VIVA-SAX - Validierungsförderung

Titel: 
Vom Labor zur Industrie: Validierung von patentierten innovativen Ultrakurzpuls-Lasertechnologien für industrielle Anwendungen

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel
Professur Physik/Physikalische Technologien

Projekt:
LVP

Kurzfassung:
Das Projekt zielt darauf ab, patentierte Ultrakurzpuls-Lasertechnologien hinsichtlich ihrer industriellen Einsatzfähigkeit zu validieren. Grundlage bilden mehrere Patente der Hochschule Mittweida, die innovative Anwendungen in der Oberflächenbearbeitung von Festkörpermaterialien ermöglichen. Für die Umsetzung kommen ultrakurze Laserpulse in GHz-Pulsfolgen zum Einsatz, die zum Hochglanzpolieren metallischer Oberflächen ebenso wie zur Erzeugung neuartiger Oberflächenlegierungen und von schwammartigen Porenstrukturen angewendet werden können. Allerdings birgt der Prozess mit konventionellen GHz-Pulsfolgen das Risiko einer extrem gesundheitsgefährlichen Röntgenstrahlung als Nebenprodukt des Bestrahlungsprozesses. Dieses Risiko wurde bereits in einem vorangegangenen ZIM-Projekt gemeinsam mit der ACSYS Lasertechnik GmbH bestätigt und stellt bislang eine wesentliche Hürde für den industriellen Einsatz dar. Zur Lösung dieser Problematik wird in Kooperation mit Light Conversion aus Vilnius, Litauen – dem Hersteller des Lasers, der in der Lage ist, diese GHz-Pulsfolgen zu erzeugen – eine neuartige Technologie genutzt, die im Rahmen des Projektes hinsichtlich der Möglichkeit der industriellen Anwendung validiert werden soll. Hierbei kommt ein Laser-Prototyp zum Einsatz, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen einer DFG-FH-Förderung finanziert wurde und am Laserinstitut Hochschule Mittweida zur Verfügung steht. Erste Tests zeigen Parameterbereiche, in denen hochglänzende Oberflächen ohne die Entstehung gefährlicher Röntgenstrahlung erzielt werden können, wobei aktuell noch auftretende Instabilitäten im Laser- Prototyp die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beeinträchtigen. Im Fokus des Projekts steht daher die Optimierung der Systemstabilität, Reproduzierbarkeit und Robustheit des gesamten Laserprozesses, um die Industrietauglichkeit (Ziel: TRL 5) in einem Pilotversuch zu erreichen. Unterstützt wird dieser Validierungsprozess durch Absichtserklärungen von Light Conversion und der ACSYS Lasertechnik GmbH, die eine kostenneutrale technische Unterstützung sowie eine spätere Prüfung unter realen industriellen Bedingungen zusichern. Damit wird der Weg für ein Folgeprojekt bis zur Marktreife (TRL 9) geebnet, das nicht nur für das Hochglanzpolieren von Metalloberflächen, sondern auch für Anwendungen in der Präzisionsbearbeitung, Mikrostrukturierung, Werkstofftechnik und weiteren innovativen industriellen und medizinischen Einsatzbereichen Anwendungen eröffnet.

Titel: 
Integration bidirektionaler Ladeinfrastruktur in die gemeinschaftliche Gebäudeenergieversorgung

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Ralf Hartig
Professur für Regenerative Energien

Projekt:
LVP

Kurzfassung:
Die Integration bidirektionaler Ladeinfrastruktur in die gemeinschaftliche Gebäudeversorgung nach §42b EnWG eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltige und resiliente Energieversorgung. Im geplanten Vorhaben soll die vor Ort erzeugte Photovoltaik-Energie (PV) zur Ladung von Elektrofahrzeugen genutzt werden. Gleichzeitig sollen diese Fahrzeuge in der Lage sein, elektrische Energie zurück ins Gebäude einzuspeisen, um entweder eine netzunabhängige Versorgung bei Stromausfällen zu gewährleisten oder Lastspitzen innerhalb des Gebäudes gezielt zu verschieben.

Für die erfolgreiche Umsetzung sind mehrere zentrale Komponenten erforderlich: 
1. Messkonzept: Entwicklung einer präzisen Messinfrastruktur zur Erfassung und Steuerung von Energieflüssen zwischen PV-Anlage, Fahrzeugen und Gebäude. 
2. Abrechnungskonzept: Definition eines rechtssicheren und wirtschaftlichen Modells für die Vergütung von Energielieferungen zwischen Fahrzeughaltern, Gebäude und PV-Anlagenbetreiber. 
3. Energiemanagementkonzept: Implementierung eines intelligenten Energiemanagementsystems zur Optimierung der Energieverteilung unter Berücksichtigung von Lastprofilen, Netzanforderungen und Nutzerbedürfnissen.

Zur praktischen Validierung dieser Konzepte wird ein Demonstrator entwickelt. Als Demonstrationsobjekt ist das Telewerk der Hochschule Mittweida vorgesehen. Dort sollen die entwickelten Konzepte in einer realen Umgebung erprobt und evaluiert werden. Das Vorhaben leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung und Skalierbarkeit bidirektionaler Ladesysteme in der Gebäudetechnik und stärkt die Energieautonomie sowie Netzstabilität durch intelligente Sektorenkopplung.

