Virtuelle Welten zur Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen
Karosseriefertigung der Zukunft
Glasfaser für Bordnetze
FACHWISSEN
Lidarsensoren
Lidarsensoren sind den Radarsensoren zwar ähnlich, weisen aber auch unterschiedliche Eigenschaften auf. Sie durchdringen Regen und Nebel schlechter, dafür werden sie von Kunststoffen problemlos zurückgestrahlt und können so auch als Ergänzung von Kameras zum Bildaufbau eingesetzt werden.
TECHNIK
Neue Wege der Batteriefertigung
Der Fachartikel vom FraunhoferInstitut für Lasertechnik ILT stellt Technologien und Entwicklungen entlang der Produktionskette vor und zeigt, wie modernste Laserverfahren den Weg zu einer nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Batterieindustrie ebnen können.
McLaren ART Carbon
McLaren hat eine Produktionstechnologie für Kohlenstofffaserstrukturen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie für die Anforderungen der Automobilindustrie weiterentwickelt.
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DAS DISPLAY WIRD HÖRBAR: IN ANZEIGEEINHEIT
INTEGRIERTE LAUTSPRECHERFUNKTION
Continental integriert mit dem «Ac2ated Sound»-Display erstmals die Lautsprecherfunktion direkt in die Displayeinheit. Dabei bietet die Nutzung der Displayoberfläche als Resonanzkörper zahlreiche Vorteile für ein neuartiges Nutzererlebnis, bei dem akustisches Feedback, Sprache oder anderen Audioinhalte direkt vom Bildschirm ausgegeben werden, was einzelne konventionelle Lautsprecher ersetzen kann. Das System nutzt dazu Aktuatoren (Schwingerreger), die, unsichtbar hinter dem Displayglas verbaut, dieses in hörbare Schwingung versetzen.
Der Mensch ist intuitiv dazu in der Lage, die Quelle eines Geräuschs im dreidimensionalen Raum äusserst exakt zu erfassen – diese Fähigkeit wird Schalllokalisation genannt: Nehmen wir ein Geräusch wahr, wendet sich unser Blick automatisch der Quelle des Geräuschs zu. Und so
«Ac2ated Sound» nutzt Aktuatoren, die sich unsichtbar hinter dem Displayglas befinden und dieses in hörbare Schwingung versetzen.
wird durch die Tonausgabe der bildgebenden Oberfläche des «Ac2ated Sound»-Displays ein völlig natürlich wirkendes immersives Nutzererlebnis geschaffen: Der Blick wird bei der Ausgabe von akustischem Feedback, Sprache oder anderen Audio-
Bild: Continental
inhalten intuitiv auf das relevante Anzeigeinstrument gelenkt – und die Aufmerksamkeit so noch gezielter gesteuert.
Die Oberfläche des Displays eignet sich besonders gut für die Verwendung als tonausgebender
Resonanzkörper: Durch seine Beschaffenheit und Struktur bietet es optimale akustische Eigenschaften, die sich nach Faktoren wie der inneren Dämpfung, der Steifigkeit des Materials und dem in Schwingung zu versetzenden Flächengewicht bemessen. Daneben lässt sich die Technologie aber auch in nahezu jedes bestehende flächige Bauteil des Fahrzeuginterieurs integrieren. Durch die Implementierung weiterer Aktuatoren zum Beispiel in Türverkleidungen, Kopfstützen, A-Säulen oder den Dachhimmel kann das gesamte Audiosystem auf die «Ac2ated Sound»-Technologie umgestellt werden – herkömmliche Lautsprecher werden so nicht mehr gebraucht. Neben optischen Vorteilen ergibt sich dadurch auch ein bis zu 90 % reduzierter Bauraum für das Audiosystem sowie eine Gewichtseinsparung von bis zu 40 kg gegenüber bestehenden Lautsprechersystemen. (pd/sag)
VIRTUELLE, ABER REALITÄTSNAHE WELTEN ZUR ENTWICKLUNG
Automatisierte Notbremsungen, scharfe Lenkmanöver oder manuelle Eingriffe: Die von Fahrzeugsensoren erfassten Daten lassen sich nun synthetisieren. Volvo Cars kann dadurch ungewöhnliche Vorfälle genauer untersuchen, rekonstruieren und erforschen – und so besser verstehen, wie Unfälle zustande kommen und vermieden werden können. Möglich wird dies durch eine fortschrittliche Rechentechnik: das sogenannte «Gaussian Splatting». Aus realen Bildern werden realistische, originalgetreue 3DSzenen und -Objekte erstellt. Die virtuelle Umgebung lässt sich dabei beliebig anpassen, indem zum Beispiel zusätzliche Verkehrsteilnehmer hinzugefügt oder welche entfernt werden, das Verhalten im Strassenverkehr verändert wird oder Hindernisse auf der Strasse modifiziert werden.
VON FAHRERASSISTENZSYSTEMEN
KI-generierte virtuelle, dabei aber realitätsnahe Welten helfen Volvo, die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen voranzutreiben.
Mit dieser Technik kann Volvo seine Sicherheitssoftware in verschiedenen Verkehrssituationen testen – und das in einem bislang unmöglichen Tempo und Umfang. Das Unternehmen kann Software entwickeln, die auch in komplexen, seltenen, aber potenziell gefährlichen «Grenzfällen» gut funktioniert. Dauerte die Vorbereitung auf solche Situationen früher Monate, reduziert sich der Zeitaufwand nun auf
Tage. Neben realen Tests für die Software-Schulung, -Entwicklung und -Validierung nutzt Volvo virtuelle Umgebungen – die in Zusammenarbeit mit Zenseact entwickelt werden –, weil sie sicher, skalierbar und kosteneffizient sind.
