Design spaces for the development of sensor and actuator systems as well as components with increased robustness in terms of manufacturing and service life

Programme 2014 - 2020 INTERREG V-A Germany - Austria - Switzerland - Liechtenstein (Alpenrhein - Bodensee - Hochrhein)

Date of latest update: 2023-03-08

Description

Description (EN):

The cross-border cooperation between two university institutes, the Zurich University of Applied Sciences and the Furtwangen University of Applied Sciences in conjunction with associated industrial partners focuses on the further development of scientifically sound design spaces. Specifically, it is about the further development of a method to increase the robustness and service life of industrially manufactured sensors and actuators. By combining their complementary competence and application fields, the project aims to create improved competitive positions for the participating institutions and thus improve employment opportunities. Both institutions see the planned project as the beginning of a long-term partnership. The associated companies will be shown the potential of the Design Space Method based on feasibility studies, in order to then apply them individually in follow-up projects with the respective companies. This project deals with the development of sensors and actuators. Sensors and actuators are part of our everyday lives. They make household appliances “smart” and help in vehicles to improve safety via accident warning systems. With “Internet of Things” applications, the demand for low-cost sensors will increase significantly in the future. Due to their tiny size, the production of sensors and actuators is very demanding. In addition to the required functionality of the components, their design, material properties and the manufacturing methods used must ensure low scrap and high mechanical stability during operation. Consequently, the optimisation of sensors and actuators is often a lengthy process that requires a lot of experience and complex experimental equipment. In addition, computer models help systematise and accelerate this development process. Computer models are widely used in universities and industry today. A number of commercial software products are available, which can be successfully applied to standard problems even without deep mathematical and physical understanding. In contrast, simulations for the mechanical integrity of sensors and actuators during production and operation are a task that can often only be accomplished using sound scientific methods, since complex multiphysical phenomena must be taken into account here. It is precisely this approach to be followed in the context of the requested project. Our solution approach is based on the development of physical computer models from which so-called “design spaces” can be derived. These design spaces relate material, manufacturing and operating parameters to the mechanical stability (and thus the robustness) of the components considered. The physical behavior of these components becomes more transparent and critical influencing factors can be identified more quickly. The partners involved — the Institute for Microsystems Technology (IMST) of Furtwangen University of Applied Sciences and the Institute of Computational Physics (ICP) of the Zurich University of Applied Sciences — have many years of experience in the application of scientific methods for the development of sensor and actuator systems. The findings and developed methods should also be transferred to similar questions that arise in the use of components and tools (e.g. punched bending parts), as is the case with a purely empirical, experimental approach. However, experimental data is needed as input for modeling and also for its validation.

Description (DE):

