Die Digitale Fabrik – Transponder
Schlaue Etiketten steuern Fabriken
Transponder haben sich zu einem wichtigen Steuerelement von Logistikketten und Produktionsprozessen gemausert. Sie speichern individuelle Wareninformationen und versenden die Daten per Mini-Antenne. Damit regieren sie ganze Fertigungsstraßen und geben Industrierobotern den Takt vor.
Elektronische Etiketten, die Transponder, dienen dazu, Waren aller Art zu identifizieren, Produktions- oder sonstige Daten zu speichern und den Weg von Gütern zu verfolgen. Gelingt es zudem, sie kostengünstig als Kunststoff-Folien zu drucken (Bild), könnten wir ihnen bald in jedem Supermarkt begegnen
Klimaanlage, Ledersitze oder getönte Scheiben – obwohl Autos in Serie hergestellt werden, gleicht kaum ein Fahrzeug dem anderen. Für die Hersteller erhöht sich dadurch der Aufwand für die Produktionsplanung enorm, denn bei jedem Fahrzeug müssen spezielle Kundenwünsche berücksichtigt werden – bis zu mehrere tausend Mal am Tag. Wer jedoch glaubt, dass bei dieser Datenmenge allein ein Großrechner den Überblick behalten kann, der irrt. Heute tragen winzige elektronische Etiketten dazu bei, komplexe Prozesse zu steuern – so genannte Transponder, die ihre Daten per Mini-Antenne übermitteln.
Im spanischen Opel-Werk Figueruelas etwa koordiniert zwar ein übergeordnetes Software-System die Produktion, dennoch weiß jedes Fahrzeug selbst, was zu tun ist – dank des Transponders, in dem die individuellen Daten auf einem Chip gespeichert sind. MOBY I heißt das System, das aus dem streichholzschachtelgroßen Transponder, einem Schreib-Lese-Gerät und einem Modul zur Datenübertragung besteht. Bevor das erste Blech eines neuen Fahrzeugs seine Reise durch die Fabrik beginnt, wird der Transponder, der sich am Transportschlitten der Karosserie befindet, mit den individuellen Produktionsdaten des Autos beschrieben. So bleibt das Fahrzeug jederzeit individuell erkennbar – und teilt mit, ob ein Sitz mit Leder- oder Stoffbespannung eingebaut werden soll. Der Transponder übermittelt seine Daten an jeder Station an die Fertigungsroboter.
Der MOBY-Transponder zählt zu den so genannten RFID-Systemen, Identifikations-Geräte mit Radiofrequenz-Kommunikation. Dabei werden die Daten per Funk übertragen, was gegenüber den altgedienten Barcodes große Vorteile hat. Transponder speichern wesentlich mehr Information und lassen sich ohne Sichtkontakt und aus jedem Winkel ablesen, selbst dann noch, wenn sie verschmutzt oder ihre Hüllen zerkratzt sind. "Entscheidend ist aber", sagt Heinrich Stricker, Leiter Business-Development für die Identifikationssysteme MOBY bei Siemens, "dass die MOBY-Transponder wiederbeschreibbar sind." Besonders wichtig sei das für die Qualitätssicherung und die Produktionsüberwachung. So lassen sich nach jedem Arbeitsschritt Kontroll- und Fertigungsdaten auf den Transponder schreiben. Auf diese Weise entsteht eine lückenlose Produkthistorie.
Die Einsatzgebiete von Transpondern der MOBY-Serie reichen von der Automobilfertigung bis zu großen Versandhäusern, die täglich fast 200 000 Sendungen an Kunden schicken. Die elektronischen Etiketten gewährleisten eine einwandfrei funktionierende Logistik
Inzwischen gibt es sechs verschiedene MOBY-Systeme für unterschiedliche Anwendungen. Für die Autoindustrie müssen die Transponder unter anderem hitzebeständig sein, um die heißen Lackierprozesse zu überstehen. Zudem sollen sie ohne Batterie arbeiten, um den Wartungsaufwand zu minimieren: Der MOBY-Transponder wird durch eine Induktionsspannung vom Lesegerät aktiviert, das beim MOBY-I-System etwa 15 cm vom Transponder entfernt sein darf. In der Logistik hingegen sollen die MOBY-Marker vor allem über größere Distanzen bis 3 m lesbar sein. So kann in Sekundenschnelle die mit Transpondern versehene Ladung auf Lastwagen erfasst werden – z.B. Paletten an der Zufahrt zu einem Spediteur.