Titel: 
Laserbasierte additive Fertigung hochaufgelöster Mikrobauteile aus reinem Kupfer mittels Mikro-SLM

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. André Streek 
Professur Lasergestützte additive Fertigung/Digitalisierung von Laserprozessen

Projekt: 
Laserbasierte additive Fertigung hochaufgelöster Mikrobauteile aus reinem Kupfer mittels Mikro-SLM

Kurzfassung: 
Die additive Fertigung ermöglicht heute die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien mit hoher Designfreiheit. Insbesondere das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) hat sich für die Herstellung aus Metall etabliert. Mit Werkstoffen wie Edelstahl oder Aluminium lassen sich hochdichte Bauteile mit Auflösungen bis 300 μm und sehr guten mechanischen Eigenschaften industriereif herstellen. Kupfer gewinnt aufgrund seiner exzellenten thermischen und elektri-schen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung für die laserbasierte additive Fertigung. Allerdings ist die Verarbeitung von reinem Kupfer aufgrund seiner geringen Absorption im nahen infraroten Wellenlängenbereich (NIR) der standardmäßig eingesetzten Laser und seiner hohen Wärmeleitfähigkeit besonders herausfordernd. Diese Faktoren begrenzen die minimalen Strukturbreiten im SLM-Verfahren auf etwa 0,7 - 0,8 mm, wodurch Bauteile, die feinere Strukturen erfordern, nicht mit diesem Verfahren gefertigt werden können. Doch gerade bei Strukturen von unter 100 μm besteht zunehmendes Interesse und ein steigender Bedarf am Markt. Eine vielversprechende Lösung bietet das am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) entwickelte Mikro-SLM-Verfahren, eine Weiterentwicklung des etablierten laser-pulverbettbasierten 3D-Drucks von Metallbauteilen (auch SLM oder L-PBF) in den Mikrobereich. Es ermöglicht den 3D-Druck von Bauteilen mit höherer Strukturauflösung, geringerer Oberflächenrauheit und höherer Formgenauigkeit unter Einsatz sehr feiner Pulver mit Korngrößen kleiner 10 μm und einem Laserspot von ca. 30 μm. Damit lassen sich Präzisionsbauteile mit Strukturauflösungen von bis zu 30 μm und Schichtdicken von bis zu 5 μm realisieren. Im Vergleich zum gängigen SLM-Verfahren bedeutet das eine Verbesserung der Auflösung um den Faktor 4 - 5. Die Oberflächenrauheit der unbehandelten Bauteile liegt bereits bei lediglich R_a = 2,5 μm. Durch nachträgliches Glasperlen-strahlen kann die Rauheit auf R_a = 1,0 μm verringert werden und mittels Trockenelektropolieren sogar auf R_a = 0,1 μm. In ersten Versuchen mit reinem Kupfer wurden bereits eine hohe Dichte und Strukturbreiten von 150 μm erreicht. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse der bereits etablierten Materialien ist davon auszugehen, dass durch gezielte Weiterentwicklung des Verfahrens von der Materialvorbereitung über die Anpassung der Prozessparameter bis hin zur Opti-mierung der Anlagentechnik und Nachbehandlung künftig hochreine Kupferstrukturen mit bisher unerreichbaren Strukturauflösungen hergestellt werden können.

Titel: 
ValiXBloks

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Christian Roschke 
Professur für Digitale Transformation und Angewandte Medieninformatik

Projekt:
LVP

Kurzfassung: 
Das abgeschlossene Forschungsprojekt der Hochschule Mittweida „xBloks“ (BMBF) hat ein umfassendes Sicherheitssystem für digitale Rennsportveranstaltungen hervorgebracht, das sich aus mehreren essenziellen Bausteinen zusammensetzt: einem Motion-Simulator, einem Fahreridentifikationssystem, einer Blockchain-Infrastruktur, einem Hardware-Dongle sowie einer webbasierten Nutzerplattform. Ziel dieses Systems ist es, Sicherheit und Authentifizierung bei digitalen Rennsportevents auf ein neues Niveau zu heben, indem Manipulationsversuche wirksam erkannt, verhindert und zuverlässig nachgewiesen werden können. In der folgenden Zusammenfassung werden die wesentlichen Ergebnisse und die geplanten Validierungsschritte näher erläutert:

1. Motion-Simulator-Technologie (TRL-Level 3) Ein zweisitziger Motion-Simulator wurde erfolgreich konzipiert, konstruiert und getestet. Diese Technologie bietet Fahrern und Zuschauer ein besonders immersives Erlebnis, indem realistische Fahrphysik und Bewegungsabläufe simuliert werden. Die erstellten Konstruktionspläne, Stücklisten und Dokumentationen ermöglichen, unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards, den Nachbau weiterer Demonstratoren. Damit wird eine solide Basis für die Weiterentwicklung und den breiteren Einsatz der Technologie im professionellen Bereich geschaffen.

2. Fahreridentifikationssystem (TRL-Level 3) Durch die Implementierung eines Fahreridentifikationssystems können Telemetriedaten der Rennsimulationen genutzt werden, um digitale Fingerabdrücke zu erstellen. Dieses System erkennt Abweichungen im Fahrverhalten und nutzt KI-basierte Methoden, um Manipulationsversuche aufzudecken. Die Verknüpfung mit dem Motion-Simulator erlaubt eine Laufzeitauswertung und eine kontinuierliche Aktualisierung von Fahrerprofilen. Damit wird die Authentizität und Nachvollziehbarkeit des Fahrerlebnisses maßgeblich verbessert.

3. Blockchain-Infrastruktur (TRL-Level 3) Die neu entwickelte Blockchain-Plattform gewährleistet die unveränderliche Speicherung und den manipulationssicheren Abruf aller relevanten Daten. Dies umfasst insbesondere die digitalen Fingerabdrücke sowie die Nutzerinformationen. Mithilfe von Smart Contracts kann das System zudem automatisiert auf definierte Ereignisse reagieren und beispielsweise bei Manipulationsverdacht entsprechende Prüfmechanismen auslösen. Diese technologische Basis verstärkt insgesamt die Transparenz und Vertrauenswürdigkeit digitaler Rennsportveranstaltungen.

4. Hardware-Dongle (TRL-Level 3) Um einen durchgängigen Schutz sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene sicherzustellen, wurde ein spezieller Hardware-Dongle entwickelt. Dieser ist in den Motion-Simulator integriert und liest fortlaufend Systemdaten aus, die anschließend an ein zentrales Security-Gateway gesendet werden. Auf diese Weise wird festgestellt, ob sowohl die eingesetzte Hardware als auch die Software manipulationsfrei ist. Dies sorgt für eine zusätzliche Sicherheitsschicht im gesamten System.

