Forschung im Profil

Im Wandel von Paradigmen. Wie lassen sich Low-Cost-Cobots für Präzisionsmesstechnologien ertüchtigen?

Im Wandel von Paradigmen. Wie lassen sich Low-Cost-Cobots für Präzisionsmesstechnologien ertüchtigen?

admin

Ende letzte Woche wurde das einjährige Forschungsvorhaben 3D-FMM, welches sich mit der Entwicklung einer modularen und anpassungsfähigen Fertigungsmessplattform beschäftigt, in einem feierlichen Rahmen in den Räumen des Suhler Unternehmens PREMETEC abgeschlossen. Wie eine produktive Kooperation regionaler Unternehmen und Hochschulen angewandter Wissenschaften im Sinne eines wechselseitigen Transfers funktionieren kann, lässt sich am Beispiel dieses Forschungsprojektes studieren.

Das Projekt widmete sich einer konkreten Fragestellung, die aber zugleich ein breites Spektrum möglicher Anknüpfungspunkte eröffnet: Ist es möglich, eine automatisierte Messstation zu bauen, die zugleich kostengünstig, variabel und hochpräzise ist? Innerhalb des Horizontes ließen sich die Projektpartner mit ihren jeweiligen Perspektiven produktiv verbinden: Auf der einen Seite die Hochschule Schmalkalden und hier speziell mit Nikhil Meduri und Niranjan Kannali Ramesha ein Team des Lehrstuhls „Professur für Antriebs-, Automatisierungs- und Robotertechnik“ von Professor Frank Schrödel, und auf der anderen Seite das Suhler Unternehmen PREMETECPREMETEC, einem südthüringischen hidden champion mit einer Expertise für Messtechnik und Prüfanlagen. Eine besondere Problemstellung war dabei die kosteneffiziente Ausrichtung des Projektes, was sich auch in der Nutzung von Low-Cost-Robots manifestierte.

Der Einsatz kollaborativer Roboter nimmt in der Industrie immer mehr Fahrt auf: Im Unterschied zu vollständigen Automatisierungen wird hier ein Schwerpunkt auf der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine gelegt, was Herausforderungen für die Interaktion, die Kommunikation und die Sicherheit im Zusammenspiel von Roboter und Mensch birgt. Cobots können bei repetitiven Aufgaben wie Montage, Pick-and-Place oder Qualitätskontrolle helfen und industrielle Arbeitsabläufe optimieren. Zudem sind sie leicht zu programmieren und bieten einen hohen Grad an Entlastung und Arbeitsschutz. Für viele Anwendungsfälle der Industrie eignen sich kollaborative Lösungen, wobei sich das Angebot an verschiedenen Modellen von Cobots mehr und mehr erweitert. Neben hochpreisigen Varianten gibt es auch kostengünstige Modelle, die sich grundsätzlich einfachen Aufgaben erfüllen, bei denen aber Abstriche bei manchen operativen Qualitäten (wie der Geschwindigkeit) gemacht werden müssen.

Im Horizont der weiter voranschreitenden Automatisierung der industriellen Produktionsprozesse stellt sich die Frage, ob und sie sich Low-Cost-Coboter für spezifische Aufgaben nutzen lassen. Oder anders: Wie diese lassen sich kostengünstige kollaborative Roboter technologisch so ertüchtigen, dass sie hochpräzise Messoperationen vollführen können? Bevor wir uns dieser Frage und seiner Lösung widmen, braucht es noch ein paar Worte über PREMETEC und die Herausforderungen hochpräziser Messtechnologien.

Messtechnik zwischen Präzision und Flexibilität

Fertigende Unternehmen brauchen spezifische und hochpräzise Anlagen zur Vermessung ihre Werkzeuge, Bauteile und Produkte. Um eine Produktion möglichst reibungslos ablaufen zu lassen, ist eine Kontrolle von Nöten, die sich in die Produktionsabläufe einlässt. Das Unternehmen PREMETEC aus Suhl widmet sich seit mehr als 30  Jahren dieser Hausforderung und stellt für die Industrie hochwertige Lösungen für das Messen, Prüfen und Automatisieren bereit. Als ein Komplettanbieter für passgenaue Messvorrichtungen und unter anderem von Prüfautomaten entwickelt und fertigt das momentan 27-Mitarbeiter:innen starke Unternehmen für jeden Einzelfall optimierte Lösungen. Die Stückzahl der Produkte beläuft sich dabei zumeist auf eins, was die hohe Spezialisierung und Passgenauigkeit der Produkte greifbar macht.

Neben der Automobilbranche und dessen Zulieferpartnern werden zunehmend Unternehmen aus den Branchen wie der Medizintechnik, der Sicherheitstechnik und der Konsumgüterproduktion zu Abnehmern dieser Vermessungstechnologien. Das Portfolio von PREMETEC umfasst dabei neben kompakten und integrierten Lösungen auch spezielle Messstände, Messzellen und Prüfstände. Ab von der eigentlichen Vermessung ist eine Herausforderung für Messtechnologien, sich reibungslos innerhalb von Produktionsabläufen zu integrieren. Ein Produktionsintervall von einer Minute bedingt, dass auch die Prüfung unter einer Minute bleibt. Je nach Anwendungsfall und Vermessungsaufwand ist dies dann mehr oder weniger diffizil.

Die Industrie steht selbst vor Herausforderungen, was auch Folgen für Unternehmen wie PREMETEC zeitigt. Kleiner werdende Stückzahlen sind Folge dynamischer werdender Produktionszyklen, wodurch die hochspezialisierten Messtechnologien einem höheren Rentabilitätsdruck ausgesetzt werden, und worauf die Branche reagieren muss. Eine Lösung könnte sein, die Messtechnik in einem gewissen Rahmen variabel zu gestalten, und so für mehrere Produkte nutzbar zu machen. Beispielhaft sei auf eine Druckgussbauteil einer Heckklappe verwiesen, die selbst eine komplexe Geometrie aufweist und die zugleich sehr exakt gefertigt sein muss, um den Toleranzrahmen der Abweichungen nicht zu sprengen. Die akute Frage ist also, ob es eine Möglichkeit gibt, bei kleinen Varianzen im Design nicht die komplette Messtechnik ersetzen zu müssen.

Eine der zentralen Herausforderungen ist es dabei, die hohe Qualität bei Präzision und prozessualer Integration bei einer gleichzeitig gestatteten Flexibilität für variable Anwendungen garantieren zu können. Eine Lösung könnte in der Integration von Cobots bestehen, die in einem modularen Aufbau einer Messvorrichtung für unterschiedliche Vermessungsaufgaben genutzt werden könnten. Gerade preisgünstige Modelle würden es klein- und mittelständischen Unternehmen, wie sie Thüringen kennzeichnen, ermöglichen, auf diese Lösungen zurückgreifen zu können. Das Thema des Forschungsvorhabens und der Kontext seiner Anwendung stehen uns nun vor Augen. Offen hingegen sind noch die Arbeitspakete der Hochschule, also mit welchen Schwerpunkten sie sich in das Vorhaben einbrachte.

Cobots zwischen Kooperation und Korrektur

Vorab lässt sich festhalten, dass sich die Hochschule mit den Themen der Vermessung der Präzision des Cobots und den Möglichkeiten der Korrektur befasste. Mit Nikhil Meduri und Niranjan Kannali Ramesha erarbeitete ein Team aus dem Lehrstuhl „Professur für Antriebs-, Automatisierungs- und Robotertechnik“ von Professor Frank Schrödel in und zusammen mit PREMETEC über das Jahr Projektlaufzeit eine Lösung für diese Aufgabe. Das Projekt der Hochschule ließ sich in drei Arbeitspakete aufteilen, wobei sich die beiden letzten Pakete verknüpfen lassen. Für die Vermessung der Präzision des Roboters ist es wichtig zu bedenken, dass es sich um einen Low-Cost-Cobot handelt, und keine für solche Aufgaben ausgelegten Spezialvariante. Eine Folge dieser Grundbedingung ist, dass detaillierte Statistiken über das Verhalten und die Präzision des Roboters speziell im Dauerbetrieb bislang fehlten. Dieser Aufgabe hat sich die Hochschule angenommen.

Das erste Arbeitspaket befasste sich mit der Konzeptionierung des Projektes und seiner organisatorischen Koordination. Gerade weil die Laufzeit mit einem Jahr für die ambitionierten Aufgabenstellungen recht kurz bemessen war, die Abklärung der Grundstruktur ein wichtiger Aspekt. Zu unterscheiden war mit dem Sensorbereich inklusive Messkopf und Messtaster sowie dem Aktorbereich, also dem Robotor. Insbesondere musste die Kommunikation zwischen den Komponenten untersucht werden und ein Fokus auf die Ungenauigkeit der Robotorpositionierung geworfen werden. Kurzum ging es um die Frage, ob es Fehler bei der Positionierung gab und ob sich diese innerhalb einer tolerierbaren Größenordnung bewegten.

Im Zentrum des zweiten Arbeitspaketes stand neben der Entwicklung einer Steuerungsplattform auch die Erprobung, also die Übersetzung in die Wirklichkeit. Als Problem erwies sich dabei einerseits die mit der Bewegungskomplexität steigende Ungenauigkeit des Robotorarms: Je mehr Gelenke des Arms im Zuge einer Dreh- oder Greifbewegung aktiviert wurden, umso unpräziser wurden die Abläufe. Andererseits war die Sicherstellung der Wiederholgenauigkeit im Dauerbetrieb ein Gegenstand der Untersuchung. Der Robotorarm wurde unter anderem 600 mal an derselben Stelle positioniert, wobei sich im Laufe des Verfahrens eine immer höhere Ungenauigkeit ergab. Mit diesem Wiederholungspositionierungstest und der Analyse der Daten konnte sich das Schmalkalder Team einen weit umfassenderen Kenntnisstand über das Realverhalten des Robotorarms erarbeiten als dies Seitens des Herstellers bislang verfügbar war.

Diese Daten braucht es, um die Eignung des Arms für Messungen abschätzen zu können. Zugleich ist es wichtig im Kopf zu behalten, dass die wiederholte Selbstpositionierung nicht zum klassischen Repertoire dieser Roboter gehört, sondern eher die Repetition von Bewegungsabläufen. Dennoch ist die Kenntnis der Fehlerrate entscheidend für Einschätzung der Eignung der Roboter und die mögliche Nutzung der Low-Cost-Cobots. Nach der Untersuchung des Verhaltens war die Korrektur der Fehler der nächste Schritt. Als ein Problem stellte sich der postfaktische Eigensinn des Roboterarms heraus, der entgegen der objektiven Faktizität davon ausging, sich an der richtigen Stelle zu befinden. Die Frage war nun, wie sich das Verhalten des Robotors korrigieren ließe.

Die Lösung bestand in der Nutzung eines selbst entwickelten 6-stufigen Algorithmus: Mittels dieser adaptiven Softwarelösung konnte die Abweichung ausgeglichen werden, ohne dass aufwändige mechanische Eingriffe nötig gewesen wären. Den hohen Ansprüchen an Präzision, wie sie sich durch die Nutzung im Rahmen der Messtechnik stellten, konnte mit dieser Lösung über eine Korrekturmatrix ebenso entsprochen werden wie der funktionalen Adaptierbarkeit, also einer bleibenden Flexibilität in der Anwendung der Messtechnik. Dem entspricht auch, dass die Komponenten, die zur Korrektur notwendig sind, extern bleiben und nicht im System selbst fixiert oder implementiert sind. So bleibt diese Machine-Learning-Lösung autonom und adaptiv, was ihrer weiteren Nutzung viele Möglichkeiten bietet.

Transfer und die kommunale, föderale und supranationale Kooperation

Der in der Überschrift notierte Paradigmenwechsel besteht darin, dass die Cobots nicht mehr nur Hilfsinstrumente zur Vermessung sind, sondern selbst zur aktiven Vermessung genutzt werden. Eine Bedingung hierfür ist die Präzision, die durch das 3D-FMM-Projekt ermöglicht wurde. Gerade weil präzise Handhabungsaufgaben in der Industrie immer relevanter werden, birgt dieses Projekt auch immense Möglichkeitsräume für die weitere Nutzung. Im Sinne des Transfers lassen sich Potentiale nutzen, auf Seiten der Hochschulen ebenso wie auf Seiten der Unternehmen wie PREMETEC und der Hersteller der Cobots.