Lückenlose Warenverfolgung. Mittlerweile sind Transponder zu wichtigen Bausteinen von Logistikketten avanciert. Zahlreiche Unternehmen und Forschungsinstitute arbeiten daran, die Geräte intelligenter zu machen und neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Im Dezember 2001 endete z.B. das von der Europäischen Union geförderte Projekt ParcelCall, an dem neben der Siemens Dematic AG unter anderem die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen sowie die Firmen Philips und Ericsson Eurolab beteiligt waren. Das Projekt sollte prüfen, ob sich Transponder zur Verfolgung von Warensendungen eignen und welche Kommunikationsstandards dafür erforderlich sind. Die Idee: Lastwagen werden mit Lesegeräten ausgestattet, die mit der Transponder-bestückten Ladung kommunizieren. Per Mobilfunk werden die Daten an einen Zentralrechner übermittelt. Da der Lastwagen zudem mit dem Global Positioning System (GPS) ausgerüstet ist, können Empfänger oder Spediteur per Internet oder Handy jederzeit feststellen, wo sich die Ware gerade befindet.
"Darüber hinaus wurden die Transponder mit Sensoren versehen, die Erschütterungen, Temperatur oder Luftfeuchte registrieren", sagt Hanno Walischewski, ParcelCall-Entwickler bei Siemens Dematic. "Damit können Kunden erstmals den Zustand ihrer Ware während des Transports online abfragen." So ließe sich z.B. kontrollieren, ob die Ware tatsächlich ununterbrochen gekühlt wird.
Die Experten von Siemens entwickelten das Design des Herzstücks des Produktverfolgungssystems (Track&Trace-System) – den Server, auf dem die Daten zusammenlaufen, sowie die Bedienoberflächen für PC und Handy. Das Besondere am ParcelCall-System: mit XML, einem mittlerweile auch im Internet gebräuchlichen Datenformat, wurde ein einheitlicher Standard zur Informationsübertragung eingerichtet. Erst dies macht eine lückenlose Verfolgung möglich, denn bisher verwendeten Transportunternehmen meist firmeneigene Erfassungssysteme. Übergreifende Informationen sind damit aber nicht ohne weiteres übertragbar.
Der abschließende Feldversuch – die Verfolgung eines Lkw von Schweden bis England – verlief erfolgreich. Dennoch zeigte sich, dass ein solches Track-and-Trace-Verfahren derzeit noch an Grenzen stößt. Insbesondere der Datentransfer per Mobilfunk erwies sich als problematisch. Oft dauerte es Minuten, bis die Informationen korrekt übertragen waren. In verschiedenen Regionen ließ auch die Netzabdeckung zu wünschen übrig.
Auch in anderen Bereichen müssen Transponder-Systeme noch optimiert werden. Jörg Schmidt, Mitarbeiter im Fachgebiet Logistik der Universität Dortmund, kennt die Tücken. Derzeit baut der Forscher ein Prüflabor auf, um Transponder zu testen. Probleme machen die Geräte oftmals, wenn metallische Gegenstände den Funkverkehr stören oder das Signal abschirmen. Schmidt und seine Kollegen messen, durch welche Materialien Transponder problemlos senden, wie schnell sie sich am Lesegerät vorbeibewegen dürfen und auch, wie viele der Marker zugleich abgelesen werden können. Diese so genannte Multitag-Fähigkeit ist eines der wichtigsten Kriterien für die Leistung zukünftiger Transponder-Systeme – nur so kann die Vision vom vollen Einkaufswagen und der Kasse, die die Transponder auf den Waren in Sekundenschnelle abliest und den Gesamtpreis ausdruckt, einst Wirklichkeit werden.
