Auf dem Campus der Universität Twente entsteht ein sehr cleverer Industrie-Inkubator. Es ist der jüngste Schritt von Fraunhofer, Europas größter anwendungsorientierter Forschungseinrichtung. Mit 72 Instituten und Forschungseinheiten in ganz Deutschland und einem Forschungsbudget von 2,3 Milliarden Euro hat dieses Netzwerk bereits einen erheblichen Einfluss auf viele gesellschaftliche Bedürfnisse in Europa. Dazu gehören Gesundheit, Sicherheit, Kommunikation, Energie und Umwelt.

Mehr über die Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer und Eindhoven erfahren Sie hier.

Dr. Biba Visnjicki ist Director of Business Development am Fraunhofer Project Center in Enschede. Sie erklärte Jonathan Marks, welche Auswirkungen ihre Pläne auf die europäische Photonikindustrie haben werden.

„Die Leute vergessen manchmal, dass Gewinne durch die Herstellung von Produkten erzielt werden, nicht in der Forschung und Entwicklung.”

„Fraunhofer hat sich für eine Partnerschaft mit der Universität Twente entschieden, nicht nur weil sie im Herzen eines der weltweit führenden Cluster für Optik und Nanotechnologie liegt. Sondern auch wegen seines internationalen Rufs für Produktions- und Fertigungskompetenzen.”

PHOTONIK: MESSUNG DESSEN, WAS DERZEIT NICHT MESSBAR IST

„Lichtbasierte Technologien erweisen sich als der Schlüssel zum Bau kleinerer, billigerer und schnellerer Geräte, um viele große gesellschaftliche Herausforderungen zu lösen. Die Photonik wirkt sich bereits in verschiedenen Bereichen aus, darunter im Gesundheitswesen (Präzisionswerkzeuge in der Chirurgie, schnellere DNA-Sequenzierung), 5G-Photoniknetzwerke der nächsten Generation, Ultra-Secure Quantum Computing, selbstfahrende und fahrerunterstützte Fahrzeuge (LIDAR), Infrastrukturüberwachung in Flugzeugen, Lebensmittelsicherheitstests auf Krankheitserreger sowie Umweltüberwachung auf der Erde und aus dem Weltraum. Das sind alles Bereiche, die uns an Fraunhofer interessieren.”

WARUM DIE EUROPÄISCHE PHOTONIK SKALIERT WERDEN MUSS

„Europäische Regionen wie Overijssel, Gelderland und Nordbrabant (insbesondere die Brainport Eindhoven Region) wollen Europas Führungsrolle bei der Entwicklung und Herstellung von photonischen integrierten Chips behaupten. Die Skalierung bis zur Serienfertigung von Chips und kompletten Produktsystemen ist für eine prosperierende und ökologisch nachhaltige Industrie unerlässlich. Skalierbare Produktionstechnologie ist seit jeher der Schlüssel zu anderen High-Tech-Branchen wie Automotive LIDAR-Systeme, Datacom-Applikationen, Unterhaltungselektronik und viele mehr.”

Mehrere Fraunhofer-Institute in Deutschland (z.B. Heinrich-Hertz-Institut in Berlin oder das Institut für Produktionstechnik in Aachen) sind aktive Mitglieder der European Photonics Alliance, einer Initiative von PhotonDelta. Aufgrund des komplexen und teuren Charakters dieser Nanotechnologien braucht Europa einen interregionalen kooperativen Ansatz, wenn es seine führenden Photonikunternehmen erfolgreich ausbauen will. Sie reagieren auf die Notwendigkeit, die Produktionsplattformen für photonische integrierte Schaltungen zu stabilisieren und zu skalieren, um qualifizierte, getestete und funktionelle Muster mit garantierten Lieferterminen bereitzustellen. Große internationale Firmenkunden fordern einen Weg zur Kostensenkung durch modulare Scale-up-Produktion von PICs, Packaging und Testing.

DEN WEG ZUM WACHSTUM VERSTEHEN

„In den letzten zwei Jahren haben wir die Bedürfnisse führender Unternehmen der niederländischen Photonikindustrie berücksichtigt. Die meisten innovativen Unternehmen können ein paar Dutzend Arbeitsproben ihrer Geräte erstellen. Die Skalierung auf 100.000 bis eine Million Stück pro Jahr, um die wachsende Kundennachfrage zu erfüllen, ist immer schwieriger.”