Bei der grenzüberschreitenden Zusammenarbeit zweier Hochschulinstitute, der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften und der Hochschule Furtwangen im Verbund mit assoziierten Industriepartnern steht die Weiterentwicklung von wissenschaftlich fundierten Design Spaces im Fokus. Konkret geht es um die Weiterentwicklung einer Methode zur Erhöhung der Robustheit und Lebensdauer von industriell gefertigten Sensoren und Aktoren. Durch die Zusammenführung ihrer komplementären Kompetenz- und Anwendungsfelder soll das Projekt für die beteiligten Institute verbesserte Wettbewerbspositionen und damit verbesserte Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen. Beide Institute sehen das geplante Projekt als Beginn einer langfristigen Partnerschaft. Den assoziierten Firmen soll anhand von Machbarkeitsstudien das Potential der Design Space Methode aufgezeigt werden, um sie dann in Folgeprojekten mit den jeweiligen Firmen individuell anzuwenden. Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung von Sensoren und Aktoren. Sensoren und Aktoren sind Teil unseres Alltags. Sie machen Haushaltsgeräte ''smart'' und helfen in Fahrzeugen, über Unfallwarnsysteme die Sicherheit zu verbessern. Mit ''Internet of Things''—Anwendungen wird der Bedarf insbesondere an kostengünstigen Sensoren künftig stark zunehmen. Aufgrund ihrer winzigen Baugröße ist die Herstellung von Sensoren und Aktoren sehr anspruchsvoll. Ihr Design, ihre Materialeigenschaften sowie die verwendeten Herstellungsmethoden müssen neben der geforderten Funktionalität der Bauteile geringen Ausschuss und hohe mechanische Stabilität im Betrieb gewährleisten. Folglich ist die Optimierung von Sensoren und Aktoren häufig ein langwieriger Prozess, der viel Erfahrungswissen und aufwändige Versuchsapparaturen erfordert. Darüber hinaus helfen Computermodelle, diesen Entwicklungsprozess zu systematisieren und zu beschleunigen. Entsprechende Computermodelle werden heutzutage an Hochschulen und in der Industrie breit eingesetzt. Es steht eine Anzahl an kommerziellen Softwareprodukten zur Verfügung, welche sich auf Standardprobleme auch ohne vertieftes mathematisch-physikalisches Verständnis erfolgreich anwenden lassen. Im Gegensatz dazu sind Simulationen zur mechanischen Integrität von Sensoren und Aktoren während Herstellung und Betrieb eine Aufgabe, die sich häufig nur mithilfe fundierter wissenschaftlicher Methoden bewerkstelligen lässt, da hier komplexe multiphysikalische-Phänomene zu berücksichtigen sind. Genau dieser Ansatz soll im Rahmen des beantragten Projekts verfolgt werden. Unser Lösungsansatz basiert auf der Entwicklung physikalischer Computermodelle, aus denen sich sogenannte "Design Spaces" ableiten lassen. Diese Design Spaces setzen, Material-, Herstellungs- und Betriebsparameter mit der mechanischen Stabilität (und damit der Robustheit) der betrachteten Bauteile in Beziehung. Das physikalische Verhalten dieser Bauteile wird dadurch transparenter und kritische Einflussgrößen können schneller identifiziert werden. Die involvierten Partner – das Institute for Microsystems Technology (IMST) der Hochschule Furtwangen und das Institute of Computational Physics (ICP) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften – verfügen hierfür über jahrelange Erfahrung in der Anwendung wissenschaftlicher Methoden zur Entwicklung von Sensor- und Aktorsystemen. Die Erkenntnisse und entwickelten Methoden sollen auch auf ähnliche Fragestellungen, die bei der Nutzung von Komponenten und Werkzeugen (z.B. Stanzbiegeteile) auftreten, übertragen werden, als dies mit einem rein empirischen, experimentellen Ansatz der Fall ist. Allerdings werden experimentelle Daten als Input für die Modellbildung und auch für deren Validierung benötigt.

Achievements (EN):

The aim of the project was to further develop a scientific method to increase the robustness and service life of industrially manufactured sensors and actuators. As part of the design space project, metal-to-metal and metal-composite contact problems, e.g. buckling phenomena, cracking phenomena and delamination phenomena for various products were investigated. Numerical simulations were carried out taking into account various parameters such as surface roughness, load rate and force inclination from the experimental setup. In a first step, modelling was carried out on the basis of a global approach. An elasto-dynamic friction contact problem was solved on the entire contact surface using the finite element method. A subarea with concentrated stress has been identified as a candidate for adhesive wear effect. In the second step, a local approach was applied using the Boundary Integral Method to solve an elasto-plastic adhesion contact problem in the above-mentioned local area. A rough surface with random height was created corresponding to the measured surface amplitudes. The local contact problem has been solved in the Fourier area of the generated surface spectrum, which allows a solution by two orders of magnitude faster than the traditional finite element method. The spatial distribution of the adhesive contact forces as well as the distribution of contact and adhesion zones were determined in the local contact area. In order to test the real conditions experimentally, an automated load test system was developed, manufactured, used for testing the samples and adapted to the product-specific requirements. One million load cycles were completed and the lifetime of the product was investigated. Local defects were detected and investigated on the sample surfaces. A correlation between simulation and measurement results has been found. During the project, a new partner was also included in the project. For the new partner, the shape and location of the surface defects were examined according to different load conditions (electrical, mechanical). For another project partner, detailed AFM analyses were carried out to investigate surface defects in polymer films with moisture barrier coating. Various optical detection systems and techniques were developed and investigated for the in situ and ex-situ characterisation of possible surface defects. For the methods and systems developed in the project, the possibilities and limitations were investigated and summarised. Using the complementary expertise of the various partners in the fields of physical modelling, mathematical simulations and experimental investigations, interesting and valuable project results have been achieved.

