Trendanalyse Sensor-Technologien: Marktentwicklung und Lösungen

| Redakteur: Gerd Kucera

Der DMS: Die Drehmomentsensorik beginnt mit dem ersten Dehnungsmessstreifen von Prof. Arthur Ruge 1938, drei Jahre später waren die ersten industriell hergestellten Draht-DMS verfügbar. Mit modernen Drehmomentsensoren kann jeder Antrieb exakt an die auftretenden Kräfte in Echtzeit angepasst werden.
Der DMS: Die Drehmomentsensorik beginnt mit dem ersten Dehnungsmessstreifen von Prof. Arthur Ruge 1938, drei Jahre später waren die ersten industriell hergestellten Draht-DMS verfügbar. Mit modernen Drehmomentsensoren kann jeder Antrieb exakt an die auftretenden Kräfte in Echtzeit angepasst werden. (Bild: Prof. Dr.-Ing. Stefan Keil)

Sensorelement, Sensorsystem, Aufnehmer, Transducer, Transmitter, Messsytem. Begriffe, die allesamt dasselbe meinen: den Sensor – mit unterschiedlichem Integrationsgrad und Funktionsumfang.

Sensorik ist eine Schlüsseltechnologie quer durch alle Branchen. Die internationale Konkurrenzfähigkeit insbesondere des Maschinenbaus, der Prozesstechnik, des Fahrzeugbaus und der Konsumgüterindustrie steht und fällt mit dem Einsatz geeigneter Sensoren. Der Weltmarkt für Sensoren lag 2010 bei 102 Mrd. US-$ und legte mit Wachstumsraten zwischen 5% und über 10% per annum auf rund 150 Mrd. US-$ im Jahr 2015 zu.

Die Zahlen basieren auf der Erhebung unter den Mitgliedern des AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V. und einer Hochrechnung in Kooperation mit der Intechno Consulting, die in ihrer Studie ein globales Marktvolumen von über 200 Mrd. US-$ (Bild 1) für das Jahr 2020 prognostizieren. Da Sensoren sehr individuell eingesetzt werden, ist ihr Markt relativ stabil. Doch es gibt auch Bedrohungen und Herausforderungen durch neue technische Entwicklungen, insbesondere durch die internetbasierten Technologien, etwa für Konsumanwendungen.

Aus der Analyse der Marktanteile (Bild 1) lässt sich erkennen, dass die hinsichtlich Umsatz größten Märkte der Fahrzeugbau, die Informationstechnik und Gebäudetechnik sind. Dort werden hohe Stückzahlen zu niedrigen Preisen verlangt, es herrscht große, internationale Konkurrenz. Diesen Markt beliefern überwiegend Großunternehmen. Daneben gibt es noch zahlreiche andere Märkte, in denen angepasste höherwertige Sensorik verlangt wird, in mittleren bis kleinen Stückzahlen, mit hoher Präzision und höheren Preisen.

Diese Märkte sind die Domäne der eher kleinen und mittelgroßen Firmen, wie sie überwiegend im AMA Verband vertreten sind. Dies zeigen die Umfrageresultate bei AMA-Mitgliedern nach ihren Absatzmärkten. Da dominieren der Maschinenbau und die Prozesstechnik, die Messtechnik, die Automobilindustrie (besonders für hochwertige Fahrzeuge), die Produktion, Qualitätssicherung oder Medizintechnik (Bild 2).

Gerade in diesen Märkten können kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sehr viele unterschiedliche Lösungen für die Messaufgaben ihrer Kunden zur Verfügung stellen. Falls sich neue Aufgaben oder Anforderungen ergeben, können die KMU schnell darauf reagieren. Der Markt für Sensorik ist sehr inhomogen und stark segmentiert. Es gibt mehr als 100 Messgrößen, für die Sensoren angeboten werden. Auf die jeweiligen Anwendungen optimiert gibt es die Sensoren in vielen unterschiedlichen Technologien. Auch diese Vielfalt von angepassten Technologien ist eine Stärke der kleineren Firmen.

Globale Herausforderungen an die Technologieentwicklung

Nachfolgend dargestellt sind Auszüge der umfassenden Marktanalyse „Sensor-Technologien 2022“ des AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V. mit fast 150 Seiten.

Die Entwicklungen in der Sensorindustrie werden von globalen Faktoren geprägt, die sich wirtschaftlich und politisch auswirken sowie von technologischen Weiterentwicklungen beeinflusst, die unsere Zeit prägen. Solche globalen Änderungen wirken auf technische Fähigkeiten, auf notwendige Transportsysteme, Maschinen und Anlagen und damit auf die Märkte und Entwicklungen generell. Dies simplifiziert – soweit möglich und sinnvoll – die Studie auf die Sensortechnik und deren Entwicklungen in Deutschland.

