstruktur einer mechanisch-elektronischen Baugruppe.
- Bild 1: Grundsätzliche Struktur eines mechatronischen Systems [Pei08]
Das Gehäuse dient als Tragstruktur für die enthaltenen Bauteile und schützt diese vor Umwelteinflüssen. Auf dem Schaltungsträger sind die elektronischen Bauteile befestigt und miteinander verbunden. Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) sorgt für eine stabile mechanische Befestigung und für die elektronische Kontaktierung. Die elektronischen Bauteile dienen der Informationsverarbeitung. Elektronische und mechanische Schnittstellen stellen die Verbindung zu Nachbarbaugruppen her. Flussbeziehungen verknüpfen die elektronischen und mechanischen Bauteile. Grundsätzlich sind drei Arten von Flüssen zu unterscheiden: Stoffflüsse, Energieflüsse und Informationsflüsse [PB07], wobei die Informationsflüsse häufig auch als Signalflüsse bezeichnet werden.
Stofffluss: Stoffflüsse beziehen sich auf den Transport von Gasen, Flüssigkeiten oder festen Körpern. Die Kühlung von elektronischen Bauteilen durch Luftzufuhr stellt beispielsweise einen Stofffluss dar.
Energiefluss: Unter Energie ist in diesem Zusammenhang jede Energieform zu verstehen, wie z.B. mechanische, thermische oder elektrische Energie, aber auch Größen wie z.B. Kraft oder Strom.
Informationsfluss: Informationen, die zwischen den elektronischen Bauteilen ausgetauscht werden, sind bspw. Messgrößen, Steuerimpulse oder Daten. Die Informationsübertragung kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen [Con01].
Mechanisch-elekronische Baugruppen sind insbesondere über Informationsflüsse verknüpft. Über Schnittstellen empfängt die Baugruppe Eingangsinformationen und leitet Ausgangsinformationen an andere Baugruppen weiter. Innerhalb der Baugruppe übernimmt die Elektronik die Informationsverarbeitung. Daneben sind Energieflüsse zu berücksichtigen. Stoffflüsse sind eher unbedeutend.
Ein repräsentatives Beispiel für die erste Klasse mechatronischer Systeme ist der am Heinz Nixdorf Institut entwickelte Miniaturroboter (Bild 2). Das Gehäuse des Miniaturroboters ist als MID-Bauteil realisiert. Es integriert mechanische und elektronische Komponenten. Die Leiterbahnen überziehen die Innenseite des Gehäuses und bilden mit den Bauteilen eine komplexe dreidimensionale Schaltung.
- Bild 2: Basismodul des Miniaturroboters (links) und bestücktes MID-Gehäuse mit inte-griertem Leiterbahnlayout (rechts)
Literatur
| [Gau10] | GAUSEMEIER, J.: Frühzeitige Zuverlässigkeitsanalyse mechatronischer Systeme. Carl Hanser Verlag, München, 2010 |
| [GF06] | GAUSEMEIER, J.; FELDMANN, K.: Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen. Carl Hanser Verlag, München, 2006 |
| [Pei08] | PEITZ, T.: Methodik zur Produktoptimierung mechanisch elektronischer Baugruppen durch die Technologie MID (Molded Interconnect Devices). Dissertation am Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 221, Paderborn, 2008 |
| [PB07] | PAHL, G.; BEITZ, W.: Konstruktionslehre – Methoden und Anwendung. 7. Auflage. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2007 |
| [Con01] | CONRADS, D.: Telekommunikation – Grundlagen, Verfahren, Netze. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2001 |
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