Achievements (DE):

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung einer wissenschaftlichen Methode zur Erhöhung der Robustheit und Lebensdauer von industriell gefertigten Sensoren und Aktoren. Im Rahmen des Design-Spaces Projekts wurden Metall-Metall- und Metall-Verbundwerkstoff-Kontaktprobleme, z.B. Bucklingphänomene, Rissphänomene und Delaminationsphänomene für verschiedene Produkte untersucht. Numerische Simulationen wurden unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie Oberflächenrauhigkeit, Belastungsrate und Kraftneigung aus dem Versuchsaufbau durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde die Modellierung auf der Grundlage eines globalen Ansatzes durchgeführt. Ein elasto-dynamisches Reibkontaktproblem wurde auf der gesamten Kontaktfläche mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode gelöst. Es wurde ein Teilbereich mit konzentrierter Spannung identifiziert als Kandidat für adhäsiven Verschleiß Effekt. Im zweiten Schritt wurde ein lokaler Ansatz mit der Boundary-Integral-Methode angewandt, um ein elasto-plastisches Adhäsionskontaktproblem in dem oben genannten lokalen Bereich zu lösen. Es wurde eine raue Oberfläche mit zufälliger Höhe erzeugt, die den gemessenen Oberflächenamplituden entspricht. Das lokale Kontaktproblem wurde im Fourier-Bereich des erzeugten Oberflächenspektrums gelöst, was eine um zwei Größenordnungen schnellere Lösung als die traditionelle Finite-Elemente- Methode ermöglicht. Die räumliche Verteilung der adhäsiven Kontaktkräfte sowie die Verteilung der Kontakt- und Adhäsionszonen wurden in der lokalen Kontaktfläche ermittelt. Um die realen Bedingungen experimentell zu testen, wurde ein automatisiertes Belastungstestsystem entwickelt, hergestellt, für die Untersuchungen der Proben eingesetzt und an die produktspezifischen Anforderungen angepasst. Eine Million Belastungszyklen wurden absolviert und die Lebensdauer des Produkts wurde untersucht. Es wurden lokale Defekte auf den Probenoberflächen festgestellt und untersucht. Eine Korrelation zwischen Simulation und Messergebnissen wurde gefunden. Während des Projekts wurde auch ein neuer Partner in das Projekt aufgenommen. Für den neuen Partner wurden Form und Lage der Oberflächendefekte nach verschiedenen Belastungsbedingungen (elektrisch, mechanisch) untersucht. Für einen anderen Projektpartner wurden detaillierte AFM-Analysen durchgeführt, um Oberflächendefekte in Polymerfilmen mit Feuchtigkeitssperrbeschichtung zu untersuchen. Zur in-situ- und ex-situ- Charakterisierung möglicher Oberflächendefekte wurden unterschiedliche optische Detektionssysteme und -techniken entwickeltu und untersucht. Für die im Projekt entwickelten Methoden und Systeme wurden die Möglichkeiten und Grenzen untersucht und zusammengefasst. Durch die Nutzung des komplementären Fachwissens der verschiedenen Partner in den Bereichen physikalische Modellierung, mathematische Simulationen und experimentelle Untersuchungen wurden interessante und wertvolle Projektergebnisse erreicht.

Website: http://www.interreg.org/

Expected Results (DE):

Ein erfolgreicher Einsatz der Design Space Methode hätte für die assoziierten Firmen folgende Vorteile: 1. Verkürzung ihrer Entwicklungszyklen, weil die physikalischen Modelle das Systemverhalten transparenter machen. 2. Einsparung von Entwicklungskosten, weil weniger Trial and Error Versuche notwendig sind. 3. höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer ihrer Produkte durch Optimierung von Design-, Material-, Herstellungs- und Betriebsparameter.

Thematic information

Scientific cooperation

Specific Objective: Increase in the research and innovation potential of the programme area

Thematic Objective: (01) strengthening research, technological development and innovation by:

Investment Priority:

(01b) promoting business investment in R&I, developing links and synergies between enterprises, research and development centres and the higher education sector, in particular promoting investment in product and service development, technology transfer, social innovation, eco-innovation, public service applications, demand stimulation, networking, clusters and open innovation through smart specialisation, and supporting technological and applied research, pilot lines, early product validation actions, advanced manufacturing capabilities and first production, in particular in key enabling technologies and diffusion of general purpose technologies

Partners (2)