5. Webbasierte Nutzerplattform (TRL-Level 3) Als Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten des Systems dient eine webbasierte Plattform, bestehend aus Frontend und Backend. Sie ermöglicht Nutzer eine transparente Einsicht in ihre Profile, die Telemetriedaten sowie vergangene und anstehende Rennveranstaltungen. Auch die Administration von Events ist hier eingebettet, was die Organisation und Teilnahme an digitalen Rennen erheblich vereinfacht. Gleichzeitig lassen sich sämtliche Ergebnisse direkt mit den zugehörigen Fahrerprofilen verknüpfen und sicher in der Blockchain speichern.

Der Funktionsnachweis in den fünf aufgeführten Bestandteilen ist erbracht. Das Hauptziel des Validierungsvorhabens liegt darin, die Funktionsfähigkeit und Sicherheit des entwickelten Gesamtsystems in realen Anwendungsszenarien zu bestätigen (TRL-Level 5). Dazu zählt die 2 Prüfung der Identitätsvalidierung unter praxisnahen Bedingungen sowie das Verhindern und Erkennen möglicher Manipulationsversuche. Darüber hinaus ist vorgesehen, Business- und Verwertungspläne zu erstellen, in denen die wirtschaftliche Umsetzbarkeit untersucht und potenzielle Einnahmequellen sowie ein Geschäftsmodell identifiziert werden. Eine umfassende Kosten-Nutzen- Analyse soll dabei aufzeigen, wie das System gewinnbringend und nachhaltig betrieben werden kann.

Neben der technischen und wirtschaftlichen Betrachtung steht die ökologische Nachhaltigkeit im Fokus. Es wird evaluiert, inwieweit die Implementierung des Systems – insbesondere in Bezug auf die Blockchain-Technologie – einen zusätzlichen Ressourcenverbrauch verursacht oder einen positiven Beitrag zur nachhaltigen Ausgestaltung digitaler Rennsportveranstaltungen leisten kann. Dabei gilt es, die CO₂-Bilanz, den Energieverbrauch sowie mögliche Optimierungspotenziale im Bereich der Hardware und Software zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen für eine zielgerichtete Weiterentwicklung in Hinblick auf Ökologie, Ökonomie und Soziales eingesetzt werden. Um alle Anforderungen, insbesondere im Bereich Nachhaltigkeit und Betriebswirtschaft, angemessen abzudecken, wird ein Teammitglied mit fundierten Kenntnissen in Blockchain-Technologien sowie im Bereich Unternehmensführung bzw. Nachhaltigkeitsmanagement in das Projekt eingebunden. Dieses kann bereits über entsprechendes Fachwissen verfügen oder im Zuge des Projekts umfassend geschult werden. Durch diese Expertise sollen die Ergebnisse des xBloks-Projekts kontinuierlich analysiert und entsprechend den drei Nachhaltigkeitsaspekten optimiert werden.

Insgesamt legte das Projekt „xBloks“ damit einen Grundstein für ein neuartiges Sicherheits- und Authentifizierungssystem im digitalen Rennsport, dessen Leistungsfähigkeit und Marktpotenzial durch die anstehende Validierung unter realen Bedingungen belegt werden soll. Die hierauf aufbauenden Analysen zu Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit werden maßgeblich dazu beitragen, das System langfristig erfolgreich zu etablieren und zukunftsorientiert weiterzuentwickeln.

Titel:
Vom Funktionsnachweis zur Anwendung: Validierung eines laserbasierten opto-akustischen Messverfahrens zur zerstörungsfreien Zustandsbewertung von Betonbauteilen

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Jörn Hübelt
Professur für Technische Mechanik und Akustik

Projekt: 
LVP

Kurzfassung:
Das beantragte Langzeitvalidierungsprojekt zielt auf die Überführung eines bereits funktional nachgewiesenen laserbasierten opto-akustischen Messverfahrens in eine anwendungsnahe, robuste und validierte Prüfmethode zur zerstörungsfreien Zustandsbewertung von Betonbauteilen. Das Verfahren basiert auf der gezielten optischen Anregung der Bauteiloberfläche mittels hochenergetischer Laserpulse, wodurch akustische Wellen im Material erzeugt werden. Materialeigenschaften sowie innere Schädigungen beeinflussen charakteristische Signalparameter wie Frequenzspektrum, Amplituden und Dämpfungsverhalten, die kontaktlos detektiert und ausgewertet werden können.
In vorangegangenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konnte der grundsätzliche Funktionsnachweis des Messprinzips erfolgreich erbracht werden. Insbesondere für großflächige und geometrisch wenig eingeschränkte Strukturen wurde gezeigt, dass sich material- und schädigungsbedingte Veränderungen zuverlässig erfassen lassen. Für geometrisch begrenzte Betonbauteile mit eingeschränkten Messfreiheitsgraden besteht jedoch weiterhin ein spezifischer Validierungsbedarf. Hier führen Randbedingungen wie begrenzte Bauteilabmessungen, reflektierende Grenzflächen und überlagerte Schwingungsmoden zu veränderten Signalcharakteristika, deren systematische Erfassung und Bewertung bislang nicht ausreichend untersucht ist.
Ziel des Vorhabens ist es daher, das bestehende Messverfahren unter diesen verschärften Randbedingungen experimentell zu validieren und die Messkonfiguration sowie Auswertestrategien gezielt auf geometrisch begrenzte Betonbauteile anzupassen. Hierzu sollen reproduzierbare Referenzsignale an intakten Bauteilen ermittelt und systematisch mit Signaturen definierter Schädigungszustände verglichen werden. Die Arbeiten konzentrieren sich bewusst auf die Validierung und Anwendungsreife des vorhandenen Verfahrens und beinhalten keine grundlegende Neuentwicklung der zugrunde liegenden Messtechnik.
Mit Abschluss des Projekts soll eine belastbare Grundlage für den Einsatz des opto-akustischen Messverfahrens in weiterführenden anwendungs- und industrieorientierten Vorhaben geschaffen werden.