Die Relevanz und den erwartbaren Impact des Projektes für den Wirtschaftsraum Thüringen wurde auch an der Förderung durch den „Europäischen Fonds für die regionale Entwicklung“ und der Thüringer Aufbaubank (TAB) deutlich. Neben Holger Haun von der TAB stand auch Dr. Sebastian Stark auf der Gästeliste des Abschlussevents, wobei letzterer die Referatsleitung der Technologieförderung im Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft & Ländlichen Raum innehat. Mit Ariane Winkler und Sebastian Poppner war zudem auch die kommunale Wirtschaftsförderung des Oberzentrums Südthüringen vor Ort. Die Erfahrungen in der Transferbeziehung, die Hürden und Schwellen, die die Projektpartner gemacht haben, können durch dieses Netzwerk weitergetragen werden und können den Weg weiterer Forschungskooperationen ebnen.

Im Sinne eines gegenseitigen Gewinns hatte das Kooperationsprojekt für die Beteiligten Vorteile: Für das Unternehmen bietet sich eine fast marktreife Technologie, die das bestehende Portfolio sinnvoll erweitert. Für die Hochschule bot sich eine Möglichkeit anwendungsnaher Forschung, die neben Erkenntnissen und konkreten Daten auch zu mehreren Veröffentlichungen führte. Und nicht zuletzt wurde in dem Projekt ein Erfolgsmodell gezeigt, wie sich internationale Studierende in klein- und mittelständisch geprägte Unternehmen produktiv einbringen können. So konnten schlussendlich viele Potentiale genutzt werden.

Vom Feind zum Freund: Wie die Nachrichtentechnik Rauschen nutzen kann.

Vom Feind zum Freund: Wie die Nachrichtentechnik Rauschen nutzen kann.

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Die Digitalisierung der Gesellschaft beschränkt sich nicht auf Smartphones, sondern zeitigt mit Impulsen wie der Automatisierung der Mobilität, der smarten Steuerung unserer Energieversorgung und der Industrie 4.0 umfassende Transformationseffekte in ganz verschiedenen Bereichen. Auch wenn wir es im Horizont des Digitalen gewohnt sind, eher im Sinne des „Höher, Weiter und Schneller“ zu denken, was sich exemplarisch an den Anforderungen an Datenmengen und den Raten ihrer Übertragung zeigt, so gibt es auch Anwendungsbereiche, die sich an gegenläufigen Imperativen orientieren. 

Die Idee der Nachhaltigkeit findet einerseits zunehmend Verbreitung, was sich u.a. in dem Verständnis von Energie als wertvoller, nicht unendlich verfügbarer Ressource bekundet, andererseits ist die unreflektierte Verschwendung von Energie gewiss noch immer ein Thema, das sich in verschiedenen Bereichen wie der Nutzung von generativer künstlicher Intelligenz manifestiert. Neben dem gesamtgesellschaftlichen Horizont gibt es allerdings auch viele andere Motive, mit Ressourcen wie Energie oder Daten bewusst und effizient umzugehen

Technologien, die sich zum Beispiel eher an Prinzipien der Energieeffizienz ausrichten, sind dabei schon heute von Nutzen: Neben den Zahlungen per Bargeld sind EC Karten, Smartphones und Smartwatches mittlerweile als Zahlungsoption im Alltag weit verbreitet. Auch wenn diese Zahlweise rein äußerlich recht simpel wirkt, beruht sie auf komplexen Technologien, die zugleich die notwendige Sicherheit verbürgen. Die Energieeffizienz ist hierbei ein wichtiger Aspekt, der die sichere Kommunikation im Nahbereich ermöglicht. 

Was ist die Nachrichtentechnik?

Mit der Frage, wie Informationen übertragen werden, befasst sich die Elektrotechnik, genauer das Gebiet der Nachrichtentechnik. Kurz gefasst geht es hierbei um die Gewinnung, Umwandlung, Übertragung, Vermittlung, Speicherung und Ausgabe von informationstragenden Signalen. Im Fokus steht das Ziel, möglichst unverfälschte Informationen zu übermitteln, wobei die Herausforderungen hierbei ebenso beim Aus- wie beim Eingang der Signale wie bei dem Übertragungsweg und dem Umgang mit Störungen liegen. Anders formuliert lässt sich dies als Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik im Sinne der technischen Infrastruktur einer digitalen Gesellschaft begreifen.

Das Betätigungsfeld dieser ingenieurwissenschaftlichen Disziplin hat sich im Zuge des Wandels von der Analog- hin zur Digitaltechnik erheblich aufgefächert. Zugleich ergeben sich mit dem Entstehen der modernen Informationsgesellschaften genuine Herausforderungen, die verschiedene technologische Lösungsansätze bedürfen. Einerseits meint dies den Aufbau einer leistungsfähigen Netzinfrastruktur, wie sie viele Bereiche benötigen, zum Beispiel die autonom agierende Logistik. Die Unmengen an Daten und ihre notwendige Verfügbarkeit (sowie Verarbeitung) in Echtzeit verlangt eine optimale Nutzung der Übertragungstechnologien, Kanalkapazitäten und Bandbreiten, um die Kommunikation zu ermöglichen. Andererseits gibt es Anwendungsfelder wie die erwähnte Zahlung über EC-Karten, Schlüsselkarten (u.a. beim Car-Sharing), in deren Fokus die Authentifizierung und die Sicherheit stehen und dies mit einem geringen Energieverbrauch verbinden.

Signal-Rausch-Abstand 

Das allgemeine Ziel in der Nachrichtentechnik ist die Übermittlung von Informationen, indem ein Signal möglichst störungsfrei von Sender zum Empfänger gesandt wird. Ein relevanter Faktor ist hierbei der Signal-Rausch-Abstand: Je größer der Abstand, um so distinkter nimmt sich der Unterschied zwischen dem Signal und störenden Einflüssen, zum Beispiel von überlagernden Umgebungsgeräuschen, aus, wodurch die Informationen klarer empfangen werden können. Um diese Beeinträchtigungen des Signals zu minimieren, gibt es zwei Wege: Ein Ansatz besteht in der Reduktion bzw. Filtern der Störgrößen. Der andere klassische Weg besteht in der Verstärkung des informationstragenden Signals. In beiden Fällen wir der Signal-Rausch-Abstand vergrößert und das erwünschte Signal deutlicher.

Zu bedenken ist, dass je nach Verstärkung der Leistungsaufwand und damit der Energiebedarf steigt. Gerade in Anwendungsfällen, in denen Energie nur sehr begrenzt zur Verfügung steht, muss dieser Faktor folglich miteinkalkuliert werden. Je nach Anwendungsgebiet ist es mithin eine Abwägung, welches Instrument geeigneter erscheint. Der adaptive Umgang mit Gegebenheiten und Problemstellungen ist eine ingenieurwissenschaftliche Grundkompetenz, die auch im Bereich der Nachrichtentechnik zum Tragen kommt.

Zwischen Effizienz und Signalstörungen

Für spezifische Anwendungsfälle ist die Minimierung des Energieaufwandes zur Datenübertragung notwendig, wofür angepasste technische Lösungen gefunden werden müssen. Einer dieser Fälle ist die Steuerung von Rovern in extraterrestrischen Umgebungen, aber es gibt auch weit irdischere Anwendungen. Professor Ralf Martin Kramer stellte im Rahmen seiner Antrittsvorlesung einen neuen Ansatz der Datenübertragung vor, der den speziellen Anforderungen einer Datenübermittlung mit minimalen Energieaufwand genügt, wobei dieses Thema auch im Zentrum seiner Dissertation stand. Seit Oktober 2024 hat Dr.-Ing. Kramer die Professur „Elektronische Schaltungen“ an der Fakultät für Elektrotechnik der Hochschule Schmalkalden inne.

Bleiben wir zunächst bei der Informationsübertragung: Um eine sichere Informationsvermittlung bei nicht allzu hohem Energieaufwand zu gewährleisten, ist es möglich, dass sich Sender und Empfänger auf bestimmte Sequenzen einigen. Das heißt, die Signale bestehen nicht nur aus einzelnen Informationen, sondern aus Zeichenketten, die dann für eine Information stehen. Ein Beispiel ist das NATO-Alphabet, in dem Charly für C steht: Käme nur arly als Information an, wäre dennoch klar, dass C gemeint ist. Zwar ist dies ein unnötiger Overhead – also ein informationeller Mehraufwand –, bei gestörten Übertragungen und fehlenden Fragmenten in der Übertragung ist dies aber ein Weg, die Übermittlung zu verbessern. So kann ein gewisser Grad des Rauschens akzeptiert werden, zugleich ist aber eine gewisse Rechenleistung durch die Interpretation des Eingangs ebenso notwendig wie die Kenntnis der Codierung bei Empfänger und Sender.

Radio Frequency Identification

Eine andere Variante ist Sigma Shift Keying (SSK), der wir uns gleich zuwenden. Kurz gefasst ist dies eine Übertragungstechnik, der Ansätze des RFID zugrunde liegen und variiert werden. Was ist RFID? Grundsätzlich meint dies die Radio Frequency Identification und ist eine Technologie zur automatischen, kontaktlosen Identifizierung von Objekten mittels Radiowellen. Neben einem Lesegerät umfasst das System einen Sender-Empfänger (Tag) und erlaubt zugleich die eindeutige Authentifizierung des Tags. Die RFID-Tags sind weitverbreitet, sehr kostengünstig – zumindest in ihrer passiven Version – und erlauben die eindeutige Identifizierung von Objekten.

Es gibt verschiedene Varianten, wobei die grundlegende Funktion vergleichbar bleibt: Die Leseeinheit baut ein hochfrequentes Feld auf und aktiviert so den Tag. Je nachdem gibt der Tag nur die Information seiner Anwesenheit zum Zwecke der Identifizierung zurück, weitere Daten oder nimmt vom Lesegerät gesandte Daten auf. Der Tag kann passiv sein, also ohne eigene Stromversorgung, wobei er hierbei seine Energie vom Feld des Lesegerätes entnimmt. Durch diese Einschränkung ist der Funktionsumfang dieser Tags gering. Aktive Tags sind mit einer Batterie versehen, wodurch sie mit effizienten Sensoren ausgestattet werden können, deren Messungen sie zum Beispiel an das Lesegerät weitergeben können. Zudem können sie Berechnungen selbstständig vornehmen.

Software Defined Radio

Bevor wir zum SSK kommen, muss noch eine zweite technologische Komponente eingeführt werden, die eine weitere Grundlage des SSK bildet: Das Software Defined Radio. Kurz gefasst geht es hierbei um ein Kommunikationssystem über Radiowellen, bei dem die analoge Hardware durch eine auf einem integrierten Computer befindliche Software ersetzt wurde. Vormals hardware-basierte Komponenten der analogen Signalverarbeitung wie Selektion und die Modulation/Demodulation werden nun über eine digitale Signalverarbeitung geleistet. Bedingung hierfür ist die gewachsene Leistungsstärke der Chips. Vorderhand bieten Softwarelösungen den großen Vorteil einer bleibenden Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, die fixierte, analoge Formen nicht aufweisen können. Zum Beispiel ist dies eine Grundlage der mobilen Telefonie: Der ständige Wechsel von einer Funkzelle in eine andere und die sich dabei verändernden Funkprotokolle (Regeln, Syntax, Semantik und Synchronisation des Datenaustauschs) wären mit analogen Apparaturen kaum realisierbar.

Mit den jüngsten technologischen Entwicklungssprüngen in der Rechenleistung und der Verfügbarkeit kostengünstiger Komponenten wie digitalen Signalprozessoren fand auch die SDR-Technologie im nicht-militärischen Sektor Verbreitung. Ein Beispiel sind die DVBT-Empfänger in USB-Sticks, in denen SDR-Komponenten verbaut sind. Wie nutzt nun SSK das SDR? Das SSK benötigt gewisser mathematischer Modelle und Berechnungen, um die Signale zu Detektieren und zu Synchronisieren. Diese Operationen können jedoch auf Algorithmen reduziert und in Form von Software auf den Empfängern hinterlegt werden. Das SSK-System bleibt in der Folge möglichst leicht und anpassungsfähig an verschiedene Anwendungsfelder und Berechnungsmodelle.