Lead Partner: Zurich University of Applied Sciences

Address: Wildbachstrasse 21, 8400 Winterthur, Switzerland

Legal status: public

Website: http://www.zhaw.ch/icp

Total budget: EUR 236 145.90

Hochschule Furtwangen

Name: Hochschule Furtwangen

Address: Robert-Gerwig-Platz 1, 78120 Furtwangen, Germany

Legal status: public

Website: http://www.hs-furtwangen.de

Total budget: EUR 290 374.90

ERDF budget: EUR 174 224.94

Partners map

Partners and Projects info

Zurich University of Applied Sciences

Design spaces for the development of sensor and actuator systems as well as components with increased robustness in terms of manufacturing and service life

Partners and Projects info

Hochschule Furtwangen

Design spaces for the development of sensor and actuator systems as well as components with increased robustness in terms of manufacturing and service life

Lead partner

Project partner

Summary

Project name (EN): Design spaces for the development of sensor and actuator systems as well as components with increased robustness in terms of manufacturing and service life

Project name (DE): Design-Spaces zur Entwicklung von Sensor- und Aktorsystemen sowie Komponenten mit erhöhter Robustheit bezüglich Herstellung und Lebensdauer

Project acronym: Design-Spaces

Project start date: 2018-04-01

Project end date: 2021-05-31

Project status: closed

Total budget/expenditure: EUR 526 520.80

Total EU funding (amount): EUR 256 876.01

Co-financing sources:

ERDF: Amount, EUR 174 224.94.

Third-country contribution: Switzerland: EUR 82 651.07 (ERDF equivalent only)

Documents

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Flyers

Design-Spaces zur Entwicklung von Sensor und Aktorsystemen

Attachment type: file

Type of document: Flyer

Data source: https://www.zhaw.ch/de/forschung/forschungsdatenbank/projektdetail/projektid/2242/

Publication date: 2021-11-22

Document date: 2020-09-30

Languages: de

Attachment file: Download

Information regarding the data in keep.eu on the programme financing this project

Financing programme

2014 - 2020 INTERREG V-A Germany - Austria - Switzerland - Liechtenstein (Alpenrhein - Bodensee - Hochrhein)

Last month that data in keep.eu was retrieved from the Programme's website or received from the Programme

2022-08-01

No. of projects in keep.eu / Total no. of projects (% of projects in keep.eu)

102 / 102 (100%)

No. of project partnerships in keep.eu / Total no. of project partnerships (% of project partnerships in keep.eu)

553 / 553 (100%)

Notes on the data

Information provided by the Programme. Achievements were retrieved by Interact from the Programme website (http://www.interreg.org/), or a website directly linked from it, on 2021-11-19, 2023-01-17 and 2024-03-11. Fields project name, description and achievement (from 107 projects) translated from German into English using the European Commission's eTranslation machine translation service.

The projects which fields do not include an eTranslation English text are the ones with the following acronyms: 5. Leistungsvereinbarung, Abbau von AAL-Barrieren, BiLeSA, BRÜCKENBAU, BTB, DigiTraG, Elektrifizierung der Hochrheinstrecke, Flüssigbiopsien, Geschäftsstelle HRK, GreenSan, HHLL, IBH Living Lab AAL, IBK-Kleinprojektefonds, IBK-Kompetenzzentrum, KPF HRK, Laufenburger Acht, Migration nach Vorarlberg und Oberschwaben, Modellanlagen für den Integrierten Pflanzenschutz, Neuer Steg Rheinfelden, Rheinuferrundweg extended, SeeWandel, Technik im Quartier, Virtuelles Geschichtsforum, 3Welten-Card, 5. Leistungsvereinbarung, Abbau von AAL-Barrieren, Bauen 4.0, BiLeSA, BODANRAIL 2040, BRÜCKENBAU, Bürger-Bienen-Biodiversität, DenkRaum Bodensee, Design-Spaces, DigiTraG, Flüssigbiopsien, Geschäftsstelle HRK, HHLL, IBH Living Lab AAL, IBH-Lab KMUdigital – Management, IBK-Kleinprojektefonds, IBK-Kompetenzzentrum, KIG, KLIMAANPASSUNG DACH+, Migration nach Vorarlberg und Oberschwaben, Modellanlagen für den Integrierten Pflanzenschutz, Museumsschiffe, Schulgärten, Seamless Learning – Management, Technik im Quartier, Vernetzung von Sporttrainern, Virtuelles Geschichtsforum and wohngesund.

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