«Wir verwenden für unsere Softwareentwicklung bereits Millionen von Datenpunkten von Situationen, die nie passiert sind», erklärt Alwin Bakkenes, Head of Global Software Engineering bei Volvo Cars. «Dank ‹Gaussian Splatting› können wir eine der seltenen Ausnahmesituationen aufgreifen und sie so in Tausenden neuen Variationen darstellen, um unsere Modelle zu trainieren und zu validieren. Das hat das Potenzial, eine bislang ungeahnte Bandbreite an Szenarien zu erschliessen und sogar Grenzfälle zu erkennen, bevor sie in der realen Welt auftreten.» (pd/sag)
GIGACASTING UND HOCHINTEGRIERTE DESIGNS FÜR DIE KAROSSERIEFERTIGUNG DER ZUKUNFT
FEV, ein Innovationsführer für nachhaltige Mobilität, untersucht aktuell gemeinsam mit 18 globalen Partnern aus der Automobilund Metallindustrie im Konsortialprojekt «MeGiCast» die Potenziale des Gigacastings. Der AluminiumDruckguss ganzer Baugruppen gilt als einer der bedeutendsten Trends im modernen Karosseriedesign, da er nicht nur eine effiziente Fertigung ermöglicht, sondern auch Entwicklungs- und Produktionszeiten reduziert. FEV geht diesen Ansatz einen Schritt weiter und entwickelt hochintegrierte Karosseriedesigns, die erhebliche Einsparungen bei Kosten, Gewicht und CO2-Emissionen erzielen können.
Die Konsortialpartner des «MeGiCast»-Projekts analysieren nun einen ganzen Vorderwagen in Gigacasting-Bauweise und vergleichen ihn mit einem modernen Multimaterialansatz. Neben technologischen
FEVs Multimaterialansatz kombiniert Blechbauteile mit Versteifungen im Gussverfahren und erlaubt so leichte Karosseriebaugruppen.
Aspekten und dem Gewichtsvergleich umfasst das Konsortialprojekt auch eine CO2-Analyse. Eine Wirtschaftlichkeitsbewertung und ein umfassendes Lifecycle-Assessment (LCA) komplettieren schliesslich die Untersuchungen.
FEV verfolgt die Philosophie, möglichst viele Funktionen direkt in die Fahrzeugstruktur zu integrieren, um eine maximale Effizienz zu erreichen. Zur Umsetzung der neuen hochintegrierten Karosseriedesigns hat das Unternehmen auch
eine neue hybride Fertigungstechnik entwickelt. Dabei werden grossflächige Blechbauteile für flächige Strukturen genutzt, auf die im Gussverfahren Versteifungen aufgebracht werden. Das Ergebnis ist schliesslich ein Vorderwagen aus drei Komponenten, der im Vergleich zu einer rein auf Gigacasting basierenden Variante bis zu 18 Prozent leichter ist. Die Bauteilreduktion bietet einerseits offensichtliche Vorteile, stellt die Industrie andererseits aber auch vor Herausforderungen. Diese ergeben sich nicht nur aus der Komplexität der Gussteile, sondern darüber hinaus auch aus hohen Investitionskosten, Fertigungsanforderungen sowie Fragen zur Lebensdauer. «Letztlich müssen Design-, Kosten- und Nachhaltigkeitsaspekte in einem ausgewogenen Verhältnis stehen», erklärt Dr. Hagen Wegner, Director von FEV Consulting, dazu. (pd/sag)
GLASFASER ALS SCHLÜSSELTECHNOLOGIE FÜR
BORDNETZE SOFTWAREDEFINIERTER FAHRZEUGE
ZF hat seinen Hochleistungsrechner «ProAI» nun für optisches Multi-Gigabit-Ethernet in Automobilanwendungen weiterentwickelt. Mit neu entwickelten Chips und Steckern können Daten über automobiltaugliche Glasfasern nach Standard IEEE 802.3cz übertragen werden. «Diese ultraschnelle Übertragung ist eine Schlüsseltechnologie für künftige Bordnetze softwaredefinierter Fahrzeuge», erklärt Oliver Briemle, Leiter Cross-Domain Computing bei ZF. Die Technologie ermöglicht sowohl Kurz- als auch Langstreckenübertragungen von bis zu 40 m. Ein Serieneinsatz ist bereits im kommenden Jahr möglich. Intensive Tests haben die Einsatztauglichkeit der Technologie sowohl für Personenwagen als auch für Nutzfahrzeuge bestätigt und die Robustheit unter verschiedenen Betriebsbedingungen bewiesen. Zu
Glasfaser kann ihre Vorteile insbesondere für die datenintensive Vernetzung des Zentralrechners mit ADAS-Sensoren ausspielen.
den Vorteilen, die ZF beim Einsatz von optischem Multi-Gigabit-Ethernet für die Automobilindustrie ortet, gehören vor allem die hohen Datenübertragungsraten von bis zu 50 Gbit/s und die im Vergleich zu
älteren optischen oder kupferbasierten Datenübertragungssystemen erhöhte Übertragungsdistanz von bis zu 40 m. Hinzu kommen eine deutliche Gewichtsersparnis und erhöhte Zuverlässigkeit und Lang-
lebigkeit: Glasfasern sind bekanntlich nicht anfällig für elektromagnetische Störungen und gewährleisten eine stabile Datenübertragung auch unter extremen Umweltbedingungen. Optische Datenübertragungssysteme, die auf dem Standard IEEE 802.3cz-2023 basieren, sind zudem energieeffizienter als herkömmliche kupferbasierte Systeme – und sie sind zukunftssicher und skalierbar. Nicht zuletzt biete das optische Multi-Gigabit-Ethernet gemäss ZF nahezu ideale Kommunikationskanäle mit geringer Komplexität der physikalischen Schicht. Dies führt zu einer geringeren Equalization-Komplexität, keiner Echokompensation und somit zu geringerem Stromverbrauch und geringerer Latenz. Ein speziell dedizierter Operations-, Administrations- und Wartungskanal (OAM) sorgt zudem für hohe Zuverlässigkeit. (pd/sag)
Bild: ZF
Bild: FEV
Bild 1. Moderne Fahrzeuge werden rundherum überwacht. Wenn sie autonom fahren sollten, müssen alle Überwachungssysteme redundant sein. Deshalb ist die Entwicklung der Lidar-Sensortechnik heute ausserordentlich wichtig.
Lidarsensoren
HIN UND ZURÜCK –
MIT LICHTGESCHWINDIGKEIT
Lidarsensoren sind den Radarsensoren ähnlich, doch weisen sie auch sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Sie durchdringen Regen und Nebel schlechter, dafür werden sie von Kunststoffen problemlos zurückgestrahlt und können daher nicht nur Distanzen messen, sondern auch als Ergänzung von Kameras zum Bildaufbau eingesetzt werden.