Sigma Shift Keying

In natürlichen Umgebungen gibt es ein unvermeidliches Grundrauschen. Dieses Rauschen ist eine echte stochastische Größe, also ein Zufallsprozess, der als solcher nicht prognostizierbar ist. Anders als im üblichen Umgang der Nachrichtentechnik wird dieses Rauschen im SSK akzeptiert und zum Beispiel als die binäre Null gesetzt. Der zweite zur Übertragung notwendige binäre Zustand „1“ wird durch eine gezielte Änderung des Rauschens herbeigeführt. Hierbei besteht die Möglichkeit zusätzliches Rauschen hinzuzufügen, oder alternativ eine Reduktion des vorhandenen Rauschens vorzunehmen. In beiden Fällen wird eine Unterscheidbarkeit der beiden Signale, also des Grundrauschens und des informationstragenden Signals, im Sinne von Rauschniveaus eingetragen. Auch wenn also die stochastische Größe des Rauschens selbst unberechenbar bleibt, lässt es sich so verändern, dass es Informationen übertragen und von einem Lesegerät aufgenommen werden kann. Das Rauschen, dass bislang einzig als Problem in der Nachrichtentechnik aufgetreten ist, kann so selbst zur Übertragung genutzt werden.

Gerade die Absorption hat den Vorteil der Energieeffizienz, da hier kein eigenes Feld aufgebaut werden muss, sondern ein vorhandenes genutzt wird. Dahinter steht das bereits in der Messtechnik bekannte Prinzip der Lastmodulation. Grob vereinfacht wird dabei Energie absorbiert und über einen Widerstand in Wärme verwandelt. Zugleich kann so das Rauschen reduziert werden, wodurch ein kontaktloses Abtasten des Signals möglich wird. 

Der technische Aufwand des SSK ist dabei nicht anspruchslos:  Gerade die Rückgewinnung der binären Daten aus dem stochastischem Rauschsignal ist eine Herausforderung, wobei die Synchronisation sowie die Detektion zu leisten ist. Für beide Aufgaben wurden bestimmte mathematische Methoden entwickelt, die die Übertragung der Informationen leisten. Der Algorithmus muss also klären, welches Niveau verschiedene Rauschsampels haben und an welchen Stellen Datenpakete beginnen und enden.

Der Vorteil des SSK liegt in Fällen vor, in denen eine kontaktlose Übertragung von Messwerten in geschlossenen Objekten anvisiert wird, die zugleich über längere Zeit gegeben sein soll. Durch den minimalen Energieverbrauch und die angepasste RFID-Technologie ist einerseits die langfristige Authentifizierung möglich, und andererseits durch die Nutzung effizienter, in die Microprozessoren bereits integrierter Sensoren eine Erweiterung der funktionalen Möglichkeiten gegeben. In der Auslegung als Low-Power-Sensoren eignet sich diese Technologie zum Beispiel für spezifische Medizinprodukte, die den inneren Zustand von Paketen überwachen (Druck, Temperatur u.a.).

Forschung und Lehre

Neben der weiteren Optimierung der Technik und Verfahren ist ein Ziel der Forschung, die SSK-Empfänger auf einer kostengünstigen Hardware zu implementieren, wobei die Reduktion der Kosten einer zukünftigen Verbreitung der SSK-Technologie dienlich sein sollte. Die praktische Umsetzung von SSK im konkreten Anwendungsfall der RFID steht noch in einer frühen Phase der Forschungstätigkeit. Ziel ist es hier eine kostengünstige Lösung in die Praxis umzusetzen. 

Neben der RFID Übertragung gibt es aber noch einige weitere andere Anwendungsgebiete, die aber hiervon deutlich abweichen. Durch die Möglichkeit, eine Änderung der Standardabweichung vorzunehmen (daher auch der Name „Sigma“- für die Standardabweichung), also die Umtastung der Standardabweichung, kann auch z.B. eine existierende Funkstrecke um den Parameter der Modulation der Standardabweichung erweitert werden. Kurzum können so zusätzliche Daten können zu den bereits existierenden Datenkanal übertragen werden.

Mit einer angetretenen Professur verbinden sich jedoch nicht nur Aspekte der Forschung, sondern auch der Lehre, mithin der Vermittlung von Wissen und Kompetenzen. Just der kreative Umgang mit Problemstellungen im Sinne eines Motors für Innovationen lässt sich als ein Brückenschlag zwischen der Entwicklung des Sigma Shift Keying und der grundlegenden Vermittlung ingenieurswissenschaftlicher Kernkompetenzen deuten, der insbesondere an Hochschulen angewandter Wissenschaften von Relevanz ist. Theorie und Praxis sollen sich demgemäß produktiv verknüpfen, und die Problemlösungskompetenz der Studierenden stärken. Ein Weg der Vermittlung besteht in ambitionierten studentischen Projekten, in denen sich mechanische und elektrotechnische Aufgaben verbinden. Ein Beispiel ist die Konstruktion einer Sortiermaschine, für die verschiedene Gruppen ganz unterschiedliche Wege der Umsetzung gefunden haben. Solche praxisnahen Erfahrungen können die Studierenden dann in ihrem Berufsleben nutzen.

Hilfe auf unbekanntem Terrain. Wie Therapien gegen Post-Covid entwickelt werden

Hilfe auf unbekanntem Terrain. Wie Therapien gegen Post-Covid entwickelt werden

admin

Zwar haben sich die massiven Beeinträchtigungen des Alltags merklich reduziert, die individuellen und gesellschaftlichen Belastungen in Folge der Corona-Pandemie sind aber noch immer spürbar. Das Post-Covid-Syndrom ist mittlerweile als Krankheitsbild anerkannt, und die Verbesserung von Diagnose, Prophylaxe und Therapie bilden eine Triebfeder medizinischer Forschung. Professor Thomas Urban entwickelte zusammen mit dem Post-Covid-Zentrum in Senftenberg ein spezifisches Therapie-Konzept für Post-Covid-19-Patient:Innen und stellte in einem Bericht zu seinem zurückliegenden Forschungssemester seine Ansätze, Vorgehensweise und einige Ergebnisse vor, wobei dies auch zentrale Themen seiner zweiten Habilitationsschrift sind.

Die angewandte Wissenschaft im medizinischen Bereich hatte sich bereits zu Anfang der Pandemie durch eine immens schnelle Entwicklung und Bereitstellung verschiedener wirksamer Impfstoffe und deren kontinuierliche Anpassung an unterschiedliche Varianten hervorgetan. Ohne diese Errungenschaften der pharmazeutischen Einrichtungen und Unternehmen in Forschung und Produktion wären die Folgewirkungen von Corona gewiss weit drastischer und langwieriger gewesen. Die Reaktion auf die Pandemie macht das innovative Potential anwendungsnaher, medizinischer Forschung sowie der Health Tech deutlich, die modernste Technologien mit einem Fokus auf das physische und psychische Wohl von Patient:Innen verbindet.

Forschung in Progress

Die Forschung in diesem Bereich ist aber keineswegs abgeschlossen: Einerseits gibt es immer neue Varianten des Virus und damit die Notwendigkeit, die Impfstoffe anzupassen, um vulnerable Gruppen weiter effektiv zu schützen. Andererseits muss sich die medizinische Entwicklung mit den physischen und psychischen Auswirkungen der Pandemie befassen. Wie bei der Entwicklung von Impfstoffen stellt dabei die Neuartigkeit des Erregers die Forschung vor Herausforderungen, muss es doch zunächst darum gehen, das Krankheitsbild selbst zu verstehen und seine verschiedenartigen Ausprägungen zu charakterisieren. An diese Grundlegung können dann Überlegungen zu therapeutischen Maßnahmen anschließen.

Dem Post-Covid-Syndrom kommt als nunmehr anerkanntem Krankheitsbild breite gesellschaftliche Aufmerksamkeit zu, gerade weil die Spätfolgen einer Corona-Erkrankung nicht wenige Menschen betreffen und in ihrem Alltag belasten. Auch wenn die beiden Phänomene umgangssprachlich synonym verwandt werden, bezeichnet Long-Covid die anhaltenden Beeinträchtigungen mehr als vier Wochen bis zu drei Monaten nach der Infektion, und Post-Covid den anschließenden Zeitraum.[1]

Vergleichbar mit anderen Infektionskrankheiten können aus einer Corona-Infektion (SARS-CoV-2) verschiedenartige Langzeitfolgen resultieren, die Beeinträchtigungen der Organsysteme wie Herz, Lunge, Gehirn und u.a. Nebenorgane über einen längeren Zeitraum umfassen. Langzeit meint hier anhaltenden Beschwerden zwölf Wochen nach der eigentlichen Infektion, wobei die Häufigkeit des Auftretens zwischen 10% und 20% schwankt. Als verursachende Faktoren werden aktuell eine Überaktivierung des Immunsystems und eine Thrombusbildung im Mikrogefäßsystem diskutiert.[2] Die Folgen für die Menschen sind wiederum breitgefächert und reichen von Erschöpfungszuständen (Fatigue[3]) über Herz-/Kreislaufprobleme und Gleichgewichtsstörungen bis hin zu Nervenleiden und anhaltendem Schmerz. Diese Varianz legt die Komplexität des Syndroms nahe, was einerseits seine medizinische Beschreibung sowie ursächliche Verortung und andererseits die therapeutischen Ansätze anbetrifft, wobei hier verschiedene Disziplinen der Medizin kooperieren müssen. Das Ziel der Therapie ist neben der Symptomlinderung die Vermeidung der Verstetigung der Leiden und Befähigung der Betroffenen zur Teilhabe am Privat- und Berufsleben.

Der Blended-Therapy-Ansatz

Für diese Multidisziplinarität eignet sich ein innovativer Therapieansatz, den Professor Urban im Rahmen seines Forschungssemester analysierte und den er zugleich an einem Corona-Therapie-Zentrum empirisch untersuchen konnte. Der gewählte Zugang nennt sich Blended-Therapy und verschränkt klassisch-analoge mit digitalen Therapieformen. Durch die digitale Ergänzung wird eine flexiblere, räumlich wie zeitlich ungebundenere Behandlung möglich, die auch kontinuierliche therapeutische Formen und eine individuelle Umsetzung ärztlicher Empfehlungen zulässt. Zum Beispiel erlauben mobile Apps und Smart-Watches eine automatisierte, engmaschige (Selbst-)Kontrolle sowie spezielle Monitor-Kamera-Systeme überwachte Übungen in der Häuslichkeit und deren Kontrolle in Echtzeit. Die Forschung an diesen Therapieansätzen ist auch deswegen geboten, weil es derzeit kaum spezifische sektorübergreifende Konzepte gibt und bislang auch kein Therapieansatz bei Post-Covid als Standard empfohlen wird, der sich den Ursachen der Leiden im Unterschied zu symptomlinderungsorientierten Ansätzen annimmt und der nach empirischen Kriterien überprüft worden wäre.

Orientiert an den S2k-Leitlinie der Deutschen Gesellschaft für Neurologie und dem Post-COVID-Versorgungskonzept der LMU wurde eine Therapie entwickelt, die die spezifischen Bedarfe von Post-Covid-Betroffenen einerseits berücksichtigt, aber andererseits den Patient:Innen in gewissem Maße Belastungen zumutet. Diese waren in den bisherigen Post-Corona-Therapien eher unüblich.[4] Eine Folge des beeinträchtigten Energiehaushalts sind mögliche spontane Zusammenbrüche (postexertionelle Malaise), die Patient:Innen nicht voraussehen konnten und die den Rekonvaleszenzprozess immens zurückwarfen.[5] Zugleich haben Therapiemethoden, die Formen der Belastung nutzen und Überanstrengungen durch kontrollierte Bedingungen vermeiden, durchaus Erfolge vorzuweisen. Das individuelle Energiemanagement und die Minimierung von Überlastung waren in den Therapieansätzen wichtige Faktoren.

Die Blended-Therapy verknüpft die klassische Behandlung in Präsenz mit digitalen Interventionsinstrumenten, womit sich die Möglichkeit zur Echtzeitanalyse der Belastung, des Leistungsvermögens und der Beanspruchung des energetischen Haushalts der Patient:Innen während der Übungen (auch in der Häuslichkeit) bietet. Anstatt einer umfassenden Schonung wurden sensomotorische Einschränkungen und Fatigue mit einem Gleichgewichtstraining und motorischen Übungstherapien begegnet. Anschließend wurde eine auf Fatigue ausgelegte kognitive Verhaltenstherapie umgesetzt, in deren Fokus zudem die sekundären psychosomatischen Symptome sowie die Erfassung der subjektiven Wirksamkeit der Trainingstherapie standen.