Extreme Reichweite. Entscheidend für die Multitag-Fähigkeit ist unter anderem die Geschwindigkeit der Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät. Denn je schneller die Datenpakete hin und her sausen, desto seltener kollidieren die Informationen der einzelnen Transponder. Ziel der Entwickler ist es also, die Transponder schneller zu machen – eine Spezialität von Wolf-Eckhart Bulst und seinem Team in München. Der Siemens-Forscher ist Experte für Höchstfrequenz-Technik. Seine Transponder senden im Gigahertz-Bereich zwischen 2,5 und 24 GHz, anders als die MOBY-Geräte, die bis auf eines mit Frequenzen im Kilohertz- oder Megahertz-Bereich arbeiten.
Aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten – der größeren Bandbreite – können im GHz-Bereich mehr Daten gleichzeitig übertragen werden. Daher lässt sich pro Zeiteinheit eine große Zahl von Transpondern lesen. Voraussetzung sind aber neue Schaltungskonzepte in den Transponder-Chips, die die Forscher um Bulst entwickelt haben. Zudem nutzen sie eine sehr energiesparende Übertragungstechnik: Dank dieser Ultra-low-power-Elektronik können die Transponder trotz geringem Stromverbrauch weit senden.
Die Höchstfrequenz-Transponder von Bulst sind batteriebetrieben und reichen enorm weit – einige überbrücken gar mehrere Kilometer. Darüber hinaus lässt sich erstmals die Entfernung zwischen Lesegerät und Transponder bis auf einen Zentimeter genau messen; per Laufzeitmessung von mehreren Lesegeräten aus können diese Transponder exakt geortet werden. Und das erschließt völlig neue Einsatzgebiete. "Unsere Transponder bringen Ordnung in ein Gewimmel", sagt Bulst, "weil viele Gegenstände zugleich exakt lokalisiert werden können." Mögliche Anwendungen gäbe es etwa auf den riesigen Parkplätzen der Autofabriken, über die täglich mehrere tausend Fahrzeuge bewegt werden müssen. Mit Transpondern ausgerüstete Autos könnten leicht automatisch dirigiert werden. "Eines", sagt Bulst, "macht die Höchstfrequenztechnik besonders interessant: Die Transponder können auch dort geortet werden, wo GPS versagt – in Gebäuden oder Häuserschluchten. Und das mit minimalem technischen Aufwand."
Tim Schröder
Chips von der Rolle
Mit einfachen Druckverfahren könnten schon in wenigen Jahren elektronische Bauteile aus Kunststoffen hergestellt werden. Noch suchen die Forscher aber nach den richtigen Substanzen und Produktionsverfahren, um konkurrenzlos billige Plastik-Chips und -Transponder fertigen zu können.
Keine Frage: Transponder können weitaus mehr als Barcodes. Sie speichern größere Datenmengen, sind wiederbeschreibbar und versenden ihre Informationen per Antenne. Trotzdem haben sie noch einen entscheidenden Nachteil, sie sind zu teuer. Zwar kosten einfache Transponder inzwischen weniger als einen Euro, aber ein Barcode lässt sich eben einfach auf die Ware aufdrucken. Genau das wollen Forscher schon bald auch mit Transpondern und deren intelligentem Innenleben, dem Chip, machen. Die elektronische Feinstruktur soll sich künftig wie Tinte auf eine Trägerschicht drucken lassen und Transponder für Kosten von wenigen Cent ermöglichen.
Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, winzige Transistoren und einfache elektronische Schaltungen zu drucken. Voraussetzung dafür war vor etwa 20 Jahren die Entdeckung, dass organische Moleküle leitfähig sein können. Der Amerikaner Alan J. Heeger, der Neuseeländer Alan G. MacDiarmid und der Japaner Hideki Shirakawa fanden heraus, dass bestimmte organische Moleküle, etwa langkettige Polymere, neben leitenden auch halbleitende Eigenschaften haben, ähnlich wie Silizium. Die drei Forscher erhielten dafür im Jahr 2000 den Chemie-Nobelpreis. "Diese Polymere lassen sich wie Farbpigmente in bestimmten Flüssigkeiten lösen", sagt Dr. Wolfgang Clemens von Siemens Corporate Technology in Erlangen. "Wir können sie wie eine elektronische Tinte in Druckverfahren verarbeiten, was fantastische neue Möglichkeiten der Elektronikherstellung eröffnet." Anders als Siliziumchips, die in aufwändigen Reinraum-Prozessen hergestellt werden, ließe sich mit der Polymer-Tinte künftig Elektronik wie eine Zeitung drucken.
Ein weiterer Vorteil: Polymere sind biegsam. Zukünftige Polymerchips lassen sich einrollen oder auf flexible Untergründe wie etwa Kleidung aufbringen. So könnten Pullover einst der Waschmaschine über die eingewebten Transponder mitteilen, bei welcher Temperatur sie zu waschen sind, und im Supermarkt würden die Kunststoffchips nicht nur den Preis der Waren, sondern z.B. auch das Verfallsdatum speichern.
Um die Entwicklung des ersten funktionstüchtigen Polymerchips voranzutreiben, haben sich Firmen und Forschungsinstitute zusammengeschlossen. Im vom deutschen Bundesforschungsministerium geförderten PODOS-Projekt entwickelt Siemens gemeinsam mit der Chemiefirma Merck Technologien zum Drucken von Polymerchips. Merck steuert sein Wissen über die Materialeigenschaften verschiedener Polymere bei. Eine Markteinführung der Plastik-Chips ist bereits in wenigen Jahren möglich, schätzt Clemens. "Die Plastik-Chips werden jene aus Silizium aber sicherlich nicht verdrängen, sondern neue Märkte im Low-cost-Bereich erschließen, wo es bisher noch keine Elektronik gibt."
Der Aufbau des organischen Feldeffekt-Transistors beweist, dass elektronische Schaltungen vollständig aus Kunststoffen bestehen können. Derzeit arbeiten Forscher daran, sie im Rollenverfahren kostengünstig zu drucken (Bilder oben). Gelingt dies, eröffnet sich den Polymerchips ein riesiger Markt
Die Siemens-Experten kooperieren auch mit einem Konsortium verschiedener Fraunhofer-Institute und Universitäten. Gemeinsam soll geklärt werden, welche Druckverfahren geeignet und sanft genug sind, um die hauchfeinen Strukturen auf die Trägersubstanz aufzutragen. Denn auf die Auflösung kommt es an: Je feiner die winzigen Elemente auf dem Chip gefertigt werden können, desto kürzere Wege haben die Ladungsträger. Das wiederum macht den Chip schneller. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in München entwickeln derzeit ein Demonstrationslabor für die so genannte Rolle-zu-Rolle-Technik. Die Idee: Das Trägermaterial, z.B. eine Kunststofffolie, wird von einer Walze abgerollt, und durchläuft je nach Anwendung verschiedene Prozessschritte. Für die Polymerelektronik sollen nacheinander Isolator, Leiter und Halbleiter aufgedruckt werden. Schließlich wird die fertige Polymerfolie wieder aufgerollt – Chips als Meterware. Denkbar ist es auch, den Chip etwa bei der Herstellung einer Verpackung einfach mit aufzudrucken. Unklar ist derzeit aber noch, welche Materialien sich für eine Produktion im größeren Stil überhaupt eignen. Zudem müssen die altbewährten Drucktechniken derart verfeinert werden, dass sich die Elektronik in der nötigen Detailgenauigkeit auftragen lässt. Darüber hinaus müssen die Verfahren nahezu fehlerfrei arbeiten. Bei einem farbigen Druckbild stören kleine Ungenauigkeiten kaum. Bei winzigen Transistoren aber führen schon kleine Fehler zur Funktionsstörung.