Text: Andreas Lerch
Radarsensoren werden in Fahrzeugen schon seit den 1990er Jahren eingebaut. Das Wort Radar wird als Akronym bezeichnet, weil es durch die zusammengesetzten Anfangsbuchstaben mehrerer Wörter gebildet wird: Radar stammt von Radio Detection and Ranging (Funkortung und Abstandsmessung). Durch die Abstandsmessung mittels Radar ist es gelungen, die automatische Distanzregelung (ACC – Adaptive Cruise Control) in den Fahrzeugen marktfähig zu entwickeln. Dieses Feature ist heute, mehr als 30 Jahre später auch
in Kleinwagen eingebaut und steigert den Fahrkomfort, wenn der Fahrer sich mit dem System anfreunden kann. Neben dem Radar gibt es auch die Ultraschallsensoren. Diese wirken aber nur auf kurze Distanzen. Die Kameras und die Stereokameras kamen später dazu und erweiterten die elektronische Umsicht rund um das Fahrzeug. Da für das autonome Fahren alle diese Informationen sicherheitsrelevant sind, müssen sie sich selber mehrfach überprüfen (Redundanz), und das am liebsten mit physikalisch unterschiedlichen Mess-
methoden. Dazu wurde dann die Lidarmessung eingesetzt. Erste Lidarversuche wurden schon in den 1960er Jahren durchgeführt, und die interessierten Industrien beschränkten sich nicht auf den Strassenverkehr. Lidar kann überall zur Distanzmessung eingesetzt werden (sogar im Meer zur Tiefenmessung). So gibt es viele, sich in Details unterscheidende Lidarausführungen. Dies könnte der Grund gewesen sein, dass sich automobile Zulieferer von der Weiterentwicklung zurückgezogen haben. Einige haben durchgehalten und ein spannendes
Messverfahren auf den Markt gebracht und es auch so weiterentwickelt, dass es heute zu vernünftigen Preisen und vor allem auch mit einem realistischen Energieverbrauch betrieben werden kann.
Grundfunktionen
Radar und Lidar haben einige Ähnlichkeiten. Diese beginnen bereits mit den Namen. Während «Ra» bei Radar von Radio- oder Funkwellen stammt, kommt das «Li» bei Lidar von Light oder Licht (Light Detection and Ranging). Das bedeutet, dass beide Systeme elektromagnetische Strahlung aussenden und dann darauf warten, dass sie irgendwo reflektiert und zurückgestrahlt wird. Dabei dringen die Funkwellen des Radars besser durch die Wassertröpfchen des Nebels oder des Regens, dafür können mit den Laserimpulsen des Lidars ganze Datenwolken verschickt und wieder empfangen und so die Oberfläche des reflektierenden Objekts detektiert werden.
| Bilder: Mercedes-Benz, Andreas Lerch
�������� Bild 2
Der Abstand kann relativ einfach nach der Geschwindigkeitsformel
berechnet werden. Da sich der Laserstrahl mit Lichtgeschwindigkeit c0 = 300’000 km/s ausbreitet, muss die Zeitmessung äusserst exakt sein. In der Formel in Bild 2 bedeutet l x den Abstand der beiden Fahrzeuge, tTOF die verstrichene Zeit des Lichtsignals, nbx die Verzögerung durch den Brechungsindex und die Zahl 2 ist in der Formel, weil der Lichtstrahl den Weg zweimal zurücklegen muss, bis er wieder beim Empfänger ist. Beträgt der Abstand der Autos genau 100 m, legt der Laserstrahl also 200 m zurück, dauert es 6.67 · 10-7 s oder 0.667 µs oder 0.000’000’667 s. Diese Zeit ist bereits unvorstellbar kurz. Wenn mit den Augen gezwinkert wird, verpasst man eigentlich wenig im täglichen Geschehen. Trotzdem dauert das Zwinkern zwischen 300 und 400 ms, also fast eine halbe Sekunde. Das Augenzwinkern dauert somit rund 450-mal länger als das Lasersignal, welches in dieser Zeit 200 m zurückgelegt hat. 100 m zu detektieren, reicht aber bei weitem nicht aus. Wahrscheinlich müsste es eher in die Richtung von einem Meter oder gar von 10 cm sein. Die Umrechnung erfolgt jetzt allein durch Kommaverschiebungen bzw. durch
das Übertragen von Zehnerpotenzen. Soll eine Distanz von 10 cm gemessen werden, muss der Laserstrahl einen Weg von 20 cm zurücklegen. 20 cm ist im Verhältnis zu 200 m genau 1000-mal kleiner, also wird die Zeit ebenfalls 1000-mal kürzer. Aber ob diese Zeit jetzt 6.667 · 10-7 s oder 6.667 · 10-10 s beträgt, kümmert uns nicht besonders, weil wir uns weder die eine noch die andere Zeitdauer auch nur annähernd vorstellen können. Interessant wird es aber, wenn wir wieder das Verhältnis zum Augenzwinkern hinzuziehen. Bei der Signallaufzeit für 200 m war das Zwinkern 450-mal länger. Bei 20 cm wird die Zeit 1000-mal kürzer, das Verhältnis zum Augenzwinkern verändert sich also von 450 auf 450’000. Und das ist nun schon ein Verhältnis, das aufhorchen lässt. Aber in dieser Genauigkeit müssen heutige Radar- und Lidarsensoren funktionieren.
Direkte Zeitmessung
Die Ablaufsteuerung und Zeitbasis des Elektronik-Interfaces vom Lidarsensor gibt einen kurzen Impuls an den Licht-Puls-Generator und damit auf die Laserdiode, welche dadurch einen kurzen Lichtimpuls aussendet (Bild 3). Gleichzeitig wird ein «Start»-Impuls an den Zähler
Bild 3. Der Lidarsensor ist eine gebündelte Elektronik. 1 Ablaufsteuerung – 2 Licht-Puls-Generator – 3 Zähler – 4 Komparator – 5 Laserdiode – 6 Fotodiode – 7 Linsen – 8 Reflexion am vorherfahrenden Auto. a Triggersignal – b Resetsignal – c Startsignal – d Stoppsignal.