Studie und Auswertung

Die begleitende Studie fand in einem dreijährigen Zeitraum am dem Corona-Therapie-Zentrum Lausitz (Senftenberg) statt. Neben den Veränderungen der Leitsymptome mussten auch allgemeine Auswirkungen auf die physische und psychische Gesundheit sowie sekundäre Effekte beachtet werden. Der Studie standen 407 Patient:Innen zur Verfügung, die bestimmte Kriterien erfüllten. Die Trainings fanden in Präsenz ebenso statt wie bei den Patient:Innen zu Hause, wobei so die erforderliche Übungsdichte erreicht werden konnte. Die zweite Phase wurde von einer Befragungsstudie begleitet, um hieraus wichtige Erkenntnisse über den Nutzen therapeutischer Maßnahmen im Rahmen der Gesundheitsversorgung zu gewinnen.

Prof. Dr. Thomas Urban auf dem Ärzte-Konferenz an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus – Senftenbergam am 12. März 2016

Die Evaluation der Therapie bemaß sich an zwei Kriterien, den Post-Covid-Leitsymptomen und den motorischen Fatigability-Parametern, wobei letztere einen Indikator für die Beweglichkeit bereitstellen. Generell ließen sich positive Effekte sowohl in Hinsicht der Leitsymptome als auch der motorischen und kognitiven Fatigability-Parameter ausmachen.[6] Am Ende konnten also ebenso positive therapeutische Effekte festgehalten werden sowie der Nutzen des Blended-Therapy-Ansatzes, der sich zudem in das bestehende Versorgungssystem integrieren lässt. Die Therapie machte es den Betroffenen nicht zuletzt möglich, mit ihrem verringerten Energiehaushalt umgehen zu lernen, und zugleich die verbliebenen Kapazitäten effektiv zu nutzen. Um den Patient:Innen wieder die Chance zur aktiven Teilhabe am gesellschaftlichen oder beruflichen Leben zu bieten, ist dies ein erster, wichtiger Schritt.

Die Habilitationsschrift mit dem Titel „, Sektorenübergreifende beanspruchungsgesteuerte multimodale Blended Therapy für Post-COVID-19-Patienten mit Fatigue und sensomotorischer Instabilität“ hat Professor Urban im Bereich Versorgungswissenschaft des Instituts für Medizintechnologie an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg eingereicht.

[1] Vgl. Urban 2025, Sektorenübergreifende beanspruchungsgesteuerte multimodale Blended Therapy für Post-COVID-19-Patienten mit Fatigue und sensomotorischer Instabilität, S. 10 – 24, (Manuskript) und https://www.kvberlin.de/fuer-praxen/aktuelles/themen/thema/long-covid.

[2] Vgl. Urban, Thomas et al., Fatigue und sensomotorische Instabilität. Neurologisch kontrollierte Konversion von Post-COVID-19-Patienten, in: Nervenarzt (2024:95, S. 1104 – 1115), S. 1107

[3] „Die Fatigue wird durch eine subjektiv oft stark einschränkende, zu den vorausgehenden Anstrengungen unverhältnismäßige, durch Schlaf nicht aufzuhebende körperliche (insb. motorische), kognitive und/oder psychische Erschöpfung charakterisiert.“ (Vgl. ebd., S. 1106) Ein weiteres Merkmal ist das unabsehbare Auftreten der Erschöpfung, was wiederum den individuellen Energiehaushalt anbetrifft.

[4] Bei energetischer Verarmung, Fatigue und ähnlichen Krankheitsbildern wurde eher die Schonung der Betroffenen empfohlen.

[5] Die Beanspruchungsreaktionen können wiederum somatischer, kognitiver und auch emotionaler Natur sein. Ein Problem bei der Vermeidung der Crashs ist, dass es keine Verhältnismäßigkeit zwischen faktischer Belastung und der Auslösung der Zusammenbrüche gibt. Die technischen Möglichkeiten erlauben eine Belastungssteuerung in Echtzeit, was wiederum hilft, Zusammenbrüche zu vermeiden. (Vgl. ebd., S.1110)

[6] Ohne auf die Details der Auswertung hier weiter einzugehen, soll doch auf eine Problematik hingewiesen werden, an der wiederum die Herausforderungen therapeutischer Ansätze deutlich wird. So kam es bei Frauen zu einer Verschlechterung der sekundären psychosomatischen Symptome: Eine Erklärung hierfür ist der schnellere Verlauf der Therapie bei Männern und die sich daraus ergebende längere Beanspruchung bei Frauen, eine Selbstüberschätzung und ein ausweichendes Verhalten speziell junger Frauen. Therapien müssen diese Besonderheiten verstehen und reflexiv in ihren Behandlungen berücksichtigen, um die anderweitigen Erfolge nicht zu gefährden.

Panta rhei. Die Materialwissenschaft und ihr Blick auf die Dynamik der Welt

Panta rhei. Die Materialwissenschaft und ihr Blick auf die Dynamik der Welt

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Der griechische Aphorismus Heraklits, nach dem alles fließt, gewinnt auf dem Felde der Materialwissenschaft zusätzliches Profil. Das Prinzip des ewigen Werdens und Wandelns lässt sich hier darin übersetzen, dass Nichts wirklich fest ist, und manche Dinge wider Erwarten nicht wirklich scharf getrennt sind. Es ist dies ein eigener Blick auf die Struktur der Materialien und ihre Beziehungen, auf das das Wechselspiel zwischen Stoffen und Dingen. Und was all das mit der Produktion modernen Mikrochips zu tun hat, die in unseren Smartphones und Smartwatches stecken, darum wird es auf den folgenden Seiten gehen.

Zunächst ist es sinnvoll, das Fach selbst vorzustellen: Die Materialwissenschaft ist eine Disziplin zwischen Chemie, Physik sowie den Ingenieurwissenschaften und verknüpft diese Felder in einer eigenständigen Perspektive. Sie ist mithin ein interdisziplinäres Fachgebiet, das sich mit der Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Materialien und Werkstoffen befasst. Als Wissenschaft, in deren Fokus Materialien stehen, zielt sie auf das Verständnis der Stoffgemische, ihren Wechselwirkungen und den daraus resultierenden Eigenschaften , es geht um chemische Beschreibungen ebenso wie um physikalische, chemische und mechanische Charakterisierungen, um Analysen der Strukturen und der Zusammensetzung von Substanzen ebenso wie um die Herstellungsbedingungen, die durch Faktoren der Thermodynamik und Kinetik beschreiben wird. Im Fokus stehen demnach thermodynamische und kinetische Grundlagen für ingenieurwissenschaftlich bedeutsame Werkstoffe:  Zugänge ergeben sich durch die Erarbeitung von Phasendiagrammen, die Untersuchung von Diffusionsprozessen oder auch die Charakterisierung von inneren Grenzflächen.

Ferner befasst sich ein Teilbereich der Materialwissenschaft mit Entwicklung neuer bzw. adaptierter Stoffe mit spezifischen Eigenschaften, die auf die Anforderungen bestimmter Anwendungsfälle abgestimmt sind. Wenn wir an die hochspezialisierten Materialien denken, die zum Beispiel in der modernen Mikroelektronik Verwendung finden und eine Grundlage für die Miniaturisierung und Leistungssteigerung sind, wird klar, wie die Materialwissenschaft durch ihre Verbindung von natur- und ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen innovative Potentiale schöpft. Hier zeigt sich auch der Brückenschlag zwischen der Grundlagenforschung und der Transferierung in die anwendungsorientierte Wirklichkeit, der gerade als produktive Verknüpfung von Forschung und Entwicklung für Hochschulen angewandter Wissenschaften wichtig ist. 

Wie arbeiten Materialwissenschaftler:innen?

Um die Eigenschaften von Stoffen und deren Veränderungen in unterschiedlichen Zuständen zu verstehen, eignen sich Phasendiagramme, also Darstellungen der Zustandsübergänge in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern. In diesen Diagrammen werden die Übergänge der Zustände (von fest zu flüssig zu gasförmig usw.) durch Einflussgrößen wie Zusammensetzung und Temperatur dargestellt. Dabei haben die Stoffe bzw. einzelne Bestandteile je Zustand und unter anderen während der Übergänge unterschiedliche, relevante Eigenschaften, die es zu charakterisieren gilt. So lässt sich an diesen Diagrammen das thermodynamische und kinetische Verhalten sondieren, das dann zum Beispiel gezielt bei Herstellungsverfahren genutzt werden können.

Ein anderer Aspekt innerhalb der Materialwissenschaft ist die Diffusion, also die Wechselbeziehungen zwischen Stoffen, zum Beispiel zwischen zwei Metallschichten. Unser Alltagsverständnis legt nahe, dass es zwischen beiden Metallen keine Wechselwirkungen gibt, sind doch beide solide Körper, die vollständig separat für sich bestehen. Wenn wir aber niedrigskalische Beobachtungsmethoden wie Elektronenmikroskope wählen, in denen die Atome und die Atomgitter sichtbar werden, verändert sich das Bild: Zwischen den Metallen, um in unserem Beispiel zu bleiben, können Beziehungen bestehen, was unteren anderem zur gegenseitigen Vermischung oder auch zur Einverleibung eines Stoffs durch den anderen führen kann. Wenn verschiedene Metalle und Legierungen wie bei der Mikrochipfertigung in der Elektrotechnik kombiniert werden, müssen solche Effekte bedacht werden, die in den Materialwissenschaften in den Fokus treten.

Die Untersuchung ebensolcher Interdiffusionsvorgänge ist ein Teilaspekt der Materialwissenschaft, der uns zu Martin Seyring und seiner Forschung an der Hochschule Schmalkalden führt. Dr. Martin Seyring hat im Oktober 2022 eine Stelle an der HSM angetreten, er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter für Rasterelektronen- und optische Mikroskopie an der Fakultät der Elektrotechnik. Zuvor forschte und lehrte er an Friedrich-Schiller-Universität Jena, an der er auch promovierte.

Materialwissenschaftliche Forschung an der HSM

Das Forschungsthema Martin Seyrings sind Phasenungleichgewichte an metallischen Grenzflächen, was im Bereich der Materialwissenschaften Prozesse wie die Interdiffusion umfasst. An der HSM arbeitet er mit Roy Knechtel zusammen, der die Professur für Autonome Intelligente Systeme innehat. Beide forschen nun an der Entwicklung mikroelektronischer Bauteile, sogenannten MEMS. Es geht unter anderem um Druck-, Beschleunigungs-, Drehraten-, Infrarotstrahlungs- und Neigungssensoren, die eine technologische Grundlage unserer modernen Gerätschaften wie Smartphones oder Smartwatches bilden. Während sich Roy Knechtel mit der mikroelektronischen Konstruktion und Integration der Sensoren befasst, widmet sich Martin Seyring der Einbindung der Sensoren, die zum Beispiel über Prozesse des Bondens und Lötens geschehen, und bringt so seine Erfahrungen aus dem metallurgischen Bereich der Materialwissenschaft ein. Um bei dem Ziel, immer höher Integrationsdichten zu erreichen und kleinere, effizientere und leistungsstärkere Bauteile zu realisieren, voranzukommen, rücken die verwandten Materialien und deren komplexe Beziehungen zunehmend in den Fokus.

Ein Ziel ist die Ausreizung technischer Potentiale bei der Verbindung der winzigen Strukturen auf und mit dem Siliziumwafer. Selbstredend gibt es nicht nur ein Verfahren des Bondens, sondern verschiedene Methoden, die sich wiederum für unterschiedliche Anwendungsfälle eignen. Neben dem anodischen Bonden und zum Beispiel dem Glas Fritte Bonden können beim metallischen Bonden auch Metalle bzw. Legierungen zur Verbindung verwandt werden, und hier setzt die Forschung Martin Seyrings und seine Erfahrung mit metallischen Werkstoffen sowie dem Verhalten von Dünnschichten an. Was sind die Beziehungen zwischen den einzelnen Metallschichten – die teils beim Bonden, Löten und Lackieren entstehen –, und wie lassen sich diese in verschiedenen Hinsichten optimieren?