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sich die Mikroelektronikindustrie und die Photonik in sehr unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Der Halbleitersektor wird von großen multinationalen Unternehmen dominiert, die global agieren und handeln. Doch laut dem European Photonics Industry Consortium (EPIC) haben rund 60 Prozent der europäischen Photonik-Unternehmen weniger als 100 Mitarbeiter. Doch sie treiben bahnbrechende Innovationen in vielen anderen Hightech-Sektoren voran und stanzen über ihrem Gewicht in sehr fortschrittlichen, hochwertigen Lösungen. Wie werden diese Unternehmen also wachsen und gedeihen?

„In der heutigen Photonikindustrie entfallen nur 20% der Kosten auf das Design und die Herstellung von photonischen integrierten Schaltungen. Aber diese Systeme auf einem Chip müssen genau mit der Außenwelt verbunden sein, um zu funktionieren. Deshalb machen Verpackungs- und Montageprozesse derzeit 80% der Kosten in der Entwicklung und Produktion von photonischen Systemen aus. Das muss sich ändern. Der Grund dafür ist unter anderem, dass die Montageprozesse immer noch manuell unter dem Mikroskop mit allen möglichen Werkzeugen durchgeführt werden. Das Ergebnis hängt sehr stark von den Fähigkeiten eines menschlichen Bedieners ab und es gibt immer eine natürliche Grenze, wie schnell er arbeiten kann.”

Warum also machen viele europäische Unternehmen immer noch die meisten ihrer Montageprozesse manuell? „Sie behaupten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass sie in Nischenmärkten mit geringem Volumenbedarf arbeiten. Andere erklären, dass die Investition in die Automatisierung zu hoch und der Return on Investment zu lang ist. Die große Erfahrung von Fraunhofer in der Halbleiter- und Laserfertigung zeigt uns jedoch, dass sie kein sehr hohes Volumen benötigen, bevor dieser Wert “Kipppunkt” zugunsten der Automatisierung erreicht ist. Da der Markt reift und eine wesentlich kürzere Time-to-Market unerlässlich wird, denken Photonik-Unternehmen daher viel früher über die Produktionsautomatisierung nach. Hier setzt die Expertise des Fraunhofer-Projektzentrums in Twente an.”

„Die meisten innovativen Unternehmen können ein paar Dutzend Arbeitsproben ihrer Geräte herstellen. Die Skalierung auf 100.000 bis eine Million Stück pro Jahr, um die wachsende Kundennachfrage zu erfüllen, ist immer schwieriger.”

VERKNÜPFUNG VON FERTIGUNGSPROZESSEN WIE ZUM BEISPIEL ECHTZEITTESTS

Automatisierung verbessert nicht nur die Ausbeute und Qualität jedes photonischen Produkts. Es wird einfacher, Echtzeittests zu integrieren oder Fertigungsprozesse, die bisher getrennt waren, miteinander zu verbinden.

„Testen ist der Schlüssel zur Herstellung von hohen und niedrigen Stückzahlen. Denken Sie an ein Großserienunternehmen, in dem der Ausfall von 10 Geräten unbedeutend ist, verglichen mit den anderen 10 Millionen, die funktionieren. Auf der anderen Seite gibt es Unternehmen, deren Geschäftsmodell darin besteht, jährlich 100 hochleistungsfähige Laser zu produzieren. Die Kosten für den Ausfall nur eines dieser Lasersysteme entsprechen dem Jahresgehalt von 3 Mitarbeitern.”

„Wir können viel von der reifen Halbleiterindustrie lernen. Wenn Sie elektronische Geräte im Geschäft kaufen, sind die meisten der darin enthaltenen Komponenten nicht einzeln geprüft und kalibriert. Die Hersteller haben Prozesse entwickelt, die zuverlässige Chip-Ausbeuten liefern können, die so hoch sind, dass sie die Kosten für Ausfälle, die bei der Ankunft “tot” sind, leicht decken können.”