Thema: 
Validierung eines Verfahrens zur Herstellung direkt siedegekühlter mikroelektronischer Bauelemente durch laserbasierte Oberflächenstrukturierung (LasoCool)

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner
Professur Laserfertigungstechnik/Hochleistungsmaschinenbau

Projekt:
LVP

Kurzfassung:
Leistungsstarke mikroelektronische Bauelemente, beispielsweise im Bereich High-Performance Computing (HPC) in KI-Anwendungen, erzeugen infolge der im Rechenbetrieb auftretenden Verlustleistungen erhebliche Mengen an Abwärme. Diese Wärme muss zur Aufrechterhaltung der Rechenleistung zuverlässig abgeführt werden, um lokalen Überhitzungen und resultierenden Fehlfunktionen bis hin zur Zerstörung der Elektronikkomponenten vorzubeugen. Hier setzt das beantragte Forschungsvorhaben an. Ziel von LasoCool ist die Bereitstellung eines lasergestützten Verfahrens zur funktionsoptimierten mikrostrukturellen Gestaltung von Kühloberflächen elektroni-scher Bauelemente, das innerhalb der Projektarbeiten erforscht und unter realitätsnahen Einsatz-bedingungen validiert wird. Die Siedekühlung durch Blasensieden stellt ein sehr leistungsfähiges Verfahren für den Wärmeübertag an Oberflächen dar, da durch Bildung und Ablösen von Dampfblasen sehr hohe Wärmemengen bei vergleichsweise geringer Temperaturdifferenz abgeführt werden können. Mithilfe der lasergefertigten definierten mikroskaligen Strukturen auf den Kühlflächen kann das Ablöseverhalten von Dampfblasen gezielt beeinflusst werden, wodurch sich das besonders effiziente Blasensieden stabilisieren und bereits bei niedrigeren Temperaturen initiieren lässt. Dies ermöglicht ein schnelleres Nachströmen von Kühlmittel an die wärme-belasteten Oberflächen, erhöht den Wärmeabtransport und reduziert die Betriebstemperatur der elektronischen Komponenten. Aus der verbesserten Kühlleistung lassen sich neben einer Performance-Steigerung auch eine Verbesserung der Energieeffizienz und Betriebssicherheit oder eine verlängerte Lebensdauer der Systeme ableiten. Daraus ergibt sich ein direkter Nutzen für eine Vielzahl von Anwendungen in den zukunftsrelevanten Schlüsselbereichen der Energie- und Digitalwende, wie beispielsweise HPC, Rechenzentren, Leistungselektronik oder Elektromobilität.
Das Aufbringen der mikroskopisch kleinen funktionalen Strukturen auf die Kühlkörperoberfläche soll mit Hilfe der am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) bereitstehenden Lasermikrobear-beitungstechnologie erfolgen. Insbesondere die werkstückschonende Oberflächenbearbeitung mittels Ultrakurzpulslaserstrahlung (UKP) erlaubt eine hochpräzise Strukturierung ohne relevante thermische Beeinflussung des Substrats. Dadurch wird sogar eine rückseitige Oberflächen-strukturierung von Trägersubstraten ermöglicht, ohne die elektronischen Einheiten auf der Funktionsseite thermisch zu schädigen. Diese Eigenschaft eröffnet zudem die Möglichkeit einer nachträglichen Laserbearbeitung bereits vollständig prozessierter Elektronikbauelemente.
Im Vergleich zu den bislang überwiegend eingesetzten nasschemischen Ätzverfahren, die bei isotropen Materialabtrag eine begrenzte Strukturpräzision und Flexibilität bieten und teils als umweltkritisch und gesundheitsschädigend gelten, bietet die Laseroberflächenstrukturierung als neuartiger, potenziell disruptiver Ansatz wesentliche Vorteile. Die Lasertechnik ermöglicht eine schädigungsarme bis schädigungsfreie Herstellung mikroskopisch kleiner Funktionselemente sowie eine präzise und lokal kontrollierte Strukturierung bzw. Aufrauhung von Substratoberflächen. Darüber hinaus weisen die lasergefertigten Mikrostrukturen hohe Aspektverhältnisse auf, wodurch sich die effektive Wärmeübergangsfläche deutlich vergrößert. Dies bietet die Grundlage für eine signifikante Steigerung der derzeit realisierbaren Wärmestromdichten, was wiederum neue Anwen-dungsmöglichkeiten, beispielsweise für leistungsdichte elektronische Systeme und mikrostruk-turierte Kühlkonzepte, eröffnet. Langfristig können die im Projekt erzielten Ergebnisse zudem ermöglichen, Kühlstrukturen direkt in die Rückseite von Siliziumwafern zu integrieren. Dadurch können perspektivisch zusätzliche Kühlkörper entfallen, was eine Miniaturisierung elektronischer Systeme begünstigt sowie zu Material- und Gewichtseinsparungen führt. Gleichzeitig wird der Einsatz von Wärmeleitpasten vermieden, die bislang als thermische Übergangsschicht verwendet werden, jedoch eine zusätzliche Wärmebarriere darstellen und Alterungsprozessen unterliegen.