Ein wichtiger Aspekt bei den Wechselwirkungen ist die Zeit: Diffusion und chemische Reaktionen laufen mitunter sehr langsam ab, gleich sind ihre Folgen erheblich. Eine Einflussgröße ist hier die Temperatur, welche diese beiden Prozesse beschleunigt. So ergibt sich zugleich eine Möglichkeit für die Forschung: Durch die kontrollierte Erhöhung der Temperatur lässt sich eine größere Zeitspanne simulieren und die Effekte auf die Materialien studieren. So lassen sich dann Fragen beantworten, wie warm Komponenten werden können oder wie dünn die verwandten Schichten ausfallen dürfen, was gerade aus Sicht einer effizienten Produktion in hoher Stückzahl relevant ist.

Wo sich Technologie und Ökologie verbinden

Mit der Nachhaltigkeit wurde ein wichtiger Aspekt angetippt, der uns galant zu einem aktuellen Forschungsvorhaben Martin Seyrings und Roy Knechtels hinleitet. Der Titel des Projektes lautet MatInWLP, was für Material-Innovationen  im Wafer-Level-Packaging steht. Wiederum verbinden sich hier die von uns bisher verhandelten Themen in einem neuen Kontext. Neben dem Fokus auf den Materialen steht das WLP im Zentrum: Dies meint den Versuch, die Komponenten direkt auf dem Wafer aufzubringen, und sich viele einzelnen Prozessschritte zu sparen. Anders formuliert erfolgen beim WLP die Aufbauschritte von Halbleiterchips zu einsatzfähigen Bauelementen simultan und direkt auf Waferebene, was unter anderem die Schritte der Verkapselung und Kontaktierung umfasst. In diesem Projekt werden zugleich innovative Verfahren der 3D-Druck-Technologien aufgegriffen, die für das WLP eine Rolle spielen könnten.

Um den innovativen Charakter zu verstehen, gilt es, den bisherigen Stand der Produktion von Chips zu betrachten: Trotz oder unabhängig von der enormen Steigerung der Quantität – neben der Qualität – der produzierten mikroelektronischen Komponenten ist deren Fertigung noch immer mit einem immensen logistischen Aufwand verbunden. Für die vielen einzelnen Fertigungsschritte reisen die Bauteile um den Globus, und hinterlassen so einen prägnanten ökologischen Fußabdruck. Ferner sind die mitunter heiklen Herkünfte der verwandten Materialien wie Cobalt zu bedenken: Die Entwicklung hin zur immer weiteren Miniaturisierung wird in Hinsicht des Materialverbrauchs durch die schiere Masse an produzierten Chips wettgemacht. In dem Projekt MatInWLP verbinden sich kurzerhand technologische und ökologische Ambitionen: Einerseits geht es um die technische Realisierung einer direkten Integration der Bauteile auf dem Wafer, was an sich schon Herausforderung genug ist. Andererseits geht es um den Versuch, durch die direkte Bündelung auf dem Wafer neben den Transportkosten auch den Materialeinsatz zu minimieren, und die ökologischen Folgekosten so weiter zu reduzieren.

Das Forschungsprojekt „MatInWLP“ wird von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert, die in ihrem Themenschwerpunkt RessourcenEffizienz die Optimierung von Fertigungsverfahren und Materialkombinationen fördert und in diesem Projekt die technologischen, ökonomischen und ökologischen Potentiale erkennt. In der anwendungsorientierten Forschungsförderung verfolgt die Stiftung das Ziel, Ergebnisse und Erkenntnisse auch in die konkrete Anwendung zu bringen. Das Projekt hat eine Laufzeit bis Anfang 2027 und wird mit 1 Million Euro gefördert.

Tickt die GenZ anders? Eine empirische Überprüfung generationaler Unterschiede

Tickt die GenZ anders? Eine empirische Überprüfung generationaler Unterschiede

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Seit ein paar Jahren mehren sich journalistische Beiträge, in denen vermeintliche Defizite der GenZ, von allgemeinen Wertvorstellungen bis hin zur spezifischen Arbeitsmoral, aufgegriffen werden. Personen dieser Alterskohorte, ungefähr die Geburtsjahre von 1995 bis 2010, werden Bequemlichkeit, Freizeitorientierung und unter anderem fehlender Ehrgeiz vorgeworfen. Der Frage, wie sich die Einstellungen der GenZ zur Arbeit und ihre Ansprüche an ihre Arbeitsverhältnisse von jenen vorheriger Generationen unterscheiden und ob diese Abweichungen einer wissenschaftlichen Überprüfung standhalten, ist eine offene Frage der Forschung. Professorin Katharina Sachse ist dieser in Zusammenarbeit mit Claus-Peter Heinrich, Silke F. Heiss und Sandra Sülzenbrück im Rahmen einer jüngst veröffentlichten Studie mit dem Titel „Arbeitgeberattraktivität aus Sicht der Generationen. Einigkeit statt Unterschiede“ nachgegangen.

Der Begriff „Generation“ ist unscharf und wird in Wissenschaft und Alltag unterschiedlich genutzt. Viele Menschen fühlen sich zwar einer Generation zugehörig, doch bleibt unklar, wodurch diese Einheit eigentlich zusammengehalten wird.

Der Jugendforscher Jürgen Zinnecker unterscheidet drei Perspektiven:

  1. Geburtskohorten – Menschen, die im gleichen Zeitraum geboren wurden.
  2. Lebensabschnitte – etwa Großeltern, Eltern und Kinder, die durch unterschiedliche Lebenssituationen geprägt sind.
  3. Zeitgeschichtliche Ereignisse – prägende Momente wie 9/11 oder die Einführung des iPhones.

Alle drei Ansätze zeigen, dass „Generation“ Unterschiedliches meinen kann. Letztlich sollte man den Generationenbegriff nicht als feste Grenze verstehen, sondern als Hilfsmittel, um Veränderungen zwischen Gruppen sichtbar zu machen.

Wichtig ist, dass verschiedene Disziplinen den Begriff unterschiedlich verwenden: Pädagogik, Soziologie oder Geschichtswissenschaft setzen jeweils eigene Akzente. Nützlich bleibt der Begriff vor allem, um Selbst- und Fremdverortungen von Menschen in ihrer Zeit zu beschreiben. In den Personalabteilungen von Unternehmen werden mitunter Generationenzuordnungen genutzt, um spezifische Personalmaßnahmen daran auszurichten. Die Wirtschaftspsychologie beleuchtet wissenschaftlich, wie Mitarbeitende gewonnen und gehalten werden können, und untersucht dabei auch, ob sich die oft diskutierten Unterschiede zwischen Generationen – etwa bei der GenZ – tatsächlich nachweisen lassen.

GenZ: Zwischen Krisen und Kritik

Und schon sind wir bei der GenZ, deren Jugend bzw. junges Erwachsenenleben vor allem von Krisen geprägt war, angefangen bei der Euro-Krise und der „Flüchtlings“-Krise bis zur Pandemie und ihren Folgen und schließlich der Ukraine-„Krise“. (Vgl. Katharina Sache et al., Arbeitgeberattraktivität aus Sicht der Generationen. Einigkeit statt Unterschiede, Berlin 2025, S.12) Die zunehmende Digitalisierung des Alltags, des Soziallebens und der Kommunikation sollte sich zudem auf Weltverständnis und -verhältnis dieser Generation auswirken. Auch wenn also die Kindheit und Jugend der GenZ von besonderen Umständen geprägt wurde und bestimmte Effekte auf diese Generation mithin plausibel sind, geht die eingangs notierte Kritik an der Arbeitsmoral dieser Generation weniger von weichen Einstellungsvarianzen als von festen, greifbaren Unterschieden im Wertesystem der GenZ aus, die diese von anderen Kohorten trenne. Der Generationsbegriff dient hier nicht im Sinne einer Auslotung von weichen Einstellungsunterschieden, sondern als Zuschreibung fassbarer, übergreifender Wesensmerkmale einer Altersgruppe.

Die Kritik zielt vornehmlich auf den Themenbereich der Arbeit, und lässt sich in die individuelle Arbeitsmoral und die Ansprüche der betroffenen Personen an ihre Arbeitgeber unterscheiden. Als Beispiele: Die WirtschaftsWoche titelt, die GenZ wäre lieber arbeitslos als unglücklich. Deutschlandfunk Nova konstatiert eine hohe Bereitschaft zum Arbeitsstellen- bzw. Arbeitgeberwechsel, RP online fragt nach einer allzu hohen Sensibilität im Berufsleben. Im Presseportal ist von immensen Gehaltsvorstellungen der GenZ zu lesen, der Focus sieht eine mangelnde Bereitschaft zu Überstunden. Prominent äußerte der ZDF-Moderator Lanz eine Kritik an den postmateriellen Werten der GenZ und ihrer Suche nach der idealen Work-Life-Balance. Neben Artikeln und Büchern über die GenZ gibt es zahlreiche Videos auf Plattformen wie YouTube. Abseits von kritischen Impulsen stehen oftmals Beratungsangebote an Unternehmen und Personalverantwortliche im Fokus.

Die evidenzbasierte Überprüfung

Nicht nur stellt sich die Frage, ob diese Beschreibungen der Generation Z überhaupt zutreffen, sondern auch, ob die normativen Veränderungen zum Beispiel der Anspruchshaltungen einer Work-Life-Balance ein auf diese Generation begrenzter Effekt sind, oder doch eher eine alle Generationen umfassende sozio-kulturelle Verschiebung im Sinne des Zeitgeistes markieren. In einer empirischen Studie ist die Forschungsgruppe um Katharina Sachse der Frage nachgegangen, ob die behaupteten Unterschiede zwischen den Generationen einer Überprüfung standhalten.

Gemäß einer populären Unterscheidung der Generationen in Kohorten lassen sich Baby Boomer, die Generation X, Y (Millenials) und Z trennen und durch mehr oder weniger grobe Zuschreibungen charakterisieren. Aus Sicht von Unternehmen, die sich in einem immer umkämpfteren Wettbewerb um Fachkräfte wähnen, sind diese Profile von Bedeutung, lassen sich doch vermeintlich durch ihre Berücksichtigung Rekrutierungschancen maximieren und Fluktuationsrisiken minimieren. Aus der Vermutung, Sicherheit wäre für die Motivation älterer Mitarbeitender, Selbstverwirklichung im Beruf für jene jüngerer Generationen wichtig, könnten maßgeschneiderte Ausschreibungsprofile und Jobkonditionen generiert werden. (Vgl. Sachse et al. 2025, S.09f.)

Die Frage ist nun, ob die grundlegende These einer greifbaren Unterschiedlichkeit der Generationen und ihrer Gewichtung von Faktoren der Arbeitgeberattraktivität überhaupt zutrifft. Die Forschungslage zur GenZ ist noch dünn, weil es allein deshalb noch kaum belastbare Studien geben kann, weil die GenZ erst in jüngerer Zeit den Arbeitsmarkt betritt und Erfahrungen sammeln kann. Internationale Studien, die ihren Fokus generell auf Generationenunterschiede legen, haben bisher keine gravierenden Unterschiede zwischen den Generationen feststellen können. (Vgl. Sachse et al. 2025, S. 17f.)

Das Ziel der Studie von Professorin Sachse und ihrem Forschungsteam war einerseits, eine empirische Studie am Beispiel Deutschlands zu liefern, und zudem einen Fokus auf die Einstellungen gegenüber den Arbeitgebern bereitzustellen.[1] Die Auswertung der Umfrage konnte auf Daten von 1133 berufstätigen Personen zurückgreifen, wobei alle Generationen quantitativ ungefähr gleich vertreten waren.

Die Befragung ging in 68 Items entlang von 19 Dimensionen unterschiedlichen Arbeitgeberattraktivitätsfaktoren nach. Eine regressionsanalytische Auswertung der Daten ergab, dass sowohl instrumentelle (Einkommen, Sicherheit, Benefits u.a.) als auch symbolische Merkmale (soziale und altruistische Werte sowie Status, also Prestige und Autorität u.a.) für die Arbeitgeberattraktivität relevant sind. Die Gewichtung der Faktoren unterscheidet sich dabei nicht bedeutsam zwischen den Generationen. Vor allem bei den wichtigsten Merkmalen wie Identifikation mit dem Arbeitgeber, Führung und Arbeitsaufgaben gibt es keine Unterschiede zwischen den Generationen – für alle sind diese gleich relevant. Kurzum lässt sich der Bruch zwischen den Generationen und eine distinkte Eigenart der GenZ in ihren Arbeitswerten und Erwartungen empirisch nicht bestätigen.