Bild 2. Die Laserstrahlen des Lidars breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. l x Fahrzeugabstand – c0 Lichtgeschwindigkeit – tTOF Zeit des Lichtimpulses – nbx Brechungsfaktor – 2 der Lichtstrahl legt den Weg zweimal zurück.
geschickt. Im Zähler befindet sich ein Oszillator, welcher Rechtecksignale im GHz-Bereich erzeugt. Nach dem Empfangen des «Start»-Impulses werden die Rechtecksignale so lange gezählt, bis der Fotodetektor oder der Komparator von der Fotodiode ein Signal erhalten hat und das «Stopp»-Signal an den Zähler schickt. Da das Signal direkt gemessen wird, heisst diese Methode dTOF-Messung (direct Time of Flight).
Der Komparator gehört in die Familie der Operationsverstärker, dieses Bauteil geht zurück in die Analogtechnik, als erste Rechner analog aufgebaut wurden. Diese analogen Rechner sind längst verschwunden, aber die Operationsverstärker, vor allem der Komparator, sind geblieben. Sie können nicht nur Spannungen zusammenzählen, sondern sie vergleichen die Eingangsspannung mit einer Referenzspannung und schal-
ten den Ausgang auf «Hoch» oder «1», wenn die beiden Spannungen exakt gleich sind.
Wird das reflektierte Lasersignal von der Fotodiode empfangen, so muss zuerst etwas Spannung aufgebaut (Schleusenspannung) werden, bevor der Strom fliesst. Der Strom wird dann auch ansteigen und im Komparator wieder für die Erhöhung der Eingangsspannung sorgen. Die Entwickler werden den Schaltpunkt bei einer ganz bestimmten Spannung definiert haben und so wird das «Stopp»-Signal in diesem Moment zum Zähler gesendet.
Kontrolle der Zeitbasis Wenn der Oszillator eine Frequenz von 1 GHz liefert, sind das pro Sekunde eine Milliarde (= 109) Rechtecksignale. In einer Nanosekunde (= eine milliardstel Sekunde oder 1 · 10-9) legt das Licht eine Distanz von
Bild 4. Pulsdiagramm. Unten: das Startsignal zum Zähler und zur Diode – Mitte: die Zählersignale – Oben: Das zurückkehrende Lichtsignal wird in der Fotodiode zum Spannungssignal, welches im Komparator bei einer bestimmten Schwelle in ein Stoppsignal umgewandelt wird.
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Bild 5. Phase Locked Loop (PLL). Der Regelkreis zum Konstanthalten der Frequenz. 1 Piezo-Oszillator – 2 Phasenlage- und Frequenzvergleicher – 3 Tiefpassfilter – 4 spannungsabhängiger Oszillator – 5 Frequenzteiler.
000′
000′
zurück. Es kann also ein Abstand von 15 cm gemessen werden. Das ist für die Kontrolle der Ultraschallsensoren beim Parkieren ausreichend. Daneben sieht der Fahrer diese Distanz auch auf dem Bildschirm und kann einschätzen, wie weit er noch fahren darf.
Damit diese Distanzmessung aber auch stimmt, müssen die einzelnen Parameter genau stimmen. So wird ein Korrekturfaktor für die Lichtbrechung in die Formel eingebaut. Dieser beträgt aber nahezu 1, weil das Licht in der Atmosphäre kaum abgelenkt wird. Damit die Frequenz des Oszillators sich nicht verändert, wird diese in einem Regelkreis überprüft. Regelkreise werden in der Automobiltechnik seit der Einführung der Elektronik immer häufiger eingesetzt. Es geht darum, dass bei einem Eingriff in die Einspritzung, in das Brems- oder Lenksystem immer auch elektronisch kontrolliert werden muss, was der Eingriff gebracht hat oder ob gar überreagiert wurde. So wird auch bei der Phasenregelschleife (PLL: Phase Locked Loop) die Phasenlage des spannungsabhängigen Oszillators
(VCO: Voltage Controlled Oscillator) mit einem hochpräzisen quarzgesteuerten Oszillator verglichen und bei Bedarf angepasst.
Quarzoszillatoren (1 in Bild 5) sind grundsätzlich sehr frequenzstabil und wenn sie unbelastet sind, verhalten sie sich noch einmal besser. Die spannungsabhängigen Oszillatoren sind weniger stabil, lassen sich aber mit einer Gleichspannung sehr gut steuern. So wird das Ausgangssignal über einen Frequenzteiler (5) zum Vergleicher und Regler (2) geschickt. Dort werden die Phasen und Phasenlagen vom Quarzoszillator (1) und vom spannungsabhängigen Oszillator (4) verglichen. Wird eine Phasenabweichung festgestellt, gibt der Vergleicher Impulse aus, welche diesem Fehler entsprechen. Die Impulse werden im Tiefpassfilter (3) geglättet und in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese dient als Steuersignal für den VCO (4), welcher durch das Spannungssignal seine Frequenz anpasst. Diese angepasste Frequenz wird gleich wieder abgenommen und dem Vergleicher zugeführt, so dass sich der Fehler quasi bei null einpegeln kann. Diese Schaltungen werden nur noch in Blockschaltbildern dargestellt, weil die realen Schaltpläne sehr komplex sind. Es zeigt sich deutlich, dass ein Lidarsensor vor allem ein komplexes elektronisches Gebilde darstellt.
Bild 6. Die Frequenz über der Zeit. Die blaue Kurve stellt die Frequenz des ausgesendeten Laserstrahls dar. Je höher die Kurve steigt, desto grösser wird die Frequenz. Die gelbe Kurve stellt das zurückgestrahlte Licht dar. Durch die zeitbedingte Phasenverschiebung ergibt sich ein Interferenzsignal (fbeat). Dieses ist proportional zur Zeit. β weist auf den Steigungswinkel der Frequenz hin.
Mehrere Messungen Wenn diese Messungen sehr schnell aufeinander folgen, kann die Elektronik auf die Abstandsänderung zweier Fahrzeuge schliessen und so die Differenzgeschwindigkeit berechnen. Aufgrund der Differenzgeschwindigkeit kann die Unfallwarnung ausgelöst werden. Wenn das aufschliessende Fahrzeug eine grosse Überschussgeschwindigkeit aufweist, kann die Elektronik auf diese Weise warnen. Natürlich hilft das bei einer drohenden Frontalkollision nicht, da sich die Abstände der beiden Fahrzeuge dabei viel zu schnell verkleinern. Da kann auch die schnellste Elektronik nicht mehr warnen. Wenn aber das vorausfahrende Fahrzeug abbiegen will und der Fahrer unaufmerksam ist, kann das System die Sicherheit erhöhen.