An globalen Herausforderungen ist etwa das Wachstum der Erdbevölkerung zu nennen. Im Jahr 1960 überstieg die Weltbevölkerung die 3-Milliarden-Grenze, im Jahre 2000 die 6-Milliarden-Grenze und seit der letzten Studie 2010 die 7-Milliarden-Grenze. Derzeit sind es 7,642 Milliarden Menschen. Neue Märkte entstehen hierdurch für viele neue Produkte – Sensoren gehören dazu.

Mehr Menschen leben in großen Städten, heute über 50% der Weltbevölkerung. All diese müssen mit vielen Dingen des täglichen Lebens inklusive der Lebensmittel, Wasser, der Energie, Fernsehen und Unterhaltung versorgt werden. Auch die Entsorgung von Müll, von Abwasser oder der wachsende Verkehr muss verwaltet und organisiert werden, bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs. Diese Aktivitäten nehmen in Zukunft stark zu und sollen in den „Smart Cities“ gipfeln. Hier ergeben sich sehr viele neue Aufgabengebiete für die Sensorik und Messtechnik.

Relevante politische Faktoren sind beispielsweise die Gesetzgebung zu den erneuerbaren Energien, die Hightech-Strategie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, Aktivitäten der Forschungsorganisationen wie Helmholtz-Institute, Fraunhofer-Institute, Deutsche Forschungsgemeinschaft und andere mehr. Auch größere technologische Entwicklungen haben Einfluss auf die Sensorik, etwa das Aufkommen des Internets vor über zwei Jahrzehnten und seiner rasanten Ausbreitung der mobilen Konsumgeräte und von zugehörigen Diensten. Industrie 4.0 oder die Entwicklung vom Sensor zur intelligenten Systemtechnik sind weitere Faktoren (Bild 3).

In der Industriesensorik ist Deutschland führend

Weltweit hat Deutschland die Führungsrolle in der Industrie-Sensorik und -Aktorik auf der Basis neuartiger Technologien. Der Markt wird neben einigen Weltkonzernen vorzugsweise durch mittelständische und kleine Unternehmen geprägt. Das hohe Potenzial der Ausbildung in Firmen, an Hochschulen und Universitäten sichert perspektivisch den qualifizierten Nachwuchs an hochspezialisierten Facharbeitern und Ingenieuren. Forciert wurde diese Entwicklung durch die umsichtige und langandauernde Förderung durch Bund und Länder.

Mit dem Aktionsplan zur Umsetzung der Hightech-Strategie 2020 verfolgt die Bundesregierung mit zehn Zukunftsprojekten wie Smart Cities, Smart Grid und Smart Factory ambitionierte Ziele (Bild 3). Deutschland soll als Anbieter und Anwender neuer und zukunftsweisender Technologien beispielsweise für die industrielle Produktion zum Leitmarkt positioniert werden. Dazu ist die Zusammenarbeit zwischen Industrie, Hochschulen und Forschungseinrichtungen zu stärken. Im Fokus sollen kleine und mittlere Unternehmen sowie Start-Ups stehen.

In der industriellen Produktion vollzieht sich ein grundlegender Wechsel von einer zentralen zu einer dezentralen und autonomen Steuerung der Fertigung, mit dem Ziel einer hochflexiblen Produktion individualisierter, digital „veredelter“ Produkte und Dienste. Traditionelle Branchengrenzen verschwinden, es entstehen neue, übergreifende Handlungsfelder und Kooperationsformen. Wertschöpfungsprozesse verändern sich, die Arbeitsteilung wird neu organisiert. Um sich den globalen Herausforderungen stellen zu können, sind verstärkt branchenübergreifende und interdisziplinäre Kooperationen zwischen Wirtschaft und Wissenschaft erforderlich. Dies trifft auch auf den Querschnittsbereich der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), der Sensorik und Messtechnik zu.

Moderne Mikrosysteme – bestehend aus Sensorik und Elektronik – sind inzwischen vernetzt, autark und intelligent und weit mehr als eine Komponente. Sie haben sich zu eigenständigen Knoten in intelligenten Systemen wie Sensornetzwerken entwickelt. Durch die fortschreitende Miniaturisierung werden damit ständig neue Anwendungsbereiche auf dem Weg zur intelligenten Umgebung (Ambient Intelligence) erschlossen. Fazit: All diese gezeigten technologischen Schwerpunkte sind verbunden mit den Schlagworten mehr Digitalisierung, verstärkte Vernetzung und starker Zuwachs an Messstellen durch „Sensoren überall“. Doch diese Sensoren müssen weiterentwickelt und angepasst werden an diese zukünftigen Aufgaben; dann bieten sich große Chancen.