Fazit: Eine unnötige Polarisierung

Das heißt nicht, dass sich die Attraktivitätsfaktoren über die Zeit nicht verändern würden. Hierfür scheint aber eher ein Zeitgeisteffekt ausschlaggebend, der sui generis alle Generationen anbetrifft. So stellte eine andere Untersuchung fest, dass sich die Präferenzen zur Länge der Arbeitszeit im Allgemeinen geändert haben – auch die Babyboomer achten heute mehr auf Work-Life-Balance als früher.

Ein Zuschnitt der Rekrutierung auf die Generation Z ist demgemäß unnötig. Mitarbeitenden in allen Berufslebensphasen – vom Jobeinstieg bis zum Übergang in die Rentenzeit – sollten Arbeitsbedingungen geboten werden, die zu ihren Bedürfnissen passen. Dazu gehören eine gute Führung, sinnvolle Tätigkeiten, angemessene Entlohnung sowie Arbeitsaufgaben, bei denen die eigenen Kompetenzen genutzt und erweitert werden können.

Es lässt sich festhalten, dass es zwar einzelne generationale Varianzen gibt, diese sind aber nur minimal. Unter anderem die Veränderungen des Zeitgeistes und die genuinen Effekte von Lebensabschnitten sind bei Vergleichen von Generationen stets mitzubedenken. Die GenZ befindet sich am Beginn ihres Berufslebens in einer Orientierungsphase, in der sie verschiedene Erfahrungen sammeln muss, um den passenden Arbeitgeber und Berufsweg zu finden[2]. Allein dadurch lassen sich Unterschiede zu den Mitgliedern älterer Generationen am Arbeitsmarkt erklären.

Dem Begriff der Generation fehlt es neben einer konzeptionellen Schärfe auch an einem empirischen Profil, das sich anhand konkreter Beobachtung bestätigen ließe: Zwar lassen sich zwischen Generationen einzelne Unterschiede auch in der Attraktivität der Arbeitgeberfaktoren und Arbeitswerte ausmachen, diese sind aber zu gering, um als Scheidelinie zwischen den Generationen dienen zu können. Die Arbeitswerte der Generationen liegen trotz einer gewissen Varianz nahe beieinander. Kurzum: Die GenZ tickt nicht anders.

[1] Die Anlage von Studien hat notwendigerweise Auswirkungen auf die eröffnete Perspektive: In einer Querschnittsstudie, in der alle Personen zu einem Zeitpunkt befragt werden, können zwar alle Generationen abgebildet werden, gleichzeitig kann die Generation nicht vom Lebensabschnitt getrennt werden. Zum Befragungszeitpunkt befinden sich alle Mitglieder einer Generation auch im selben Alter und damit in derselben Lebensphase. Eventuell identifizierte Unterschiede zwischen den Generationen können somit auch durch Alters- bzw. Lebensphaseneffekte zustande kommen.

[2] Es lassen sich die Phasen der Exploration, der Etablierung, der Erhaltung und des Rückzugs trennen, wobei jede eigenen Logiken und Präferenzen unterworfen ist.  (Vg. Sachse et al. 2025, S. 16)

Stiftungsprofessuren als Impulsgeber der Forschung am Beispiel von Roy Knechtel

Stiftungsprofessuren als Impulsgeber der Forschung am Beispiel von Roy Knechtel

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Auch wenn Stiftungsprofessuren noch recht neuartige Strukturen sind, haben sie sich mittlerweile in der bundesdeutschen Wissenschaftslandschaft fest etabliert. Sie bieten einen genuinen Vorzug, der gerade aus Sicht von Forschung und Transfer ins Gewicht fällt: Stiftungsprofessuren nehmen innovative Potentiale technologischer Entwicklungen auf und begünstigen deren Übersetzung in universitäre Einrichtungen. Ihre Anzahl hat in der jüngsten Vergangenheit zugenommen, wodurch in Deutschland mittlerweile bis zu 2 % der Gesamtzahl Stiftungsprofessuren ausmachen. Bevor wir uns einem konkreten Beispiel einer solchen Stiftungsprofessur an der Hochschule Schmalkalden zuwenden, muss geklärt werden, was traditionelle von Stiftungsprofessuren unterscheidet.

Anders als bei den üblichen Professuren wird die Finanzierung nicht staatlicherseits aufgebracht, sondern vom jeweiligen Stifter, also Institutionen, Unternehmen oder auch Privatpersonen. Zudem ist der Zeitraum der eigentlichen Stiftungsprofessur begrenzt, zumeist auf fünf, teils auf zehn Jahre. In Absprache mit den Hochschulen wird die gestiftete dann üblicherweise in eine klassische Professur umgewandelt und so die Kontinuität der Forschung und der erarbeiteten Expertise gewährleistet. Ein zentraler Vorteil dieser Stiftungsprofessuren ist, dass über diese Methode innovative Forschungsfelder erschlossen werden können: Die Stifter legen im Austausch mit den entsprechenden Gremien der Hochschulen den thematischen Fokus der Professur fest, und stellen die Mittel für die Professur sowie weitere Sach- und Investitionsmittel (z.B. für  Laboreinrichtungen) bereit. Durch diese externen Initiativen können neuartige Themen und Bereiche Eingang finden, die bislang kein Teil des etablierten Kanons waren.

Der Reiz dieser Einrichtungen geht für Hochschulen neben dem Punkt der geminderten Kosten zum großen Teil von diesen Impulsen auf die Forschung aus, wie sich auch anhand der Stiftungsprofessur Roy Knechtels durch die Carl-Zeiss-Stiftung an der Hochschule Schmalkalden verdeutlichen lässt. Der Hochschule bot sich hier die Gelegenheit, in einem zukunftsträchtigen Forschungsfeld Expertise und Kompetenzen aufzubauen. Da der Förderzeitraum dieser Stiftungsprofessur kürzlich auslief, ist nun ein guter Augenblick für ein Resümee.

Möglichkeiten und Herausforderungen

Neuberufene Professoren und Professorinnen stehen für gewöhnlich einerseits vor der Aufgabe, die Ausrichtung ihres Lehrstuhls in Forschung und Lehre anhand ihrer Interessen und Vorstellungen vorzunehmen zu müssen. Neben Personal und Technik umfasst dies auch die Fixierung thematischer Schwerpunkte. Andererseits bestehen die Lehrstühle zumeist bereits, wodurch es einen gewissen Rahmen und einen Bestand an vorhandenem Personal sowie Forschungs- und Lehrmitteln gibt. Im Unterschied zu diesen Fortführungen von klassischen Professuren ist es eine Eigenart von Stiftungsprofessuren, eine Neugründung zu sein und nicht an einen bereits bestehenden Lehrstuhl anzuknüpfen, was Möglichkeiten bietet, aber auch Herausforderungen mit sich bringt.

An der Hochschule Schmalkalden wurde Roy Knechtel im April 2019 auf die von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderte Forschungsprofessur „Autonome intelligente Sensorik“ berufen. Der Förderzeitraum der Professur war für einen Zeitraum von fünf Jahren angesetzt und dauerte dementsprechend bis zum März 2024. Die von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen eines ausgeschriebenen Programms geförderte Professur zielte auf einen Bereich, in dem sich Roy Knechtel in über zwanzig Jahren Expertise und Erfahrungen im Rahmen seiner Tätigkeit im Erfurter Unternehmen X-FAB aneignen konnte: Die Entwicklung von MEMS (Micro Electromechanical Systems) Sensortechnologie.

Neben kleineren Projekten zu Sensoranwendungen lag der ein besonderer Schwerpunkt der Forschung der vergangenen Jahre auf technologischen Teilschritten zur Realisierung von Sensoren und deren 3D-Integration mit Mikroelektronik zu komplexen elektronischen Systemen, insbesondere zu Sensoraufbauten. Es versteht sich von selbst, dass für diese Forschungsfragen spezifische Anlagen, Labore und Apparaturen notwendig sind. Im Besten Falle sind diese schon vorhanden, ansonsten muss der mehr oder weniger aufwendige Weg ihrer Anschaffung beschritten werden.

An der Hochschule Schmalkalden fand Roy Knechtel bei Antritt seiner Professur ein Reinraumlabor vor, das neben der Partikelfreiheit auch eine Kontrolle der Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte zuließ. Hiermit lag bereits eine günstige Ausgangssituation vor. Zudem wurde bis Ende letzten Jahres die Klimatechnik des Reinraumlabors modernisiert. Aber auch in Hinsicht der Anlagentechnik konnte Roy Knechtel auf ein bestehendes Fundament aufbauen: Nicht nur gab es einen Hochtemperaturofen, der bis zu 800°C für Anglasprozesse von Siebdruckmaterialien erzeugen kann, sondern auch einen Siedrucker und einen Siebreiniger. Zudem waren neben chemischen Boxen und einem Drahtbonder auch Mikroskoptechnik einschließlich eines Rasterelektronenmikroskops mit EDX-Technologie für Materialanalysen und einen löttechnischen Bestand mit einer Hotplate und einer halbautomatischen Lötstation bereits vorhanden.

Grundlegung der Forschung

Roy Knechtel musste folglich keineswegs bei null anfangen, sondern konnte sich auf Anlagen konzentrieren, die für das neue Forschungsgebiet zentral sind. Die Neuausrichtung auf moderne Integrationstechnologien der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik insbesondere hinsichtlich der Sensorintegration machte es notwendig, Prozessierungsanlagen – wie verschiedene Typen von 3D-Druckern – und spezielle Analysetechnik in Form von Mikroskopen anzuschaffen.

Die verschiedenen 3D-Drucker dienen als Grundlage der Forschung. Der Anycubic Photon Mono m5s pro erlaubt das 3D-Drucken von Kunststoffen mit fotolitografischen Mitteln, also Licht. Hierfür werden spezielle Polymere verwandt, die auf den UV-Anteil des Lichts reagieren. Bei der Fertigung von mechanischen Bauteilen lässt sich eine Auflösung von bis zu 18,5µm erreichen, was eine hohe Präzision darstellt. Der Bambulab X1E ist ein Filament 3D-Drucker mit verschiedenen Austrittsdüsen zum Drucken von feinen Strukturen. Durch seine zahlreichen Sensoren und Softwareapplikationen ist ein präziser und schneller Druck möglich. Ein anderer Vorteil bietet sich in der Verarbeitung von bis zu 5 Farben und Materialien in einen Druck.

Die wichtigste Anschaffung lässt sich mit dem Begriff 3D-Drucker nur ansatzweise beschreiben: Das KRONOS 15XBT[1] System ist eher ein 3D-Integrationssystem, das viele verschiedene Möglichkeiten der Verfahren und verwandten Komponenten erlaubt, um elektronische Bauteile dreidimensional zu fertigen. Das 5-Achsen-System ermöglicht zum Beispiel die Verwendung von 10 Drucktechnologien, und weiter bieten sich mit 8 unterstützten Modulen Erweiterungen der Bildgebungsverfahren, der Vor- sowie Nachbehandlung und der Ergebnisoptimierung. Das System gestattet die Verarbeitung verschiedenster Materialen mit stark unterschiedlichen Viskositäten und Eigenschaften auf topographisch komplexen Substraten. Der Anwendungsbereich wird in der Folge um ein Vielfaches breiter: Nicht nur können verschiedenartige Verfahren zum Drucken, Härten und Prüfen simultan verwendet und kombiniert werden, es kann zudem beinahe alles von elektrisch Leitenden Pasten, über isolierende Tinten bis zu zähflüssigem Glas gedruckt werden.

