1. Preis: »Neuer Fräser arbeitet schneller und spart Energie«

Der Vollhartmetall (VHM)-Schaftfräser ist der Star unter den Fräswerkzeugen: Studien zufolge beträgt der Einsatzanteil bei KMU in der spanenden Metallbearbeitung bis zu 80 Prozent. Dem Fraunhofer IPA ist es gelungen, das allseits beliebte Werkzeug weiter zu optimieren. Ausgestattet mit einer innovativen Schneidengeometrie erbringt der neue VHM-Schaftfräser 25 Prozent mehr Leistung und kommt dabei mit 17 Prozent weniger Energie aus.

2. Preis: »Neues Kamerasystem zeigt Tumore farbig an«

Tumore zu entfernen, ist für Chirurgen ein besonders schwieriges Unterfangen. Denn die betroffenen Stellen sind vom gesunden Gewebe kaum zu unterscheiden. Das Fraunhofer IPA hat ein Kamerasystem entwickelt, das Fluoreszenz oder Farbe detektiert. Auf diese Weise kann der Chirurg die angefärbten Tumore besser sehen und gezielter behandeln.

Erster 3. Preis: »Zerstörungsfrei und berührungslos reale Leitungsstrukturen vollständig charakterisieren«

Elektronische Geräte müssen heute immer größere Datenmengen in gleichzeitig immer kleineren und kompakteren elektrischen Strukturen übertragen. Deshalb wird mit aufwendigen Messverfahren das Übertragungsverhalten der Schaltungen und Baugruppen gemessen. Mit einem neuartigen Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen Bestimmung von elektrischen Parametern auf Basis der röntgenbasierten Computertomographie (CT) ist es Wissenschaftlern des Fraunhofer IPA und des IPVS der Universität Stuttgart gelungen, das Verhalten mit den tatsächlichen Bauteilstrukturen zu simulieren und die Qualitätsanalyse deutlich zu verbessern.

Zweiter 3. Preis: »Einzelne Zellen handhaben und detektieren für den Hochdurchsatz«

Für die Diagnose und Therapie vieler Krankheiten, aber vor allem auch für die Produktion vieler Medikamente sind die Isolierung und Handhabung von Einzelzellen wichtige Werkzeuge. Ein schnelles effizientes Zellsortierungs- und Handhabungssystem des Fraunhofer IPA kann Kosten und Zeit in der Entwicklung und Produktion von neuen Arzneimitteln drastisch verringern.

Neben Prof. Thomas Bauernhansl, Institutsleiter des Fraunhofer IPA, saßen Dr. Norbert Leopold von der HWP Planungsgesellschaft, Dr. Wolfgang Rauh von der VITA Zahnfabrik H. Rauter und Dr. Jochen Schließer von Festo in der Jury. Die Veranstaltung moderierten die IPA-Mitarbeiter Christoph Schaeffer, Leiter Innovationsmanagement, und Dr. Günter Hörcher, Leiter Forschungsstrategie.

Die 1993 erstmals ausgelobten Preise werden seit 2012 unter dem Namen und der Schirmherrschaft von Hans-Jürgen Warnecke, ehemaliger Fraunhofer-Präsident und IPAInstitutsleiter a. D., verliehen. Wie jedes Jahr waren alle wissenschaftlichen Mitarbeiter des Fraunhofer IPA wie auch der universitären Schwesterninstitute IFF und EEP dazu eingeladen, ihre Entwicklungen einzureichen. Im Vorfeld wurden sieben Bewerbungen zur Preisverleihung nominiert, die die Entwicklerteams beim Innovationstag vorstellten. Anschließend gaben die Preisrichter ihre Entscheidung bekannt. Ausschlaggebend für die Beurteilung waren Kriterien wie Kreativität, Kundennutzen und methodisch-wissenschaftlicher Ansatz.

Tumore zu entfernen, ist für Chirurgen ein besonders schwieriges Unterfangen. Denn die betroffenen Stellen sind vom gesunden Gewebe kaum zu unterscheiden. Das Fraunhofer IPA hat ein Kamerasystem entwickelt, das Fluoreszenz oder Farbe detektiert. Auf diese Weise kann der Chirurg die angefärbten Tumore besser sehen und gezielter behandeln.