Indirekte TOF-Messung
Beim iTOF-Messprinzip wird die Entfernung indirekt, also nicht durch eine Zeitmessung bestimmt. Das Signal wird hier moduliert ausgesendet, das heisst, dass einige definierte Signalperioden ausgesendet werden und die Zeit dann
anhand einer Amplituden- oder Frequenzmodulation ermittelt wird. Bei der Frequenzmodulation wird das Signal linear auf- und abmoduliert. Das heisst, beim Senden wird die Laserdiode zuerst mit steigender und dann wieder mit sinkender Frequenz angesteuert (β in Bild 6). Dabei wird der grösste Teil des Lichtes auf die Reise geschickt und zum vorausfahrenden Fahrzeug gestrahlt. Ein kleiner Teil wird intern in den Empfängerteil geleitet. Das Licht dieses lokalen Pfades wird dann mit dem zurückgestrahlten Licht vermischt. Die Vermischung ergibt eine Überlagerung der Frequenzen mit einer resultierenden kleinen Interferenzfrequenz (fbeat). Lichtsensor und Auswerteelektronik untersuchen dieses Interferenzsignal, welches eine deutlich kleinere Frequenz aufweist und sich proportional zur «Time of Flight», also zur Flugzeit des modulierten Lichtsignals verhält.
Optischer Pfad
Der optische Pfad beginnt bei der Laserdiode und endet bei der Fotodiode. Dabei wird zwischen biaxialen und koaxialen Systemen unterschieden. Bei koaxialen Sys-
temen sind die Sende- und die Empfängereinheit im gleichen Gehäuse untergebracht, und es kann sogar die gleiche Optik (Sammellinse) eingesetzt werden. Bei biaxialen Systemen sind Sender und Empfänger voneinander getrennt. Damit wird es möglich, unterschiedliche Optiken für die beiden Baugruppen einzusetzen. Der Sender kann so im Kühlergrill oder in der Stossstange untergebracht werden, während sich der Empfänger am oberen Rand der Windschutzscheibe, beim Rückspiegelaufnehmer befindet. Es kann auch sein, dass mehrere Sender mit einem Empfänger kombiniert werden. Für die zeitliche Signalsynchronisation muss die Frequenz im höheren Gigahertzbereich liegen. Als Nachteil muss berücksichtigt werden, dass Parallaxefehler auftreten können, was zu Fehlern in Winkelbeurteilungen führen kann. Zudem ist die Aufteilung in verschiedene Baugruppen immer teurer, als wenn sie zusammengefasst werden, auch der verbaute Raum wird grösser. Bei Messungen im Nahbereich kommt es dabei auch zu toten Winkeln (rötlicher Bereich im Bild 7).
Bildgenerierung
Während die Zeitmessung ausschliesslich Informationen über den Abstand zweier Objekte gibt, können über die empfangenen Lichtstärken (Amplituden) Aussagen über die Materialien und Formen des detektierten Objektes gemacht werden. Wenn nur ein Laserstrahl (ein Kanal) zur Verfügung steht und eine maximale Distanz von 300 m gemessen werden soll, dauert das mit der direkten Messmethode 2 μs. Somit können pro Sekunde 500’000 Punkte gemessen werden (Punkterate = Anzahl Messungen pro Sekunde). Die auszumessende Fläche vor dem Fahrzeug kann schlecht in Quadratmeter angegeben werden, denn es kommt dabei ja darauf an, wie weit sich diese Fläche vor dem Fahrzeug befindet. Aus diesem Grund werden horizontale und vertikale Winkel angegeben. Wird ein horizontaler Winkel von 160° angenommen und ein vertikaler von 45°, ergibt sich ein Raumwinkel aus diesen beiden Winkeln, welcher einer Kugeloberfläche von 7200 sr entsprechen würde. In der Lidarsensierung wird von «Sichtfeld» (FOV – Field of View) gesprochen. Wenn dieses Sichtfeld einmal pro Sekunde
Bild 7. Biaxiale Lidarsysteme weisen einen (tiefliegenden) Montagepunkt für den Sender und einen zweiten, hochliegenden Punkt für den Empfänger auf. Leider bildet sich vor dem Fahrzeug ein nicht erfassbarer, toter Winkel.
durchgemessen wird, so ergibt sich eine Abtastrate oder Auflösung von 7200 sr/500’000/s = 0.0144°. Das heisst, dass pro Sekunde alle 0.0144° in horizontaler und vertikaler Richtung eine Messung durchgeführt und zu einem Bild zusammengerechnet werden kann. Wenn aber eine Bildwiederholungsfrequenz von 100 Hz verlangt wird, vergrössert sich dieser Winkel, und die Auflösung wird entsprechend 100-mal schlechter, also 1.44°. Um diese Bilder besser zu generieren, werden entweder mehrkanalige Lidarsensoren eingesetzt oder zumindest Sensoren mit mehreren Lichtquellen und einigen Empfängern.
Reichweite
Vor allem für die Lidarsysteme ist die Reichweite eine grosse Herausforderung. Die Funkwellen der Radarsysteme werden durch die Umwelteinflüsse weniger gedämmt als die Lichtstrahlen des Lidars. Es wird von SNR – Signal-to-Noise Ratio oder Signal-Rausch-Verhältnis – gesprochen. Das bedeutet, dass der Lichtstrahl, je weiter er läuft, immer verschwommener und weniger exakt wird. Das Rauschen nimmt zu; wenn aber das Signal zum Empfänger zurückkommt, ist es wichtig, dass die wirkliche Signalkurve deutlich aus dem Rauschen heraussticht. Nur so kann eindeutig detektiert werden. Natürlich könnte mit der Leistungssteigerung des Laserstrahls die Signalstärke vergrössert werden – auch jene des rückgestrahlten Signals. Aber alle kennen heute die Laserklassen, welche nicht überschritten werden dürfen. Da gehören auch die Laser der Lidarsysteme dazu. Gerade für die Leute in der Werkstatt, welche Lidarsysteme einstellen müssen, würde die Missachtung dieser Gesetze eine Gefahr darstellen. Die Laserstrahlen sind nicht im sichtbaren Bereich, so könnten sie die Augen schädigen, ohne dass es der Betroffene vorher merken könnte. Deshalb ist die Leistung begrenzt, und es muss versucht werden, das Rauschen zu mindern.