Diese Drucktechnologien durch eine klassische Fotolithografie ergänzt, die technologisch gesehen die Grundlage der modernen Halbleiterfertigung darstellt. Zwar bietet der neu angeschaffte maskenlose digitale Belichter MLA100 von Heidelberg Instruments eine geringere Arbeitsgeschwindigkeit, er benötigt aber keine teuren Masken und ermöglicht dennoch eine Auflösung bis zu einem Mikrometer (ein Tausendstel Mikrometer). In Kombination mit einer Tischsputtereranlage lassen sich damit metallische Mikrostrukturen (auch als Kombination von zwei Metallen) mit elektronischen und magnetischen Funktionen oder als Fügesysteme herstellen. Die Kombination mit den Druckverfahren ist Gegenstand aktueller Forschungen.

Um die Fortführung eines wichtigen Forschungsfelds von Roy Knechtel aus seiner Zeit in der Industrie, das WaferBonden, also das definierte Stapeln und Fügen von Halbleiterwafern zur Realisierung dreidimensionaler Substrate und Elektronik- sowie Sensoriklösungen, zu ermöglichen, konnte durch eine Sonderförderung der Carl-Zeiss-Stiftung eine WaferBonderanlage beschafft werden. Diese wird inzwischen sehr intensiv genutzt. Da auch für das WaferBonden die Prozesskontrolle, d. h. die Analyse der Ergebnisse sehr wichtig ist, konnte ein Scanning Acoustic Microscope (SAM) als Leihgabe von der Firma PVA Tepla genutzt werden, das die Forschungen im Bereich des WaferBondens auf ein nochmals höheres Niveau gehoben hat.

Als ein weiterer Bereich der Anschaffungen kommen die Mikrokopie hinzu, mit deren Hilfe unter anderem die Prozessergebnisse vermessen und evaluiert werden können. Ein Lichtmikroskop der Firma Zeiss (LSM 700) arbeitet mit Hilfe eines Lasers, um kleinste Merkmale wiedergeben zu können. Der Laserstrahl fährt dabei über das Objekt und scannt jeden Punkt einzeln über das reflektierte Licht. Aus diesen einzelnen Informationen wird dann ein Bild zusammengefügt. Zudem kann das Mikroskop verschiedene Schichten erfassen, wodurch die Erstellung eines dreidimensionalen Modells möglich wird. Zuletzt bietet das Mikroskop auch Instrumente der Korrektur der Bildgebung an.

Das andere Mikroskop stammt ebenfalls von Zeiss: Es ist ein Rasterelektronenmikroskop vom Typ EVO MA15. Die Objekte, die dieses Mikroskop erfassen kann, sind nochmals kleiner. Um Dinge der Größenordnung einer Haarsträhne abbilden zu können, greift das Gerät nicht auf Licht zurück, sondern auf Elektronen. Ein Strahl von Teilchen wird auf die Materialien gerichtet, und die Elektronen schlagen andere Elektronen aus oder prallen an ihnen ab. Aus diesen Informationen wird dann ein Bild gewonnen. Diese Detailschärfe des Mikroskops ist zweckmäßig, wenn es zum Beispiel um Oberflächen von Micro-Chips geht. Auch die winzigen Muster (d.h. Mikro- und Nanostrukturen), die bei der Herstellung dieser Chips verwendet werden, können so erfasst werden. Zudem verfügt das Mikroskop über die Option des energiedispersiven Röntgens (EDX), was zum Beispiel für die Analyse der Vermischung zweier Metalle zu einer Legierung nützlich ist. Mit dieser Technologie ist es möglich, festzustellen, um welches neue Material es sich handelt.

Das Team und neue Herausforderungen

Mit der erfolgreichen Anschaffung dieser Geräte kann nun die nächste Phase eingeläutet werden, eben die der intensiven Forschung an und mit den Geräten. Micalea Wenig ist eine technologisch versierte wissenschaftliche Mitarbeiterin. Sie sorgt für den reibungslosen Betrieb des Reinraums und der Anlagen, ist inzwischen Expertin am SAM und führt eigene Forschungen durch. Mit Lukas Hauck konnte Roy Knechtel einen Doktoranden gewinnen, der sich mit dem 15XBT auseinandersetzt und der untersucht, ob sich Grundregeln in der Nutzung des Systems mit verschiedenen Verfahren und Materialien aufstellen lassen. Zudem konnte mit Dr. Martin Seyring ein wissenschaftlicher Mitarbeiter ins Team geholt werden, der einen für die Mikroelektronik durchaus relevanten Bereich abdeckt: Die Materialwissenschaften. Um immer kleinere und komplexere elektronische Bauteile und Schaltungen fertigen zu können, sind die Materialien und die Prozesse in diesen wichtig. Kurzum hat sich nun ein Team zusammengefunden, das die technischen Möglichkeiten für die weitere Forschung bestens nutzen kann.

Dies zeigt sich anhand mehrerer Forschungsprojekte mit der Thüringer Industrie über die letzten Jahre hinweg. Ein aktuell laufendes, von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördertes Projekt hat zu einer weiteren personellen und fachlichen Verstärkung dieser Forschergruppe geführt (über das wir demnächst berichten werden) sowie zu mehr als zehn wissenschaftlichen Veröffentlichungen (reviewte Artikel in Fachjournalen und Konferenzbeiträgen).

Abschließend kann festgehalten werden, dass die Stiftungsprofessur wie angedacht umgesetzt wurde: Es konnten die infrastrukturellen Grundlagen für State-of-the-Art-Forschungen geschaffen und ausgebaut werden, eine leistungsfähige Forschungsgruppe etabliert werden, die weiter wächst und an relevanten Projekten arbeitet und viele Ideen für neue zukünftige Forschungen hat. Hierfür gilt ein besonderer Dank der beteiligten Wissenschaftler sowie der Hochschule Schmalkalden an die Carl-Zeiss-Stiftung für die sehr umfangreiche finanzielle Förderung, aber auch für Weiterbildungsveranstaltungen wie das Vernetzungstreffen der von ihr berufenen Stiftungsprofessorinnen und -professoren, die diesen nachhaltigen Forschungsaufbau ermöglicht haben.

[1] Drucksystem 3D- Elektronikintegration Kofinanziert von der Europäischen Union im Rahmen des Förderprogramms Richtlinie zur Förderung der Forschung FTI Thüringen Forschung, Vorhabens-Nr. 2022 FGI 0019

Freie Fahrt für heiße Schmelze. Welche Vorteile können additiv hergestellte Werkzeuge bei der Extrusion bieten?

Freie Fahrt für heiße Schmelze. Welche Vorteile können additiv hergestellte Werkzeuge bei der Extrusion bieten?

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Forschung an Hochschulen angewandter Wissenschaften ist praxisnah und transferorientiert: Die Potentiale der wechselseitigen Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft können an Forschungsprojekten wie ExAM deutlich gemacht werden, das Stefan Roth, Professor für Produktentwicklung und Konstruktion an der HSM und Teil des Teams der Angewandten Kunststofftechnik (AKT), gerade umsetzt.

Um was geht es? Zunächst ist es sinnvoll, die Extrusion als ein spezielles Verfahren in der Kunststofftechnik vorzustellen: Grundsätzlich ist die Extrusion eine Möglichkeit der Fertigung von „endlosen“ Kunststoffteilen wie Rohre und Schläuche, wobei die eigentliche Methode auch in anderen Zusammenhängen angewandt wird, zum Beispiel bei der Herstellung von Nudeln. Kurz lässt sich eine Extrusionsanlage als eine Apparatur beschreiben, die Rohmaterialien wie Kunststoffe, Metalle oder Lebensmittel verflüssigt und durch eine Düse – auch Matrize genannt – presst, wobei diese Öffnung die Form des Produkts ergibt. Im Unterschied zu anderen Verfahren ist der Austritt kontinuierlich, was wiederum spezifische Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen mit sich bringt. Wichtig ist dabei, dass die Komplexität über die Düse hinausgeht und neben der Schmelze unter anderem auch Prozessschritte wie die Abkühlung umfasst. Bevor wir uns dem Forschungsprojekt ExAM zuwenden, worin es um die Vorteile der additiven Fertigung von Werkzeugen wie der Düse geht, verbleiben wir zunächst beim Extrusionsprozess.

Die Extrusion

Wie bereits erwähnt ist die Extrusion keine einzelne Maschine, sondern lässt sich eher als eine Anlage mit verschiedenen Teilen und Stationen verstehen. Gehen wir kurz den Weg des Produktes: Am Anfang steht das Rohmaterial, also das Granulat, das über einen Befülltrichter in den Extruder eingeführt wird. In diesem befinden sich eine Schnecke, die sich dreht und das so Material zum Ausgang transportiert und es dabei vermengt, verdichtet und erwärmt. Durch die in der Schneckenbewegung entstehende Reibung des Materials wird Wärme produziert, durch welche das Granulat aufgeschmolzen wird. Dieser Schmelzprozess wird durch außen auf der Anlage angebrachte Heizbänder gefördert.

Schnecke

So entsteht eine Schmelze, die im weiteren Gang durch die Schnecke verknetet und homogenisiert wird. Die Schmelze wird dann durch die Düse gepresst und so in die gewünschte Form gebracht. So entsteht ein im Grunde endloses Formteil, wie wir es zum Beispiel als Kabelschacht, Fensterprofil oder Folie kennen.  Im Anschluss wird das Produkt abgekühlt und simultan kalibriert, wobei sich hier die Verfahren je nach Eigencharakteristik des Produkts unterscheiden. Die Aufgabe ist es, Verformungen zu vermeiden, die durch die thermoplastischen Eigenschaften des Materials beim Abkühlen entstehen. Am Ende des Prozesses wird das endlose Extrudat abgelängt oder aufgewickelt.

Ansätze der Optimierung

Wichtig ist zu verstehen, dass es nicht um ein Material, ein Verfahren und eine Maschine geht, durch die letztendlich ein Produkt entsteht, sondern verschiedene Parameter die Möglichkeiten und Grenzen des Prozesses und des Produkts sowie deren Qualität entscheidend beeinflussen. Zum Beispiel haben sowohl die Schneckentypen als auch ihre Verfahrensweisen (z.B. ihre Rotation) Auswirkungen auf die Schmelze: Je nach Material eignen sich andere Schneckentypen. Variablen wie Menge, Geschwindigkeit und Wärme kommen hinzu, aber auch die Rolle von Additiven, also Zusätzen neben dem Granulat, denen wiederum eigene Eigenschaften zukommen. All diese Komponenten müssen je nach Material und Produkt abgestimmt werden, um am Ende des Prozesses eine möglichst passgenaue und effiziente Produktion zu realisieren. Gerade für Produkte, wie sie typischerweise mittels Extrusion hergestellt werden, sind die Aspekte der Quantität zentral. Durch die hohen Stückzahlen haben hier Verbesserungen der Produktion enorme Effekte.

In solchen grundlegenden und generalisierbaren Bereichen bietet sich die industrielle Gemeinschaftsforschung als Träger von Forschungsprojekten an. Von den IGF-Projekten und dessen Ergebnissen können alle Beteiligten profitieren, ohne hier von dem Konkurrenzdruck ausgebremst zu werden. Anders formuliert geht es hier um eine ambitionierte, vorwettbewerbliche Kooperation, die Forschung zum gemeinsamen Nutzen fördert. Getragen wird diese Gemeinschaft vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, sie verbindet aktuell 101 Forschungsvereinigungen und 1200 Forschungseinrichtungen. Einer dieser Forschungsbereiche, repräsentiert durch die Forschungsgemeinschaft Deutscher Werkzeug- und Formenbauer FDWF e.V., betrifft die Frage, ob und wie sich die Vorteile additiv gefertigter Werkzeuge im Extrusionsverfahren bemessen lassen. Und damit sind wir an der Hochschule Schmalkalden.

Das Forschungsprojekt

Das Forschungsprojekt ExAM rückt den Fokus weg von klassisch hergestellten Werkzeugen, die subtraktiv gefertigt werden, hin zum Verfahren der additiven Fertigung. Dieses ist in anderen Bereichen – sowohl im Allgemeinen als auch auf dem Gebiet der Kunststofffertigung – schon etabliert, und nun stellt sich die Frage, ob sich diese Vorteile auf das Verfahren der Extrusion übertragen lassen. Ein auf der Hand liegender Nutzen ist, dass die additiven Verfahren mehr Freiheitsgrade bei Fertigung der Werkzeuge bieten, und somit neue bzw. innovative Ansätze der Konstruktion ermöglichen.