Titel:
Verfahren zur ML-basierten Bauteildetektion und Datenvalidierung für Wareneingangsprüfung und Montage (VeMDetect)

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Leif Goldhahn
Professur Produktionsinformatik

Projekt:
LVP

Kurzfassung:
Das Vorhaben adressiert ein konkretes Praxisdefizit: Die automatisierte Bauteilerkennung erreicht unter realen Produktionsbedingungen bislang keine ausreichende Zuverlässigkeit. In Wareneingangs- und Montageprozessen führt dies zu fehlerhaften Zuordnungen, zusätzlichem Prüfaufwand und Störungen im Ablauf (Bock, Goldhahn, Schubert, 2026). Ziel des Validierungsprojekts ist die Entwicklung und Erprobung eines bildbasierten Verfahrens, das Bauteile automatisch erkennt, mit zugehörigen Prozess- und Auftragsdaten verknüpft und diese kontextbezogen prüft. Dadurch werden Bauteile korrekt identifiziert und nachgelagerte Arbeitsschritte mit den richtigen Komponenten ausgeführt. Dies reduziert Fehler, vermeidet Falschverbau und Reklamationen und spart Zeit in Logistik und Montage.
Ausgangspunkte bilden Vorarbeiten aus den Projekten visKIMa und PerspektiveArbeit Lausitz sowie Untersuchungen in den Laborumgebungen Adaptive Montage und Trainingsfabrik 4.0. Erste Anwendungen mit Industriepartnern wie Festo Didactic SE, EMIS Electrics GmbH und CIMPCS GmbH zeigen, dass unter Laborbedingungen Erkennungsraten von bis zu 90 % erreicht werden können. Für den industriellen Einsatz bestehen jedoch klare Einschränkungen: Visuell ähnliche oder spiegelbildliche Bauteile werden häufig verwechselt, wechselnde Lichtverhältnisse und Perspektiven führen zu Fehlern, und die Übertragbarkeit auf neue Bauteile ist begrenzt. Der aktuelle Entwicklungsstand entspricht damit TRL 4 (Technologie im Labor validiert).
Darauf aufbauend wird das Verfahren „VeMDetekt“ zur ML-basierten Bauteildetektion und Datenvalidierung weiterentwickelt. Hierzu werden Methoden des Machine Learning, insbesondere YOLO-basierte Ansätze, mit robusteren Bildmerkmalen und zusätzlichen kontextbezogenen Prüfmechanismen kombiniert. Ziel ist es, die Erkennungsleistung unter realen Bedingungen zu stabilisieren und Ergebnisse direkt im Prozess abzusichern. Durch kontinuierliches Nachtraining wird zudem die Anpassungsfähigkeit an neue Bauteile und veränderte Einsatzbedingungen gewährleistet.
Die Entwicklung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den assoziierten Partnern: ICM GmbH Innovation + Cooperation für den Maschinenbau, der CIMPCS GmbH und dem bsw Bildungswerk der Sächsischen Wirtschaft gGmbH. Entsprechende Absichtserklärungen (LOIs) liegen dem Antrag bei. Mit dem Anwender ICM GmbH erfolgt die Umsetzung im Bereich Wareneingang und Montage. In strukturierten Workshops bringen sie ihre Anforderungen, Erfahrungen und typischen Problemstellungen direkt in den Entwicklungsprozess ein. Die Lösung wird iterativ unter realen Bedingungen erprobt und fortlaufend optimiert. Gleichzeitig werden organisatorische Rahmenbedingungen wie bestehende Prozesse, Schulungsbedarfe und Einführungsstrategien in Kooperation mit dem bsw sowie der CIMPCS GmbH frühzeitig berücksichtigt, um eine nachhaltige Nutzung sicherzustellen.
Für die praktische Anwendung wird das Verfahren in ein Assistenzsystem integriert. Dieses bewertet erkannte Bauteile in Echtzeit, unterstützt die Qualitätssicherung und dokumentiert Ergebnisse nachvollziehbar. Ziel ist die Weiterentwicklung des bestehenden Labormusters (TRL 4) zu einer validierten Lösung in realitätsnaher Umgebung (TRL 5) als Grundlage für den anschließenden industriellen Einsatz.

Titel: 
Validierung der automatisierten Generierung synthetischer Personenaktivitätsdaten zum Training von KI-Modellen

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Matthias Baumgart 
Professur für Digitales Integriertes Prozessmanagement

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Die automatische Erkennung von menschlichen Aktivitäten in Bild- und Videodaten hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Technologische Fortschritte im Bereich der Pose- Estimation und des maschinellen Lernens haben es ermöglicht, aus Bildern und Videofragmenten komplexe Informationen über menschliches Verhalten zu extrahieren. In sicherheitsrelevanten Kontexten, in der Gesundheitsversorgung, in der Mensch-Maschine-Interaktion und auch in der Medienanalyse wächst die Nachfrage nach robusten, leistungsfähigen KI-basierten Systemen, die auf Basis großer Datenmengen lernen können, zwischen verschiedenen Aktivitäten und Interaktionen zu unterscheiden.

Dem gegenüber steht ein zentrales Problem: Der Zugang zu qualitativ hochwertigen, annotierten und rechtlich unbedenklich nutzbaren Videodaten ist stark limitiert. In vielen Fällen verhindern Datenschutzgesetze, insbesondere die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO), eine freie Verwendung von Realweltdaten. Zudem sind viele frei verfügbare Datensätze inhaltlich stark eingeschränkt, veraltet oder repräsentieren eine zu kleine oder verzerrte Population. Die manuelle Annotation von Videos ist nicht nur zeitaufwendig und fehleranfällig, sondern stellt in großem Maßstab ein ökonomisch kaum tragbares Hindernis dar.

Vor diesem Hintergrund wurde das SMWK-Projekt „Automatisierte Generierung synthetischer Personenaktivitätsdaten zum Training von KI-Modellen" unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Roschke an der Hochschule Mittweida initiiert. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Demonstrators zur synthetischen Erzeugung realistischer Videoszenen, in denen Personen Mikroaktivitäten ausführen. Durch Kombination von Tools wie MakeHuman, Mixamo und modernen Renderingtechniken konnten skriptgesteuert große Mengen an Aktivitätsdaten erzeugt werden, die mit vollständigen Metadaten ausgestattet, diskriminierungsfrei, anonymisiert und beliebig parametrierbar sind.

