ERANET Umweltsensoren für ‚Smart Agriculture‘ auf Basis additiver Fertigung (MANUNET-DigiMan)

Problemstellung
Die Landwirtschaft und Lebensmittelerzeugung sind expandierende Industriezweige mit einem erheblichen Umwelt- und Ressourceneinfluss. Der übermäßige Einsatz von Rohstoffen, Düngemitteln und Pestiziden führt zu Umweltverschmutzungen, wie z. B. Nitrat belastetem Grundwasser oder einem erhöhten Energieverbrauch und damit verbundenem CO2-Ausstoß. Eine kontinuierliche Prozessüberwachung in landwirtschaftlichen Bereichen, wie in der Viehzucht, auf Fischfarmen sowie im Getreide- und Gartenanbau könnte Abhilfe schaffen und den Weg für eine „Landwirtschaft 4.0“ durch „Smart Agriculture“ ebnen. Hierfür wird eine Vielzahl von Sensoren benötigt, die Parameter wie Temperatur, Feuchte und insbesondere Konzentrationen von Gasen, zuverlässig und ortsaufgelöst detektieren. Etablierte Fertigungstechnologien zur Herstellung von Sensoren auf Basis der Fotolithografie weisen komplexe Herstellungsschritte auf und benötigen umweltbelastende Chemikalien.

Ziel
Im Forschungsprojekt DigiMan werden innovative Sensorplattformen auf keramischer und polymerer Basis entwickelt, die sich mit umweltfreundlichen digitalen, additiven Fertigungstechnologien mit Inkjet bzw. Aerosoljet herstellen lassen. Dadurch wird es möglich, die Sensoren zu miniaturisieren, sie flexibel mit unterschiedlichen Eigenschaften zu versehen und dies auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich zu realisieren.

Vorgehensweise
Im Projekt werden neben der Sensorentwicklung die entsprechenden Prozess- und Materialentwicklungen für die extrem dünnen keramischen Membranen und Nanopartikeltinten durchgeführt. Diese dienen zum ressourceneffizienten Druck miniaturisierter Heizer und Antennen für eine drahtlose Datenübertragung. Dazu werden zunächst alle notwendigen Sensorspezifikationen festgelegt, um Gas- und Temperatursensoren sowohl durch Inkjet-Druck als auch Aerosol-Druckverfahren herstellen zu können. Parallel werden spezielle Materialtinten auf Basis von Silber- und Kupfernanopartikeln entwickelt sowie die Synthese von Drucktinten mit Platinnanopartikeln weiter vorangetrieben. Die Keramikmembranen im Bereich von 10 µm bis 40 µm werden realisiert, evaluiert und für den Druckprozess bereitgestellt. Die entsprechenden Herstellungstechnologien für die Sensorkomponenten werden bis hin zur Skalierung einer Rolle-zu-Rolle Fertigung (R2R) weiterentwickelt. Zum Abschluss des Projekts werden die Sensorplattformen prototypisch umgesetzt und getestet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die innovativen Sensoren werden zukünftig deutlich weniger Energie im Betrieb verbrauchen und ressourceneffizient eingesetzt werden. Das Projektkonsortium mit Partnern aus Israel, Russland und Deutschland sieht Verwertungsmöglichkeiten vor allem in den Wachstumsmärkten der Sensorik für „Smart Agriculture“, der Druckindustrie im Bereich digitaler, additiver Fertigung „gedruckter Elektronik“, dafür notwendiger neuartiger Materialtinten sowie keramischer Sensormembranen für „Low-power“-Sensoren. Die adressierten Sensorplattformen können auch zum Ausbau von Sensornetzwerken bzw. dem Internet der Dinge genutzt werden.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• KERAFOL Keramische Folien GmbH & Co. KG
• Technische Universität Chemnitz