Chemnitzer Forscher machen Pkw-Mittelkonsole smart

Die Mittelkonsole stellt im Auto eine wichtige Bedienungsplattform für die Auslösung verschiedener Funktionalitäten von Radio, Navigationssystem oder auch Klimaanlage dar. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters MERGE der Technischen Universität Chemnitz forschen aktuell an einem Eingabesystem, das zukünftig einzelne Elemente großflächig auf der Mittelkonsole zusammenfassen soll.

Die Forschergruppe unter der Leitung von Prof. Wolfram Hardt, Inhaber der Professur Technische Informatik, nutzt als Anwendungsgrundlage für das neuartige Touch-Panel ein sogenanntes funktionalisiertes Halbzeug, das sich durch eine kluge Verknüpfung von verschiedenen Materialien auszeichnet und bereits in der Fertigung durch Prozessoptimierung und Ressourceneffizienz punkten kann.

„Für die Fertigung dieses hybriden Laminats haben wir einen Prozess entwickelt, beim dem ein funktionalisiertes Kunststoffgranulat aufgeschmolzen wird und durch Extrusion zu Folienbahnen verarbeitet wird. Diese Folienbahnen fügen wir in einem kontinuierlichen Walzprozess mit einem Aluminiumblech und danach auch mit Kupferelektroden. Das entstandene Halbzeug wird dann zum Bauteil umgeformt“, erklärt Prof. Verena Kräusel, kommissarische Leiterin der Professur für Umformendes Formgeben und Fügen.

Die aufgewalzte Kunststofffolie enthält piezokeramische Partikel und Carbon Nanotubes, die zur Erzeugung eines sensorischen Effekts genutzt werden. Die Kupferfolie fungiert als Elektrode, so dass Signale übertragen werden können. Über maschinelle Lernverfahren erfolgt die Signalauswertung, per Tipp auf den Funktionsbereich – statt wie üblich über festen Druck auf Schaltelemente – kann der Fahrer so einzelne elektronische Anwendungen im Fahrzeug steuern.

Bereits bestehende Bediensysteme über Touchdisplays im Innenraum sind mit der Berührungslokalisierung der Chemnitzer Neuentwicklung nicht vergleichbar, so das Forscherteam. Auch die Nutzung des Prinzips ist vielfältig. „Dieses sensorische Laminat soll zum einen zur Strukturüberwachung dienen, um Schäden zu erkennen. Zum anderen findet der Verbund als Eingabeschnittstelle – in unserem Beispiel in der Mittelkonsole im Systemdemonstrator des Chemnitz Car Concept – Anwendung“, ergänzt MERGE-Mitarbeiter Alexander Graf.

Dieser Fahrzeug-Demonstrator, genannt „MERGE up!“, bündelt zahlreiche Beispiele der MERGE-Forschungsfelder. In Kooperation mit Volkswagen und der Professur für Alternative Fahrzeugantriebe der TU Chemnitz dient er als Plattform für Test- und Demonstrationszwecke. Sowohl Innen- als auch Außenbauteile – von Leichtbaukomponenten bis zum elektrifizierten Antriebsstrang – werden als Referenzteile neu entwickelt und exemplarisch im „MERGE up!“ verbaut.

Durch den Verbund der verschiedenen Werkstoffe, die Kombination mehrerer Fertigungstechnologien der Kunststoff- und Metallverarbeitung sowie die Minimierung von Verfahrensschritten soll die Herstellung des Bauteils zukünftig auf einen Fertigungsschritt reduziert und so das Halbzeug ressourceneffizient und kostengünstig in Großserie produziert werden.

„Sensoren, die bisher erst nach der eigentlichen Herstellung eines Bauteils angebracht werden, können so bereits während des laufenden Herstellungsprozesses in Halbzeuge integriert werden“, erklärt Ricardo Decker, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bundesexzellenzcluster MERGE.

Der Materialverbund ist dann bereits vor der Bauteil-Fertigstellung funktionalisiert. „Gerade im Bereich der Innenausstattung eines Fahrzeugs spielt die geschickte Kombination von Bauteilen und elektronischer Funktionalität eine immer größere Rolle, da die interaktive Bedienung des Fahrzeugs nicht nur für mehr Komfort sorgt, sondern durch das Einsparen von Schaltsystemen und der dazu notwendigen Verkabelung auch eine Gewichtsreduktion erzielt werden kann“, so der Forscher.

Eine Thermoplast-Matrix verbindet die unterschiedlichen Komponenten des Materialverbunds und erlaubt somit die Umformung des Halbzeugs mit den bereits integrierten Sensoren. Zuvor werden piezokeramische Partikel in die thermoplastischen Folien eingebracht, die sich durch Tippen auf die Funktionseinheit verformen, verschieben und durch sich verlagernde Dipole eine Spannung aufbauen. Durch diese Spannungsverläufe berechnet das System die Lokalisierung und erkennt, an welcher Stelle der Bediener genau getippt, d. h. welche Funktion er gewählt hat.

„Hierfür werden vier Sensoren zur Detektion von insgesamt 20 Punkten eingesetzt, welche mit einer sehr hohen Lokalisierungsgenauigkeit der Druckstellen von 84 bis 92 Prozent erkannt werden können“, erläutert MERGE-Mitarbeiter René Schmidt von der Professur Technische Informatik. Die Lokalisierung der Druckpunkte basiert auf einem maschinellen Lernalgorithmus, indem ein Computermodell zuvor mit Testdaten angelernt wurde. Das Halbzeug wird dann im Fahrzeug an ein energieeffizientes eingebettetes System angeschlossen, welches die Daten in Echtzeit auswertet.