Im geplanten Validierungsprojekt soll auf diesen Ergebnissen aufgebaut werden. Während das Ursprungsprojekt den Fokus auf die generative Komponente legte, konzentriert sich das Validierungsvorhaben auf die wissenschaftliche und technische Prüfung dieser generierten Daten: Sind sie theoretisch geeignet, um KI-Modelle zu trainieren? Wie repräsentativ sind die synthetischen Daten in Bezug auf ethnische Diversität, Körpersilhouetten, Bewegungskomplexität und realweltliches Verhalten?

Ziel ist die Entwicklung und Durchführung eines systematischen Validierungsverfahrens, das die Qualität und Aussagekraft synthetischer Videodaten im Bereich der KI-gestützten Aktivitätserkennung einschätzt. Die Erkenntnisse sollen bei der Einschätzung des Generierungswerkzeugs helfen und als Basis für eine Veröffentlichung einer Open-Validation-Methodik genutzt werden können, die auch anderen Forschungseinrichtungen zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei steht im Validierungsprojekt die effiziente Datensatzgenerierung im Fokus.

Titel: 
Validierung und Integration von Verfahren zur Analyse multimodaler biometrischer Systeme in sicherheitskritischen Szenarien AMBOSS – Analyse multimodaler biometrischer Systeme in sicherheitskritischen Szenarien

Projektleiter: 
Prof. Dr. rer. nat. Dirk Labudde
Professur für Forensik/Bioinformatik

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Das Projekt AMBOSS zielt auf die Erstellung eines multimodalen biometrischen Datensatzes ab, der zur Validierung und Optimierung biometrischer Systeme genutzt werden kann. Unternehmen aus dem Bereich der physischen Sicherheitstechnik und Forschung erhalten die Möglichkeit, ihre biometrischen Erkennungssysteme an realen, diversifizierten Daten zu testen. Zudem werden Handlungsempfehlungen für Sicherheitsbehörden in verschiedenen Gefahrensituationen/Gefährdungslagen entwickelt, um die Analyse biometrischer Merkmale unter realistischen Bedingungen zu verbessern. Zudem sollen die Daten zur Validierung von Softwaresystemen bereitgestellt werden. Zukünftige Nutzer können somit auf validierte Daten zurückgreifen und neue Systeme entwickeln bzw. Anpassungen bestehender Systeme vornehmen.

Die letzten Ereignisse in Deutschland zeigen, dass mehr in den Schutz von Bürgern- und Bürgerinnen investiert werden muss. Dies bedingt auch eine kontinuierliche Entwicklung von Techniken und Verfahren im Bereich der Biometrie. Die Abbildung zeigt verschiedene Gefährdungslagen, in denen eine Personenzuordnung erforderlich sein kann. Hierfür werden biometrische Merkmale, die als Muster vorliegen, mit einer Vergleichsspur, mit Hilfe von Templates, abgeglichen. Abhängig von der spezifischen Gefährdungslage und den jeweiligen Rahmenbedingungen (z. B. verfügbare Zeit, Qualität der Merkmale) müssen unterschiedliche Handlungsabläufe abgeleitet werden.

Die Erhebung, Verarbeitung und Analyse der biometrischen Daten erfolgt ausschließlich auf Grundlage einer freiwilligen Einwilligung der betroffenen Personen gemäß Art. 6 Abs. 1 lit. a DSGVO. Es werden nur für die Analysezwecke notwendige Daten erhoben (Datensparsamkeit) und unter Berücksichtigung der Betroffenenrechte (Art. 15–21 DSGVO) verarbeitet. Die Verarbeitung erfolgt ausschließlich auf verschlüsselten Systemen mit Zugriffskontrolle; eine Weitergabe an Dritte erfolgt nur im Rahmen eines DSGVO-konformen Auftragsverarbeitungsvertrages.

Titel: 
Validierung einer kHz-Lasersteuerung für die high-throughput Fluoreszenzmikroskopie

Projektleiter: 
Prof. Dr. rer. nat. Richard Börner 
Professur Biophotonik/Physikalische Technik

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Ziel des Projekts ist die Validierung einer neu entwickelten Lasersteuerung (Förderung im Innovationscluster 2023, AP3), die eine modulare Intensitäts- und Frequenzsteuerung von Laserquellen im kHz- und später potenziell auch im MHz-Bereich für die high-throughput Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht. Mit dieser Steuerung lassen sich moderne Anregungsschemata wie die stroboskopische, alternierende Laseranregung kurz sALEX im Millisekunden Bereich effizient und kostengünstig realisieren. Der innovative Kern liegt in der Kombination einer kostengünstigen Mikrocontroller-Plattform mit einer präzise getakteten Hochfrequenzsteuerung auf Basis von programmierbaren Verzögerungsbausteinen. Die Steuerung ist als Upgrade für bestehende Mikroskop-Systeme konzipiert und ermöglicht erstmals einen herstellerunabhängigen Zugang zu zeitaufgelöster Einzelmolekülspektroskopie auf hohem technischem Niveau. Die Relevanz ergibt sich aus dem steigenden Bedarf an sensitiven und ressourcenschonenden Messverfahren in der medizinischen und pharmazeutischen Diagnostik. Hier kommen generell Mikroskope (sowohl von kommerziellen Herstellern wie Olympus, Leika, Zeiss, Nikon u.a. oder Eigenbauten zum Einsatz, die mit hochwertigen Komponenten ausgestattet sind, deren Fähigkeiten jedoch nicht vollständig ausgeschöpft werden können. Bisherige Lösungen der Hersteller sind entweder hoch-integriert und im OEM-Bereich nach wie vor sehr teuer. Im Rahmen des Projekts wird die Steuerung weiter optimiert, in bestehenden TIRF- und Weitfeld-Mikroskope validiert und mit Partnern aus Forschung und Industrie getestet. Die erwartete Wirkung liegt in der Bereitstellung einer validierten Technologieplattform für Einzelmolekül-Fluoreszenzdetektion, die skalierbar, flexibel und transferfähig ist – mit hohem Potenzial für den Technologietransfer.