Die Sonneneinstrahlung hat ein erhebliches Rauschpotenzial für Lidarsysteme. So ist es sinnvoll, die Wellenlänge der Laserstrahlen so zu wählen, dass das Sonnenlicht in diesem Spektrum nicht sehr dominant ist. Aus diesem Grund befinden sich viele Lidarsysteme im Nahinfrarotbereich, also bei Wellenlängen zwischen 870 nm und 950 nm. Dieser Spektralbereich ist für Lichtempfänger auf Siliziumbasis sehr günstig, und die Empfänger arbeiten zuverlässig und mit gutem Wirkungsgrad bei diesen Wellenlängen. Andere Hersteller verwenden Wellenlängen zwischen 1060 nm und 1550 nm. In diesem Bereich lassen die Grenzwerte wesentlich höhere Sendeleistungen der Laserdioden zu. Dabei müssen aber wiederum spezielle Empfänger verwendet werden.
Die Lidartechnologie ist ausgesprochen interessant und vielversprechend und für autonomfahrende Fahrzeuge nicht wegzudenken.
FRAGEN
1. Welches Licht wird bei Lidar häufig eingesetzt?
2. Wie schnell breitet sich der Laserstrahl vor dem Fahrzeug aus?
3. Warum steht in der Formel in Bild 2 eine Zwei unter dem Bruchstrich?
2. Damit die Wasserstoffmoleküle selber beginnen, sich mit vorhandenem Sauerstoff zu verbinden, müssen Druck und Temperatur sehr hoch sein. Wenn aber von einer externen Energiequelle dem Gemisch z. B. ein Zündfunke zur Verfügung gestellt wird, entflammt es sofort und problemlos.
3. NO x entsteht, wenn Stickstoff und Sauerstoff unter sehr hohen Temperaturen und hohem Druck zusammen sind.
Der Hochleistungsdiodenlaser aus dem IDEEL-Forschungsprojekt macht die Serienproduktion von Li-Ion-Batterien durch das Rolle-zu-Rolle Verfahren deutlich wirtschaftlicher.
Innovative Laserprozesse
NEUE WEGE IN DER BATTERIEFERTIGUNG
Die Batterieproduktion steht im Zentrum der Elektromobilitätswende und damit im Fokus von Innovationen, die Effizienz, Nachhaltigkeit und technologische Spitzenleistungen vereinen. Der Fachartikel vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT stellt Technologien und Entwicklungen entlang der Produktionskette vor und zeigt, wie modernste Laserverfahren den Weg zu einer nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Batterieindustrie ebnen können.
Die Batteriefertigung steht im Zentrum globaler Industrieund Klimapolitik. Mit dem weltweit wachsenden Bedarf an Energiespeichern für Elektromobilität und stationäre Anwendungen steigt auch die Bedeutung einer effizienten, nachhaltigen und regional unabhängigen Produktion. Europa steht vor der Aufgabe, eine resiliente Wertschöpfungskette aufzubauen, die sowohl Rohstoffförderung als auch Weiterverarbeitung umfasst – sowie Recycling. Hinzu kommt, dass sich Produktionsprozesse aus Gründen der Investitionssicherheit flexibel an neue Batteriekonzepte wie Festkörper- oder Natrium-IonenBatterien anpassen lassen müssen. Angesichts dieser Herausforderungen wird klar, dass die Zukunft der Batteriefertigung in Europa nur durch den Einsatz modernster Technologien gesichert werden kann. Vor allem die Lasertechnik bietet Lösungen, um die zentralen Anforderungen – Effizienz, Präzision und Nachhaltigkeit – zu erfüllen.
Fraunhofer ILT, Pulsar Photonics GmbH
Elektrodenherstellung
Die Beschichtung der Stromableiterfolien (Kupfer oder Aluminium) mit den Elektrodenmaterialien für Anode und Kathode und deren anschliessende Trocknung sind entscheidende Schritte, die sowohl die Energiedichte als auch die Zykluslebensdauer der Batterien beeinflussen. Konventionelle Trocknungsverfahren, die auf Konvektionsöfen basieren, haben jedoch einen erheblichen Energieverbrauch und einen grossen Platzbedarf, was die Nachhaltigkeit und Effizienz der Batterieproduktion einschränkt. Das Projekt IDEEL (Implementation of Laser Drying Processes for Economical & Ecological Lithium Ion Battery Production) zeigt, wie Lasertrocknung diese Herausforderungen löst: In dem Projekt wurde erstmals die Trocknung von Anoden und Kathoden im Rollezu-Rolle-Verfahren mithilfe eines Hochleistungsdiodenlasers realisiert. Diese Methode senkt den Energieverbrauch, verdoppelt gleichzeitig die Trocknungsgeschwindigkeit und halbiert den Platzbedarf.
Zellassemblierung
Neben der Trocknung der Elektroden spielt auch die präzise Verbindung der Elektrodenmaterialien eine zentrale Rolle für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Batterien. Hier hat sich das Laser-Mikroschweissen als Schlüsseltechnologie etabliert. Es ermöglicht kontaktloses, hochpräzises Fügen von Materialien wie Kupfer und Aluminium, die für Batterieelektroden essenziell sind. Durch die geringe thermische Belastung bleibt die empfindliche Zellchemie unversehrt, während die elektrische Leitfähigkeit durch reduzierte Übergangswiderstände optimiert wird. Laser-Mikroschweissen bietet eine Kombination aus Flexibilität und Effizienz, die traditionelle Schweissverfahren nicht erreichen können.
In einem anderen Forschungsprojekt nutzt das Fraunhofer ILT eine speziell entwickelte MultistrahlOptik. Diese teilt die Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlen auf, die simultan ein 250 Millimeter breites Band einer Lithium-Ionen-Batterieanode bearbeiten. Diese hochpräzise Strukturierung erhöht die Energiedichte und Schnellladefähigkeit.