Um Tumore zu untersuchen, schaut sich der Chirurg die betroffenen Stellen zunächst mit dem Endoskop an. Allerdings sei es selbst mit geschultem Auge und Spezialausbildung in vielen Fällen äußert schwierig zu erkennen, wo der Krebs anfängt und wo er endet, kritisiert Nikolas Dimitriadis, Wissenschaftler der Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB in Mannheim. Auch im OPSaal erfordere es viel Fingerspitzengefühl, die Schnitte so anzusetzen, dass der Tumor komplett entfernt und gesundes Gewebe dabei geschont wird.

Mit Fluoreszenz ist es schon heute in einigen Bereichen möglich, tumorartiges Gewebe sichtbar zu machen. Dabei wird der Stoff, der die betroffenen Stellen aufleuchten lässt, entweder oral verabreicht oder direkt in die Blase eingeleitet. Hier gibt es aber noch Optimierungspotenzial. So ist der zugeführte Farbstoff viel schwächer als Licht. In der Neurochirurgie muss der Mediziner daher den Raum abdunkeln, um ihn zu sehen. In der Urologie muss er auf das Farbbild des Endoskops verzichten, wenn er die angefärbten Stellen betrachten will.

Das Kamerasystem der IPA-Wissenschaftler, das sie »Multispektrale Intraoperative Echtzeit-Bildgebung« nennen, zeigt den Farbstoff und das Farbbild gleichzeitig an. Die Kamera, bei der einige Lichtfarben geblockt sind, macht viele Aufnahmen unmittelbar hintereinander. Eine spezielle Software überträgt die Bilder daraufhin in Echtzeit auf einem Monitor im OP, wo sie mit den Farbbildern des Endoskops überlagern. »Da der Mediziner jetzt beide Aufnahmen gleichzeitig sieht, ist es für ihn einfacher, den Tumor zu entfernen«, betont der Wissenschaftler. In Zukunft sei es auch vorstellbar, empfindliche Strukturen wie Nerven, die keinesfalls verletzt werden dürfen, damit farbig hervorheben.

Fachlicher Ansprechpartner:
Nikolaos Deliolanis, Telefon +49 621 17207-178, E-Mail senden

Elektronische Geräte müssen heute immer größere Datenmengen in gleichzeitig immer kleineren und kompakteren elektrischen Strukturen übertragen. Deshalb wird mit aufwendigen Messverfahren das Übertragungsverhalten der Schaltungen und Baugruppen gemessen. Mit einem neuartigen Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen Bestimmung von elektrischen Parametern auf Basis der röntgenbasierten Computertomographie (CT) ist es Wissenschaftlern des Fraunhofer IPA und des IPVS der Universität Stuttgart gelungen, das Verhalten mit den tatsächlichen Bauteilstrukturen zu simulieren und die Qualitätsanalyse deutlich zu verbessern.

Elektronische Geräte in der Industrie, dem Consumer-Bereich, der Logistik und der Messund Medizintechnik generieren und verarbeiten immer größere Datenmengen wie Full- HD-Videos, 3D-Bilddaten oder Daten aus medizinischen Datenbanken. Gleichzeitig werden elektrische Strukturen und Platinen immer kleiner und kompakter, weisen also eine stetig steigende Integrationsdichte auf. Die zunehmenden Datenmengen und Bandbreiten erfordern vielfach die Implementierung von Multi-Gigabit-Verbindungen zwischen Komponenten in Systemen und den Systemen selbst, also zwischen sogenannten Interfaces und Netzwerken. Der Frequenzbereich der übertragenen Signale auf physikalischer Ebene solcher Multi-Gigabit-Systeme liegt im ein- bis zweistelligen GHz-Bereich und steigt kontinuierlich. Dies führt für die Systemrealisierung dazu, dass Methoden und Messverfahren der Hochfrequenztechnik für diese Multi-Gigabit-Verbindungen eingesetzt werden. Hierfür werden sogenannte Streuparameter, kurz S-Parameter, benötigt. Diese dienen zur Charakterisierung von elektrischen Leitungsstrukturen auf Basis von Transmission und Reflexion von Wellen. Sie beschreiben das Übertragungsverhalten von Schaltungen und Baugruppen, zum Beispiel Dämpfung oder Verstärkung von Signalen, als Black Box und ermöglichen die getreue Abbildung des elektromagnetischen Verhaltens realer Leitungsstrukturen im Computer durch Simulation. Typischerweise müssen diese Leitungsstrukturen nach dem Stand der Technik mit speziellen Messgeräten wie einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) zum Teil außerordentlich aufwendig bestimmt werden, da diese durch manuelles Anlegen an erreichbare Kontakte erfolgt.