Titel: 
Sonne lädt Latentwärmespeicher (SOLALA)

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Lutz Rauchfuß 
Professur für Antriebs- und Reglungstechnik

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Wir zielen auf die Validierung und Optimierung der Resultate unseres abgeschlossenen ZIM-Projektes „ELAN“ (Ende 31.12.2024), in dem wir die Triggerbarkeit von Natriumacetat-Trihydrat-Lösung (NaAc) als verlustfreien, solaren Langzeitspeicher nachgewiesen haben. Die Projektidee aus „ELAN“ wollen wir fortführen, weil sie einen Beitrag zur Energiewende leistet, indem der Überschuss aus solarer Einstrahlung nicht ungenutzt bleibt, sondern verlustfrei latent gespeichert und erst bei Wärme-Bedarf wieder abgerufen werden soll. Die Beschreibung der Anlage von der Energiequelle bis zum Speicher, beginnt beim Sonnenkollektor (Solarthermie). Er nimmt die Wärmestrahlung der Sonne auf, um damit Wasser aufzuheizen, welches im Pufferspeicher des Wohnhauses gespeichert wird. Das Überangebot an solarer Energie, welches selbst in der Übergangszeit vorhanden ist, soll latent gespeichert werden, so dass die Wärme verlustfrei bis zum nächsten Wärmebedarf bevorratet wird. Der innovative Kern liegt in der Nutzung des Phasenüberganges begründet, der bei Natriumacetat-Trihydrat (NaAc) schon bei 58°C erreicht wird. Der große Vorteil von NaAc ist aber in der Unterkühlbarkeit der aufgeladenen Schmelz zu finden. Anders als bei Wasser bleibt nach dem unterschreiten der Schmelztemperatur von NaAc die aufgenommene Energie in der flüssigen Phase bis -15°C gespeichert. Dadurch wird keine innovative thermische Isolation benötigt, sondern es reicht ein unisolierter Speicherbehälter. Wird die Wärme wieder benötigt, kann mittels eines von uns entwickelten Aktors ein Fremdkeim initiiert werden, der die unterkühlte Schmelze kristallisieren lässt, während im NaAc eine Temperatur von 53°C entsteht. Häuser moderner Bauart werden fasst immer mit Fußbodenheizung ausgerüstet, für die eine Vorlauftemperatur von 45°C benötigt wird. Diese Temperatur zu erreichen, ist das Ziel unseres Projektantrages. Die erfolgreiche Verbesserung des Wärmetauscherdesigns, der die Temperatur des NaAc über eine möglichst große Oberfläche an das umgebende Wasser abgibt, soll nachgewiesen werden. Angestellte Modellrechnungen und Simulationen belegen diesen Ansatz. Projektpartner wie energie.depot aus Radeberg stellen schon jahrelang effiziente thermische Warmwasserspeicher her, können aber ohne innovative Langzeitspeicherung keine neuen Marktfelder erschließen. Die Bereitschaft unseres Projektpartners diese Innovation in Serie zu bringen, ist ungebrochen.

Titel: 
Stereomikroskopische Positionierungshilfe für geneigte Laserstrukturierung

Projektleiter: 
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel 
Professur Physik/Physikalische Technologien

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Projektname & Ziel 
Ziel des Projekts ist die Validierung eines stereomikroskopischen Verfahrens zur präzisen Ausrichtung von Werkstücken im Fokusbereich eines gepulsten Lasersystems. Dies ist notwendig zur industriellen Umsetzung eines zum Patent angemeldeten Verfahrens (EM-061) zur laserbasierten Erzeugung von Vertiefungen mit steilen Wandwinkeln. Innovativer Kern Das neuartige Laserstrukturierungsverfahren ermöglicht erstmals die gezielte Erzeugung steiler oder senkrechter Wandflächen durch kontrollierte Kippung des Werkstücks relativ zur Laserstrahlung. Die Herausforderung besteht in der exakten, reproduzierbaren Positionierung gekrümmter oder Freiformoberflächen im geneigten Winkel zur Fokusebene. 

Relevanz 
Klassische Digital- oder Auflichtmikroskopie scheitert an der optischen Erfassung steiler Wandstrukturen, da sie auf senkrechter Beobachtung und begrenzter Tiefenschärfe basieren. Im Gegensatz dazu arbeitet ein Stereomikroskop mit zwei leicht zueinander geneigten Strahlengängen, wodurch ein räumlicher Eindruck der Oberfläche erzeugt wird. Diese räumliche Stereobildgebung ermöglicht die visuelle Beurteilung auch schräg stehender Flächen und Strukturen – insbesondere von steilen Wandflächen, wie sie bei dem geplanten Verfahren auftreten. Zudem besitzen hochwertige Stereomikroskope einen im Vergleich zur Auflichtmikroskopie großen Tiefenschärfebereich, was eine fokussierte Darstellung verschiedener Ebenen innerhalb der geneigten Struktur ermöglicht. Dadurch lassen sich sowohl die Vorpositionierung zur Fokusebene des Lasers als auch die Inline-Inspektion der Kantenwinkel mit hoher Reproduzierbarkeit durchführen – ein entscheidender Schritt in Richtung industrieller Prozessintegration.

Kurzfassung der Umsetzung & erwartete Wirkung 
Im Rahmen des Projekts wird ein geeignetes Stereomikroskop beschafft, aufgebaut und in eine bestehende Laborumgebung eingebunden. An ausgewählten Testgeometrien wird überprüft, ob eine reproduzierbare Fokussierung und Begutachtung der geneigten Wandflächen realisierbar ist. Die Ergebnisse fließen in die Planung eines anlagenintegrierten Positionier- und Prozessführungssystems ein. Die Validierung mit Hilfe des Stereomikroskops stellt dabei nicht nur einen technischen Zwischenschritt dar, sondern schafft auch die Grundlage für ein nachfolgendes Langzeitvalidierungsprojekt mit industrieller Beteiligung.