Die Anforderungen an das LaserMikroschweissen variieren je nach Zellformat, da jede Zellart spezifische Herausforderungen bei der Kontaktierung mit sich bringt. Zylindrische Zellen erfordern eine präzise Schweisstiefe, um einerseits die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten und andererseits Beschädigungen durch Überhitzung zu vermeiden. Besonders anspruchsvoll ist die Kontaktierung des negativen Pols, da eine zu hohe Wärmebelastung die empfindliche Polymerdichtung beschädigen könnte, was zu einem Auslaufen des Elektrolyten führen kann. Bei Pouch-Zellen, die sich durch flexibles Design und hohe Energiedichte auszeichnen, müssen vor allem Durchschweissungen der empfindlichen Folienummantelung vermieden werden.
Eine vielversprechende Entwicklung bei der Zellassemblierung ist das Projekt «XProLas», das Trumpf in
12 von 24 Teilstrahlen im Einsatz: Die Optik von Pulsar Photonics strukturiert das Band der Batterieanode und verbessert so Leistungsdichte und Ladefähigkeit.
Bilder:
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ILT und weiteren Partnern umsetzt. Das Ziel ist die Entwicklung kompakter, lasergetriebener Röntgenquellen, welche eine Qualitätsprüfung vor Ort direkt beim Hersteller ermöglichen anstatt wie bisher durch den Einsatz grosser Teilchenbeschleuniger. Diese Technologie erlaubt es, Batteriezellen in Echtzeit zu analysieren, wodurch sich sowohl die Lade- und Entladeprozesse als auch die Materialqualität präzise überwachen lassen. Besonders bei der Untersuchung des Kathodenmaterials, das massgeblich die Leistung und Haltbarkeit einer Batterie bestimmt, eröffnet diese Methode neue Möglichkeiten.
Modul- und Packproduktion
Im Anschluss werden die einzelnen Zellen zu Modulen beziehungsweise Packs verbunden. Besonders auf Modulebene spielt die Präzision eine entscheidende Rolle, da die Integration mehrerer Schweissnähte notwendig ist, ohne die thermische Belastung der empfindlichen Zellen zu erhöhen. Laserprozesse wie das Mikroschweissen ermöglichen eine massgeschneiderte Anpassung an diese Anforderungen.
Eine der zentralen Innovationen des Fraunhofer ILT ist die Entwicklung von Verfahren, die das Fügen von Aluminium und Kupfer – beides Materialien mit sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften – sicher und präzise ermöglichen. Mithilfe modernster Laserstrahlführung kann die Einschweisstiefe kontrolliert werden, um empfindliche Zellen nicht zu beschädigen.
Neben dem Laserschweissen hat sich das Laserlöten etabliert, insbesondere für die Verbindung hitzeempfindlicher Komponenten. Dieses Verfahren arbeitet bei niedrigeren Temperaturen als traditionelle Schweissverfahren und schont so empfindliche Elektronik innerhalb der Module. Dies erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit der Batteriepacks, sondern trägt auch zur Energieeffizienz der Produktion bei.
Batteriemanagement und Sensorintegration
Das Batteriemanagement ist eine der zentralen Herausforderungen moderner Energiespeichersysteme. Die Sicherheit, Langlebigkeit und Leis-
tungsfähigkeit von Batterien hängen massgeblich davon ab – und nicht zuletzt die Akzeptanz von Elektromobilität. Fortschritte in der Sensorintegration und der Einsatz von KI bieten hier transformative Möglichkeiten, um diese Anforderungen zu erfüllen. Traditionell werden Batterien auf makroskopischer Ebene überwacht, was jedoch nur eingeschränkte Einblicke in die komplexen Prozesse innerhalb der Zellen bietet. Hier bringt die Integration von Sensorik während der Fertigung neue Möglichkeiten. Forschende am Fraunhofer ILT drucken Sensoren direkt auf Bauteile oder integrieren die smarten Messgeräte sogar. Diese Sensoren ermöglichen Echtzeitüberwachung,
wie zum Beispiel die Messung von Temperaturen, Kräften oder sogar chemischen Veränderungen innerhalb der Batterien.
Mit additiv gefertigten Sensoren lässt sich der Zustand der Batteriemodule kontinuierlich überwachen, und es kann frühzeitig auf mögliche Fehler reagiert werden. Diese Sensoren sind nur wenige Mikrometer dick, präzise und gleichzeitig widerstandsfähig gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen, was sie ideal für den Einsatz in der Batterie und in Batteriemodulen macht. Ihre Fähigkeit, kontinuierlich Daten zu liefern, ermöglicht eine vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance), die potenzielle Defekte erkennt, bevor sie auftreten.
Die Integration von Sensorik allein reicht jedoch nicht aus, um Predictive Maintenance zu realisieren. Sensoren können Veränderungen in der Zellchemie erkennen, während KIAlgorithmen diese Daten analysieren und Vorhersagen über die Lebensdauer der Zellen treffen. Forschende der Abteilung «Data Science und Messtechnik» am Fraunhofer ILT entwickeln solche KI-gestützte Algorithmen, die grosse Datenmengen aus Sensoren in Echtzeit analysieren. Diese Systeme ermöglichen es auch, Prozesse dynamisch anzupassen, beispielsweise durch die Optimierung von Temperaturprofilen während der Zellassemblierung oder die Anpassung von Laserschweissparametern. (pd/sag)
Laserstrahlschweissen von Batteriezellen mit blauem Laser.
Die feste Tragfläche innerhalb des aktiven Frontflügels am Supersportwagen McLaren W1 wird die erste in Serie hergestellte Komponente aus McLaren ART Carbon.
McLaren ART Carbon
LEICHT GEMACHT
McLaren hat eine Produktionstechnologie für Kohlenstofffaserstrukturen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie für die Anforderungen der Automobilindustrie weiterentwickelt. So lassen sich Bauteile herstellen, die durch strukturelle Optimierung noch leichter, steifer und widerstandsfähiger sind – und dies sogar bei gleichzeitig geringerem Materialabfall.