DAS FRAUNHOFER PARTNERSCHAFTSANGEBOT

Der neue photonische Inkubator hat seinen Sitz in Twente mit dem Ziel, europäischen Unternehmen flexible Montagelösungen für ihre optischen Systeme anzubieten. Das bedeutet, Kunden während der gesamten Realisierungsphase einer neuartigen photonischen Produkteinführung zu begleiten. Das beginnt mit einem modularen Aufbau für Fertigung und Montage beim Prototyping.

Aktuelle Automatisierungslösungen aus der Halbleiterindustrie sind jedoch in der Regel auf eine schnelle Produktion von 100.000 Stück oder mehreren Millionen Einheiten ausgerichtet. Es ist entweder eine Großserienproduktion oder nichts. Im Fraunhofer-Projektzentrum in Twente wird ein anderer Ansatz verfolgt, indem Maschinen mit einem modularen Fertigungskonzept entwickelt werden. Die Plattform kann für die Herstellung von einem oder zwei Prototypen verwendet werden. Nach der Validierung kann mit derselben Maschine die Produktion schrittweise von 100 auf 1000, auf 100.000 und bei Bedarf auf eine Million Komponenten pro Jahr gesteigert werden. Das Institut baut auf dem Wissen auf, das die Kollegen am Institut für Produktionstechnik in Aachen für andere Branchen (z.B. Automotive) entwickelt haben.

EINZIGARTIG SKALIERBARER ANSATZ

„Wir haben diese bewährte Technologie übernommen und einen neuen Werkzeugkopf entwickelt, der speziell für die Anforderungen der Photonikindustrie an das Multi-Fibre-Handling geeignet ist. Wenn Sie die Fasern nicht mit submikroner Genauigkeit mit dem Chip verbinden und die Faserpolarisation beibehalten, gehen wertvolle Photonen verloren, die in den Chip eindringen oder ihn verlassen. Mit einer Schrittauflösung von weniger als 20 Nanometern und einem auf die spezifischen Bedürfnisse photonischer Systeme zugeschnittenen Maschinenaufbau erreichen wir Endmontagegenauigkeiten im tiefen Submikronbereich – auch nach dem Bonden.”

PHIX IST DER ERSTE

„Wir befinden uns in der Endphase der Installation der ersten kompletten Maschine für unseren ersten Kunden – die PHIX Photonics Assembly Facility in der High-Tech-Fabrik in Enschede. Sie bieten Montagedienstleistungen für alle drei großen PIC-Technologieplattformen (InP, Si und SiN) an und sind auf die hybride Integration von Chip-to-Chip- und Fibre-to-Chip-Modulen spezialisiert. Wir haben eine sehr intuitive Benutzeroberfläche entwickelt, um einen reibungslosen Übergang zur hochvolumigen Automatisierung zu gewährleisten. Die Prozessabläufe können vom Ingenieurpersonal des Kunden ohne spezielle Automatisierungskenntnisse entwickelt, getestet und robust gemacht werden.

Wir sind auch stolz auf unsere Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Spinoff AIXEMTec, das unser Wissen in der flexiblen Automatisierung und Auftragsfertigung lizenziert. Sie stellen die Werkzeugmaschinen her und bieten Montageleistungen für junge Unternehmen an, die noch im Prototypenbau sind. Alles in allem ist es ein komplettes Angebot, das den Anforderungen von Industrie 4.0 entspricht.”

AUSTAUSCH VON INDUSTRIE 4.0 PRODUKTIONSWISSEN MIT DER UNIVERSITÄT

„Last, but not least sind wir uns sehr wohl bewusst, dass die Ingenieure von morgen die Veränderungen in der Hightech-Industrieproduktion, einschließlich der Photonik, verstehen müssen. Unser Industrie-Inkubator in Enschede ist daher eng mit den Studierenden der Universität Twente verbunden. Ein gutes Beispiel ist der Masterstudiengang Product Life Cycle Management, der Teil des Lehrplans Industrial Design Engineering ist. Es vermittelt den Studenten das Verständnis für industrielle Prozesse und die Art und Weise, wie Daten und Branchenerfahrung genutzt werden können, um Produktentwicklungszyklen zu beschleunigen.”