Sensoren verleihen den Maschinen Augen

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Sensoren sorgen für Magie im Alltag. Dahinter stecken häufig lichtbasierte Technologien, die Produkte und Prozesse intelligent machen. Damit legen sie einen Grundstein für die Industrie 4.0 – eine Revolution, die gerade auch in der Schweiz vorangetrieben wird.

Von Yvonne von Hunnius

Es ist uns kaum bewusst, aber clevere Sensoren begegnen uns heute bereits an jeder Ecke. Wenn wir auf die Displays unserer Smartphones tippen, Aufzugtüren sich öffnen, wir Solarmodule nutzen, den Fernseher oder eine LED-Lampe anschalten. Letztlich sind auch selbstfahrende Autos kaum denkbar ohne Photonik – so heisst die lichtbasierte Technologie, die all das möglich macht. Dabei geht es um kleine Sensoren, die eine Brücke bauen zwischen der physischen und der virtuellen Welt: Sie verleihen den Maschinen Augen. Und dass das funktioniert, ist eine Grundbedingung für die Automatisierung der sogenannten Industrie 4.0, die gerade zur Revolution in allen Wirtschaftsbereichen ansetzt.

«Photonics gilt zu Recht als Schlüsseltechnologie. Die Intelligenz von Produkten basiert zu einem grossen Teil auf den besonderen Eigenschaften des Lichts», sagt Tobias Leutenegger. Er ist an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW in Chur der Leiter des Bachelorstudiengangs Photonics. Und Leutenegger weiss, dass das Thema nicht nur von spezialisierten Nischenunternehmen bearbeitet wird. Er sagt: «Auch breit aufgestellte Konzerne bauen verstärkt Abteilungen auf, die sich mit Photonik beschäftigen.»

Europa ist gut im Geschäft
Das Marktpotenzial ist riesig. Experten schätzen, dass der Photonik-Markt bis zum Jahr 2020 auf 670 Milliarden Franken anwächst. Das würde bedeuten, dass sich das Volumen im Vergleich zu 2011 sogar verdoppelt. Schon 2015 lag das Schweizer Exportvolumen für entsprechende Produkte bei knapp drei Milliarden Franken. Somit dürften Einbussen der Vergangenheit im Bereich der Photovoltaik nun in schnellen Schritten ausgeglichen werden: etwa von Zuwächsen in der optischen Messtechnik und Bildverarbeitung, im Gesundheitsbereich oder in der Informationstechnik.

Europa belegt laut aktueller Studien hinter China den zweiten Platz in diesem Markt. Ein wichtiger Grund hierfür ist sicher, dass kontinuierlich in Forschung und Entwicklung investiert wird: Die Forschungsquote in diesem Sektor liegt mit 10 Prozent etwa doppelt so hoch wie die des verarbeitenden Gewerbes. Alleine im Jahr 2015 wurden in der europäischen Photonik 10 Milliarden Euro in die Forschung investiert.

Schweiz soll Vorbild werden
Sensoren sind so wichtig für die Industrie 4.0, weil sie Messungen und Analysen während der Prozesse in Echtzeit ermöglichen. Wenn alles virtuell miteinander verbunden ist in einer modernen Fabrik, kann so die Effektivität stark gesteigert werden. Auch, weil die Sensoren Bescheid geben, wann etwa Werkzeuge zu reinigen oder zu ersetzen sind. Die Sensordaten sind laut Experten der Rohstoff für die Produktionsanlagen der Zukunft – selbstlernend und anpassungsfähig.

Wie das Ganze funktionieren kann, sieht man seit Mai 2017 in Ipsach bei Biel: Dort steht die Swiss Smart Factory (SSF) – gedacht als Prototyp der Fabrik der Zukunft. Die SSF ist Teil des Switzerland Innovation Parks Biel, grossteils privat finanziert, sieht sie sich als offene, neutrale Plattform. Hier testen und entwickeln Grossunternehmen, KMU, Start-ups und Forschungsinstitutionen neue Lösungen für die Automatisierung. Ein Schwerpunkt liegt natürlich auf smarten Sensoren. Ein Ziel ist auch, dass man die Schweiz mit solchen intelligenten Lösungen auf der ganzen Welt in Verbindung bringt. Deshalb soll es nicht bei dieser einen Factory bleiben: Mitunter will man in Mexiko und Malaysia weitere Test- und Demonstrationsfabriken nach dem Schweizer Vorbild aufbauen.

Photonik braucht Kooperation
Es hat sich bewährt, dass gerade in der Photonik über die Grenzen von Hochschulen und Institute hinweg geforscht wird, Hochschulen mit Unternehmen und Unternehmen miteinander kooperieren. So hat etwa die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW die Plattform Photonics eingerichtet, über die interdisziplinäre Projekte mit vielen Industriepartnern laufen. Das ganze Bündner Rheintal ist beispielsweise zum «Photonics Valley» geworden: ein Cluster, das sich selbst über die Jahre hinweg entfaltet hat und heute auch mithilfe der HTW in Chur intensiv gepflegt wird. Dabei sind die Rheintaler Akteure auch treibende Kräfte der Photonics-Fachgruppe des Branchenverbands Swissmem und des Schweizweiten Netzwerks Swissphotonics. Die traditionell in der Schweiz starke Maschinenbauindustrie hat sich durch clevere Zusammenarbeit auf den Weg in die digitalisierte Zukunft gemacht.

Pionierarbeit in der Schweiz
Treiber der Entwicklung sind neben der Industrie 4.0 insbesondere zwei Trends: selbstfahrende Autos und das immer stärker personalisierte Gesundheitswesen. «Und wir stehen erst am Anfang», sagt Beat De Coi, CEO von Espros Photonics in Sargans. Der Schweizer Pionier betreibt im Rheintal eine Chipfabrik. In einem komplexen Prozess mit rund 650 Schritten werden hier Produkte für Kunden auf der ganzen Welt produziert. Viele der Espros-Kunden sitzen aber auch ganz in der Nähe: So die ursprünglich ebenso von De Coi gegründete Cedes-Gruppe. Cedes entwickelt und produziert in Landquart optosensorische Produkte. Cedes-CEO Christian Thöny sagt: «In der Grösse einer halben Zigarettenschachtel ersetzen unsere intelligenten 3D-Sensor-Lösungen für Fahrstühle, Lichtvorhang-Leisten von zwei Metern Länge.» Damit kann eine Aufzugtür unterscheiden, ob ein Mensch nur vorübergeht, oder auf den Aufzug wartet.

Konkret auf die Industrie 4.0 konzentriert sich beispielsweise der Weltkonzern Rockwell Automation, der einen Fuss im Rheintal hat: Der amerikanische Hersteller von Automatisierungs- und Informationslösungen für die industrielle Produktion gilt mit weltweit 22 000 Mitarbeitenden sogar als führender Akteur der Industrie 4.0. Um seine Kompetenzen auch bei Photonik weiter auszubauen, hat er vor einigen Jahren von Cedes den Bereich Sicherheit und Automation gekauft. Und dieser arbeitet von Landquart aus.

Knapp zehn Millionen Chips werden von den rund 60 Mitarbeitenden der ESPROS Photonics pro Jahr in Sargans gefertigt.