Text: Stefan Gfeller | Bilder:
Mit über vier Jahrzehnten
Erfahrung in der Nutzung von Kohlenstofffasern als Schlüsseltechnologie für Leichtbau und strukturelle Festigkeit hat McLaren massgebliche Entwicklungen im Rennsport und der Automobilindustrie vorangetrieben. So basiert jedes einzelne McLaren-Modell auf einem Carbonfaser-Monocoque, die Briten nutzen das Material aber auch konsequent in Karosseriestrukturen und aerodynamischen Systemen und haben nun die Anwendung eines hochmodernen, spezialisierten Fertigungsprozesses für die Automobilindustrie entwickelt.
Automated Rapid Tape
Der Ansatz kommt aus der Luftund Raumfahrtindustrie, die ultrapräzise Fertigungsmethoden einsetzt, um massgeschneiderte Kohlefaserstrukturen für die neueste Generation von Passagier- und Kampfflugzeugen herzustellen. Statt der herkömmlichen, manuellen Verarbeitung mit vorimprägnierten Materialien werden dabei robotergeführte Composite-
Tapes schichtweise aufgetragen. McLaren Automotive hat eine schnellere Version dieses Fertigungsprozesses entwickelt, bei der die Technik des robotergeführten Schichtens von Composite-Tapes revolutioniert wird: Statt herkömmlicher robotischer Greifarme nutzt das Automated Rapid Tape (ART) genannte Verfahren eine speziell entwickelte Maschine mit einem festen Auftragkopf und einem rotationsfähigen, sich schnell bewegenden Fertigungsbett. Das ermöglicht eine deutlich schnellere Herstellung, die speziell auf die Anforderungen der Automobilindustrie und eine effiziente Serienproduktion von Kohlefaserbauteilen ausgelegt ist.
Das ART-Verfahren macht nun eine massgeschneiderte Faserplatzierung möglich, wodurch auch völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten entstehen, die mit herkömmlichen Methoden nicht realisierbar wären. Durch die gezielte Ausrichtung der Fasern innerhalb des Verbundmaterials kann eine anisotrope Steifigkeit erreicht werden – das bedeutet, dass die Steifigkeit in bestimmten
sich überflüssiges Material in weniger beanspruchten Zonen entfernen. Durch den präzisen Auftrag vorgegebener Längen von trockenen Composite-Tapes entstehen auch erheblich weniger unregelmässig geformte Verschnittreste, die nicht wiederverwendet werden können. Und der automatisierte Prozess verringert Positionsungenauigkeiten und Materialverluste, die durch manuelle Fehler entstehen können.
Serieneinsatz im Supersportwagen
Richtungen gezielt erhöht werden kann, während in anderen Bereichen Flexibilität erhalten bleibt.
Zusätzlich wird das StärkeGewichts-Verhältnis optimiert: Fasern können gezielt in Bereichen mit hoher Belastung oder Spannung, wie Verbindungsstellen, Kanten oder Befestigungspunkten, konzentriert werden. Dafür lässt
Die Automated-Rapid-Tape-Technologie mit ihren bedeutenden Vorteilen bezüglich Fertigungszeit und Kostenreduktion ist bereits in die McLaren-Produktionsprozesse integriert. Eine Prototyp-Anlage für Hochgeschwindigkeits-Carbonfaserauftrag wurde im McLaren Composites Technology Centre (MCTC) im englischen Sheffield installiert. Diese erste Implementierung der Technologie wird noch dieses Jahr auf eine industrielle Produktionsanlage skaliert, um die Fertigungskapazität weiter zu steigern. Das erste Modell, in dem McLaren ART Carbon eingesetzt wird, ist der neue Supersportwagen McLaren W1: Die feste Tragfläche innerhalb des aktiven Frontflügels, ein essenzieller Bestandteil des aerodynamischen Konzepts des Fahrzeugs, das bis zu 1000 kg Abtrieb erzeugen kann, besteht aus dem Material und ist so um bis zu 10 % steifer als ein vergleichbares, vorimprägniertes Kohlenstofffaserteil. Weitere Komponenten aus ART Carbon werden für die Serienproduktion des W1 in Betracht gezogen.
McLaren Automotive
Die Prototyp-Anlage für Hochgeschwindigkeits-Carbonfaserauftrag ist im McLaren Composites Technology Centre in Betrieb.
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Garantieversicherungen
Garantien sind auch ein wichtiges Instrument zur Kundenbindung. Lesen Sie in AUTO&Wirtschaft, was die Angebote der Versicherer ausmacht.
WIRTSCHAFT
Bremsen und Bremsprüfung
Mit der Verbreitung von Elektroautos haben sich die Anforderungen an die Bremsanlage verändert. Wir zeigen aktuelle Trends.
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Service- und Verschleissteile lassen sich bequem online bestellen. Die Juni-Ausgabe gibt einen Überblick der E-Shops.
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&Technik
FACHWISSEN
Internationales Wiener Motorensymposium Das Wiener Motorensymposium hat sich von einem reinen Motorensymposium zu einem Mobilitätssymposium gewandelt. Die mehr als 60 Vorträge werden die Hauptthemen batterieelektrischer Antrieb, Hybridantrieb und verbrennungsmotorischer Antrieb beinhalten, daneben wird der (nachhaltigen) Energiebereitstellung ein Fenster geöffnet. Einen speziellen Platz erhält auch das Thermomanagement bei BEV, und für den Wasserstoffantrieb in der Nutzfahrzeugtechnik ist viel Platz reserviert; primär werden die Vorträge die verbrennungsmotorischen Antriebe berücksichtigen, aber auch der Brennstoffzellentechnik werden sich einige Vorträge widmen.
Geschäftsführer Giuseppe Cucchiara gcu@awverlag.ch
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Chefredaktor Mario Borri (mb) mborri@awverlag.ch
SCHWERPUNKT
Carrosseriereparatur und Spot-Repair
Das Reparieren von kleinen kosmetischen Schäden, die beispielsweise durch Parkrempler verursacht wurden, gewinnt weiter an Bedeutung. Diese Schäden blieben früher oft unbehandelt, weil Aufwand und Kosten zu hoch waren. Mittlerweile bieten Lackhersteller viele Produkte dazu an, die sich einfach und kostengünstig verarbeiten lassen.
Maschinen, Werkzeug und Zubehör
Die Arbeit des Schleifens, Polierens und Trennens ist zwar seit Jahren gleich, die dazu benötigte Ausrüstung wird aber immer besser. Wir stellen entsprechendes Werkzeug, Geräte und Zubehör vor.
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