Miniaturisierung und Trends der Informationsverarbeitung

Mittlerweile sind mobile Geräte wie Computer und Handys so klein und leistungsfähig geworden, dass sie in Kleidung oder tragbare Gegenstände integriert werden können. Die heutigen drahtlosen Kommunikationstechniken erlauben Ad-hoc-Vernetzungen und eine Anbindung an leistungsfähige Rechenanlagen und Datenbanken. Mit dem Trend zur weiteren Miniaturisierung in der Technik und der steigenden Leistungsfähigkeit kleinster Geräte wird deutlich, dass sich für mobile Nutzer ganz neue Möglichkeiten und Anforderungen an eine Geräteunterstützung ergeben. Nimmt man den Menschen selbst in den Fokus der Betrachtung, so erkennt man, dass ihn stets ein unsichtbarer, mobiler Informationsraum umgibt. Dieser Raum wird gebildet und aufrecht erhalten durch Interaktion von mobilen Geräten, drahtgebundenen bzw. drahtlosen Netzen und dem Internet, um Informationen zu finden und mit anderen Menschen zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten.

Auch bei der drahtlosen Datenkommunikation von Maschinen, Fahrzeugen, Automaten oder sonstigen Objekten miteinander oder mit einer zentralen Leitstelle spielt die Sensorik eine entscheidende Rolle. Für eine Vielzahl von M2M-Applikationen steht der drahtlose Informationsaustausch zur Optimierung von Geschäftsprozessen im Mittelpunkt. Zu den wichtigsten Einsatzgebieten gehören unter anderen Transport und Logistik, Flottenmanagement, Fernüberwachung/-steuerung/-messung, Sicherheitstechnik sowie Gesundheitswesen. Gebäude der Zukunft werden ebenso wie Autos informationstechnisch vollständig erfasst sein.

Die Gegebenheiten der umfangreichen Netzinfrastrukturen, Zugangsmedien, Plattformen, Tools u.a.m. bilden die Basis für ein gewaltiges Marktpotenzial an integrierten Informationsprodukten. Interaktive und personalisierte Dienste sind entscheidungsorientiert. Dazu werden stets aktuelle und vorausschauende Informationen benötigt. Mit den heute bereits verfügbaren Technologien ist weitaus mehr möglich, als was aktuell in der Breite der Anwendungen umgesetzt wird.

So geht es bei Industrie 4.0 vor allem darum, neue Dimensionen in der gesicherten intranetbasierten Erfassung der Umwelt und Interaktion zu erschließen und die Autonomie von Systemen durch zunehmende kognitive Fähigkeiten weiter voranzubringen. Wichtig ist dabei, die wachsende Dynamik und Komplexität der Prozesse durch intelligente Verfahren, die Überwachung, Analyse, Modellierung, eigenständige Kommunikation und (Selbst-)Steuerung umfassen, zu beherrschen. Die klassischen Komponenten der Mikrosystemtechnik, die Sensoren und Aktoren, werden heute in großen Stückzahlen gefertigt. Sie bilden die Basis für ein breites Anwendungsspektrum in Elektronik, Mechanik, Optik sowie Biologie und Chemie.

Intelligente technische Systeme als Cyber-Physical Systems (CPS) stehen heute für die Verbindung von physikalischer (realer) und informationstechnischer (virtueller) Welt. Sie entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel von eingebetteten Systemen (Anwendungssystemen und Infrastrukturen) auf Basis ihrer Vernetzung und Integration sowie der Mensch-Technik-Interaktion in Anwendungsprozessen. Wesentliche Komponenten von CPS sind leistungsstarke eingebettete Systeme, die bereits heute als geschlossene Systeme kooperativ und vernetzt agieren. Vor allem in der Automobilbranche, der Luftfahrt und in der Produktion existieren ortsgebundene und zunehmend mobile Sensor-, Regelungs- und Steuerungsdienste. Die Zustands- und Umgebungsbeobachtung sowie das „Gedächtnis“ der digitalen Komponenten, z.B. mit RFID-Technik, werden an Bedeutung gewinnen.

Eine Sensor-Erfindung von besonderer Bedeutung

Meilensteine der Elektronik

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09.08.16 - Als Erfinder des DMS gelten Ed Simmons und Arthur Ruge, die ohne Kontakt zueinander unabhängig voneinander forschten. Beschrieben wurde das DMS-Prinzip erstmals vom Physiker William Thomson. lesen

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