Demgegenüber haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPA
und der Universität Stuttgart ein neuartiges Verfahren zur berührungslosen und breitbandigen
Bestimmung von elektrischen Parametern und insbesondere von S-Parametern
auf Basis der röntgenbasierten Computertomographie (CT) entwickelt. Sein Grundprinzip:
Mit einer Software werden nach der Durchstrahlung der Multi-Gigabit-Verbindungsstrukturen metallische Komponenten von nichtleitenden Substanzen, sogenannten Dielektrika, im 3D-Volumendatensatz der CT separiert, automatisiert geometrisch erfasst und klassifiziert. Das Ziel dabei ist die Erstellung vollständiger 3D-Modelle aller vorhandenen Leitungsstrukturen. Im Unterschied zu den CAD-Modellen, die zur Fertigung der Leitungsstrukturen verwendet werden und die die idealen, nominalen Geometriewerte enthalten, handelt es sich bei den CT-basierten 3D-Modellen um die tatsächlichen geometrischen Abmessungen der untersuchten Objekte. D.h. die CT-basierten 3D-Modelle beinhalten die Abweichungen von der nominalen Geometrie nach der Fertigung. Diese 3D-Modelle werden im Anschluss als Eingangsdaten für die elektromagnetische Feldsimulation verwendet, um elektrische Parameter des Untersuchungsobjekts zu ermitteln. Da es sich bei der Herstellung von Leiterbahnen, gerade mit geringen Abständen und mehrschichtigen Strukturen, um einen komplexen Prozess mit einigen schwer zu steuernden Herstellungsschritten handelt, unterscheiden sich reale und vorab modellierte Strukturen häufig stark voneinander. Der Einfluss dieser Abweichungen auf das spätere elektrische Verhalten des finalen Bauteils ist unter Umständen sehr groß. Daher ist der Bedarf einer verbesserten Analysemethode enorm.

Durch die Nutzung der CT-Technologie können insbesondere auch unzugängliche Strukturen innerhalb von Platinen wie Bonddrähte und Leitungen zwischen den Gehäusekontakten und dem Chip oder bereits mit Bauteilen bestückte Multilayer-Boards untersucht und deren S-Parameter ermittelt werden. Die zerstörungsfreie Charakterisierung unzugänglicher Strukturen bringt im Vergleich zur elektrischen Messtechnik große Vorteile. Sie bietet die vollständige, zerstörungsfreie und berührungslose Charakterisierung von realen Leitungsstrukturen. Außerdem reduziert das vorgeschlagene CT-basierte Verfahren die Entwicklungskosten um den Faktor 10 bis 100 oder mehr gegenüber der Nutzung eines konventionellen Messgeräts. Dies gilt insbesondere bei Problemen während der Gesamtintegration eines elektronischen Systems, da sich dabei die Fertigstellung des Produkts und somit die Auslieferung beim Kunden verzögern kann.

Fachliche Ansprechpartnerin:
Dr.-Ing. Julia Denecke, Telefon +49 711 970-1829, E-Mail senden

Für die Diagnose und Therapie vieler Krankheiten, aber vor allem auch für die Produktion vieler Medikamente sind die Isolierung und Handhabung von Einzelzellen wichtige Werkzeuge. Ein schnelles effizientes Zellsortierungs- und Handhabungssystem des Fraunhofer IPA kann Kosten und Zeit in der Entwicklung und Produktion von neuen Arzneimitteln drastisch verringern.

Viele Erkrankungen werden durch einzelne Zellen bewirkt. Zirkulieren in der Blut- oder Lymphlaufbahn beispielsweise Tumorzellen, können Tumore entstehen oder sich Metastasen im Körper bilden. Dieses Wissen aus der Einzelzellanalytik der Lebenswissenschaften soll zukünftig als diagnostisches Werkzeug oder zur Entwicklung sehr spezifisch wirkender Arzneimittel genutzt werden. Gelingt die Isolation und eine Vorselektion auf eine überschaubare Anzahl einzelner Zellen, so können die existierenden Werkzeuge zur Analyse des Genoms, Transkriptoms und Proteoms auf diese Zellen angewendet werden. Was in der »defekten« Zelle abläuft und welche Effekte der Defekt hervorruft, können dadurch entdeckt und Maßnahmen, wie diese Defekte am besten therapiert werden, abgeleitet werden.