Titel:
Technologiebewertung durch KI-gestützte Patentrecherchen

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. Thoralf Gebel
Professur Innovationsmanagement und Changemanagement
 

Projekt:
KVP

Kurzfassung:
Im geplanten Projekt „Technologiebewertung durch KI-gestützte Patentrecherchen“ soll das Potenzial KIgestützter Patentrecherchen und -analysen für die Unterstützung von Innovations- und Forschungsprozessen an Hochschulen systematisch untersucht werden. Ausgangspunkt ist die zunehmende Bedeutung von Patentanalysen als zentrale Wissensquelle für technologische Entwicklungen, Wettbewerbsanalysen und Innovationsstrategien.
Traditionelle Patentrecherchen sind häufig zeitaufwendig, komplex und erfordern ein hohes spezifisches Fachwissen. Moderne KI-Ansätze ermöglichen hingegen eine deutlich effizientere und intuitivere Analyse großer Patentdatenbestände sowie angrenzender wissenschaftlicher Publikationen. Dadurch können in kurzer Zeit umfassende Analysen und Recherchen durchgeführt werden, die einerseits Potentiale neuer Technologien erkennen lassen, gleichzeitig aber auch Grenzen und Einschränkungen schneller sichtbar machen. 
Im Rahmen des Projektes wird die Plattform Scopri exemplarisch eingesetzt, die eine schnelle und themenbezogene Analyse von Patentlandschaften erlaubt. Ziel ist es, diese Plattform im Vergleich mit weiteren KI-Methoden und klassischen datenbankbasierten Rechercheansätzen zu bewerten. Der Antragsteller verfolgt das Ziel, in der Zukunft KI-gestützte Patentanalysen als strategisches Instrument zur Unterstützung hochschulinterner Forschungs- und Innovationsprojekte zu etablieren. Dadurch sollen Technologietrends frühzeitig erkannt, Innovationspotenziale identifiziert und Forschungsaktivitäten gezielter ausgerichtet werden. Weiterhin kann durch die damit aufgebauten Kompetenzen neben der internen Optimierung an der HSMW auch in der Außenwirkung, u.a. in Kooperationen mit der Industrie, ein Vorteil für zukünftige Projekte sowohl bei deren Planung als auch Durchführung erzielt werden. Ergänzend dazu können durch die Überführung der Projektergebnisse in die Lehre besser ausgebildete Absolventen für den sächsischen Arbeitsmarkt zur Verfügung gestellt werden und damit die Innovationsfähigkeit sächsischer Unternehmen gestärkt werden.

Titel: 
AutoWell – Validierung einer 96-Wellplatten-Implementierung für konfokale Fluoreszenz-Hochdurchsatzmessungen

Projektleiter: 
Prof. Dr. rer. nat. Richard Börner 
Professur Biophotonik/Physikalische Technik

Projekt: 
KVP

Kurzfassung: 
Ziel des Vorhabens ist die schnelle Inbetriebnahme und Validierung einer eigenentwickelten 96-Wellplattenaufnahme am konfokalen Fluoreszenzmikroskop MT200 der Firma PicoQuant GmbH. Die Wellplattenaufnahme soll mechanisch reproduzierbar in den vorhandenen Scanneradapter eingesetzt und softwareseitig so im Weitbereichsscanner des MT200 kalibriert werden, dass einzelne Wells oder definierte Wellbereiche gezielt angefahren werden können. Nach manueller Referenzierung des konfokalen Fokus auf das Deckglas soll zusätzlich eine definierte Z-Position innerhalb der Lösung eingestellt werden, um Fluoreszenzzeitreihen in den jeweiligen Wells aufzunehmen.

Der innovative Kern liegt in der Überführung eines wissenschaftlich bereits demonstrierten 96-Wellplatten-Konzepts in eine kostengünstige, robuste und perspektivisch plattformunabhängige Hardware-Erweiterung für bestehende invertierte konfokale Fluoreszenzmikroskope. Besonders relevant ist die Kombination der Wellplattenaufnahme mit einem ebenfalls eigenentwickelten Verdunstungsschutz für Wasserimmersionsobjektive. Im Unterschied zu aufwendigeren Lösungen mit aktiver Immersionswasserzufuhr, beispielsweise über Spritzenpumpen, soll dieser Ansatz einen einfachen, effizienten und wartungsarmen Langzeitbetrieb ermöglichen.

Das Projekt ist wichtig, weil konfokale Fluoreszenzmikroskope und Einzelmolekül-FRET-Messungen bisher häufig nur mit geringem Probendurchsatz betrieben werden. Für die Charakterisierung fluoreszenzmarkierter Biomoleküle, insbesondere RNA-basierter Assays, sind jedoch automatisierte Messreihen in standardisierten Multiwell-Formaten von hoher Bedeutung. Als Validierungsanwendung wird eine etablierte Kalium-abhängige FRET-Reihe eines RNA-Konstrukts genutzt, für die in der AG Biophotonik bereits Ensemble- und Einzelmoleküldaten vorliegen.

Innerhalb der dreimonatigen Projektlaufzeit soll die Wellplattenaufnahme am MT200 mechanisch integriert, im Scannerkoordinatensystem kalibriert und anhand von Fluoreszenzzeitreihen experimentell validiert werden. Zusätzlich wird geprüft, ob der Verdunstungsschutz über mindestens 10 Stunden ohne Nachfüllen des Immersionsmediums stabil funktioniert. Erwartetes Ergebnis ist ein validierter Funktionsnachweis am MT200 sowie eine belastbare Einschätzung der technischen Grenzen des vorhandenen Weitbereichsscanners. Kurzfristig sollen Wellplattenaufnahme und Verdunstungsschutz in das Technologie- und Vertriebsportfolio der AG Biophotonik aufgenommen werden. Mittelfristig bildet das Vorhaben die Grundlage für eine plattformunabhängige Gesamtlösung mit eigener Steuerung und Weitbereichsscanner.