Klassisch werden die Werkzeuge in Zerspanungsverfahren wie dem Fräsen, oder Drehen gefertigt, poliert und die Komponenten anschließend zusammengebaut. Eine notwendige Folge dieses Vorgehens sind Restriktionen wie Übergänge und Toträume, die negative Auswirkungen auf den Fluss der Schmelze haben. Der Schicht-für-Schicht-Aufbau der additiven Fertigung kann eben diese Restriktionen vermeiden. Die Optimierung der Werkzeuge führt dann zu einer Verbesserung der Produkte bzw. des Fertigungsprozesses: Bessere Bauteileigenschaften und maßhaltigere Teile sind ebenso Ziele wie die robustere und einfachere Ausgestaltung der Prozesse. So lassen sich unter anderem die optischen Eigenschaften optimieren auch der Ausschuss von Teilen minimieren. Kurzum haben Ingenieur:innen bei der Konstruktion mehr Möglichkeiten: Offen ist hingegen die Frage, ob sich der Mehraufwand der additiven Fertigung lohnt.

Düse

Bleiben wir bei den Möglichkeiten: Der zentrale Punkt ist die Führung der Schmelze im Werkzeug, die möglichst homogen zum Austrittspunkt geleitet und in Form gebracht werden soll. Stockungen, Stausituationen und Toträume müssen auch aus Sicht der Materialqualität vermieden werden, führen diese doch unter anderem zu Schlieren oder farblichen Mängeln. Das sich in Toträumen ansammelnde Material degradiert mit der Zeit, stört den Fluss und hat negative Effekte auf die mechanischen und optischen Eigenschaften des Materials. Wichtig ist ferner die Kontrolle der Geschwindigkeit der Schmelze, was wiederum in Abhängigkeit zum Druck und der Temperatur steht. Die additive Fertigung der Werkzeuge erlaubt die Umsetzung einer gezielten Temperierung, und somit die bestmögliche Auslegung der Schmelzekanäle und -führung. Zugleich lassen sich innovative Geometrien in Form von Kühlkanälen in das Werkzeug einbringen.

Ziel der Konstruktion ist die Optimierung des Schmelzraums, die eine möglichst schnelle Durchleitung bei gleichbleibender Qualität erlaubt. Die Effizienzsteigerung kann bei der Massenproduktion entscheidende Vorteile bieten. Dieser ökonomische Nutzen in der Produktion, den die additiven Bauteile liefern, soll im Forschungsprojekt ExAM geklärt werden. Am Ende des Projektes steht neben der Bewertung der Vorteile die Entwicklung eines Leitfadens, der die Konstruktion und die Auslegung additiv gefertigter Bauteile aufbereitet und allen Kooperationspartnern zur Verfügung steht. Anhand dieses Leitfadens können die Unternehmen dann gemäß ihrer eigenen Ansprüche und Ziele additive Werkzeuge entwickeln. Durch diese grundlegende Zugänglichkeit kann die Technologie der additiven Fertigung von Werkzeugen breit in Anwendung gebracht und die innovativen Impulse für die Steigerung der Produktqualitätsmerkmale genutzt werden.

Innovativer Transfer

Die Nutzung von additiv gefertigten und optimierten Werkzeugen ist im Bereich des Spritzgusses keineswegs Neuland, aber für das Verfahren der Extrusion schon. Somit gilt es weniger, neue Technologien zu entwickeln als darum, schon vorhandene in ein neues Gebiet zu übertragen. So lassen sich die bereits vorhandenen Erfahrungen aus dem Spritzguss in den Aspekten wie der Temperierung und der Flussführung der Schmelze nutzen. Infolge der grundlegenden Anwendungsorientierung bietet sich dieses Thema als kooperatives Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) an, wobei von den erforschten Technologien alle beteiligten Unternehmen profitieren können sollen. Als ein hier angesiedeltes Projekt steht die Anwendungsnähe im Fokus, also die anvisierten Wettbewerbsvorteile der kooperierenden Institutionen und Unternehmen.

Das zweijährige Projekt ExAM startete im letzten Herbst und verbindet drei Kooperationspartner mit drei unterschiedlichen Schwerpunkten: Im Fokus der Hochschule Schmalkalden steht die Extrusion und das Feld der Health Tech, die Kunststofftechnik der Universität Paderborn konzentriert sich auf das technische Profil; und das Fraunhofer Institut für additive Produktionstechnologien mit Sitz in Hamburg-Bergedorf ist im Projekt auf das Thema der Simulation und additiven Fertigung der Werkzeuge im laserbasierten Pulverbettverfahren spezialisiert.

Die durch das additive Verfahren ermöglichte Formvielfalt in der Konstruktion ist dabei für die HSM eine Herausforderung, ergeben sich doch viele neue Optionen. Zugleich setzt hier aber auch die innovative Optimierung der Werkzeuge an. Neben der eigentlichen Form das Bauteils werden auch verschiedene Werkzeugstähle für das additive Laserschmelzverfahren untersucht, wobei es immer um bereits kommerziell verfügbare Typen geht. Wichtig ist die Unkompliziertheit der anschließenden Nutzung. Nicht zuletzt muss jede einzelne Optimierung den gesamten Prozess der Extrusionsanlage mitbedenken und eventuelle Wechselwirkungen in Betracht ziehen.

Team bei der Vorstellung des 3D-Druckers

Jüngst konnte die Fakultät Maschinenbau und das AKT eine Neuanschaffung vermelden, die auch die Forschung am ExAM-Projekt unterstützen kann: Der innovative 3D-Drucker des Herstellers NewAIM3D wurde erfolgreich in Betrieb genommen und steht nun für Forschung und Lehre bereit. Mit diesem Drucker nach dem Pelletdirektextruderprinzip ist es möglich, Kunststoffe, Compounds, in handelsüblicher Granulatform direkt und effizient zu verarbeiten. So wird beispielsweise der Druck mit Granulaten, bestehend aus Metallpulver und Binder, sogenannten Feedstocks, möglich. Die daraus entstehenden Bauteile werden anschließend gesintert und erlangen so die Dichte und Eigenschaften von konventionellen Stählen. Das Verfahren stellt so eine Alternative zum etablierten jedoch aufwändigen additiven Laserschmelzverfahren von Metallpulvern dar. Die Anschaffung des Druckers wurde im Rahmen der dritten Förderperiode des Thüringer Zentrums für Maschinenbau ermöglicht und durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft und ländlichen Raum gefördert. Zudem unterstützt der Freistaat Thüringen das Vorhaben, das durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert wird.

In Kürze wird an dieser Stelle noch ein Video eingestellt, dass die Allianz Thüringer Ingenieurwissenschaften zu diesem Projekt produziert hat.

Abbrüche verhindern, Leistung verbessern: Wie eine Lern-App Studierende in der Anfangsphase unterstützt

Abbrüche verhindern, Leistung verbessern: Wie eine Lern-App Studierende in der Anfangsphase unterstützt

admin

Die Zahl an Studienabbrüchen ist seit Langem hoch, gerade in den ersten Jahren geben viele Studierende ihr Studium vorzeitig auf. Die Gründe für diese Entscheidungen sind vielfältig und lassen sich nicht verallgemeinern. Auf der einen Seite beruhen sie auf gewonnenen Erfahrungen mit den jeweiligen Fachbereichen: Die individuelle Einsicht darin, dass Fachgebiete oder Methoden den eigenen Präferenzen nicht entgegenkommen, führt dazu, das Fach zu wechseln oder gänzlich andere Wege zu gehen. Andere Gründe für den Abbruch des Studiums sind dagegen vermeidbar: So stellt der Wechsel von der schulischen hin zur universitären, höheren Bildung viele junge Menschen vor Herausforderungen. Neben dem Umfeld ändern sich auch die Ansprüche an die Organisationsfähigkeit, das selbstständige Lernverhalten und nicht zuletzt die Komplexität der vermittelten Inhalte. Hier könnte eine mobile Lern-App Abhilfe schaffen.

Institutionen wie Hochschulen ist daran gelegen, die Zahl vermeidbarer Studienabbrüche zu minimieren. Eine mögliche Antwort holt die Studierenden gezielt in ihrem Alltag ab: Die Nutzung von mobilen Endgeräten ist aus dem Leben junger Erwachsener nicht mehr wegzudenken. Smartphones dienen nicht mehr nur allein der Kommunikation, sondern neben der Organisation und Navigation nun vermehrt auch dem Banking und vielen anderen Dingen. Kurzum: Die Geräte sind Teil des Alltags und der Umgang mit ihnen ist ebenso häufig wie intensiv. Anhand dieses Befundes lassen sich durchaus Potentiale absehen, die es nahelegen, diese Geräte zu nutzen, um Studierende zu unterstützen. Es stellt sich mithin die Frage, ob und wie sich eine mobile Lernapplikation dazu eignen könnte, die Anfangsphase des Studiums und seine Herausforderungen für die Betroffenen zu erleichtern und somit den Abbruch eines Studiums zu verhindern. 

Von der Konzeption eines Anforderungsprofils…

Professor Florian Johannsen begann bereits in seiner Zeit an der Universität Bremen mit einem Team eine entsprechende App für den Bereich Wirtschaftswissenschaften zu entwickeln. Auch nach dem Antritt seiner Professur für Betriebliche Anwendungssysteme an der Fakultät für Informatik der HSM ist er weiter Teil dieses Projektes an der Bremer Universität. Auf Seiten des Lehrstuhls für Allgemeine Betriebswirtschaftslehre, Unternehmensrechnung und Controlling (Universität Bremen) besteht das Projektteam neben Professor Jochen Zimmermann, Dr. Martin Kipp, Dr. Johannes Voshaar und M.Sc. Janik Ole Wecks auch aus den Kollegen Prof. Thomas Loy (mittlerweile Universität der Bundeswehr München) sowie dem studentischen Mitarbeiter Patrick Heusmann. In mittlerweile fünf Publikationen präsentieren die Forschenden unterschiedliche Etappen der Entwicklung und folglich auch verschiedene Stufen der Implementierung der App „WiWiNow“.

Anwendungsbeispiel

Am Anfang stand die Frage, worin die Gründe für Studienabbrüche liegen und was die spezifischen Bedürfnisse und Herausforderungen von Studierenden am Beginn ihrer akademischen Laufbahn sind: Was sind die individuellen Motive und Situationen, die den Ausschlag für den Abbruch geben? Und wie kann ein App die Studierenden unterstützen, welche Funktionen und Features muss sie bieten? Wichtig ist hierbei die Einbeziehung der Betroffenen, da es genau um ihre Erfahrungen geht und sie am besten Auskunft darüber geben können, welche Angebote nicht nur nützlich wären, sondern auch tatsächlich genutzt werden. Dieser Punkt ist so trivial wie relevant: Beim Design einer App ist nicht nur die Funktionalität und die Usability zu beachten, sondern auch die Wahrscheinlichkeit einer regelmäßigen Nutzung. Es geht darum, die App als aktiven Teil in den Alltag zu integrieren, und so die nützlichen Effekte zu potenzieren. Aber der Reihe nach…

Am Beginn stand die empirische Evidenz, dass nicht nur der Bildungshintergrund einen Einfluss auf Erfolg und Misserfolg der höheren Bildungswege hat, sondern auch schlechte Erfahrungen im Studium selbst sowie psychologische Faktoren wie ineffiziente Lernstrategien oder der Mangel an Selbstorganisation (Vgl. Johannsen et al. 21, S. 1). Diese Kompetenzen werden in der Hochschulbildung vorausgesetzt, was einen großen Unterschied zum schulischen Kontext darstellt. Zugleich sind sie für so manchen Studierenden das umgangssprachliche Neuland. Die Abbruchquoten sind in der ersten Phase vergleichsweise hoch, zugleich haben Studien mit Blick auf das deutsche Bildungssystem einen Mangel an sozialer und akademischer Integration festgestellt, der zu den vermehrten Abbrüchen führt (Vgl. Johannsen et al. 23, S. 636f.). Diesen Herausforderungen der Transition-in-Phase[1] könnte eine App Abhilfe verschaffen, die nicht nur dazu dient, Seminar- und Vorlesungstermine zu koordinieren, sondern auch das Lernverhalten trackt und transparent macht sowie Wissen durch Übungen vertieft und über spielerische Elemente abruft. 

… zur Entwicklung einer App…

Die erste Phase des Projektes befasste sich mit der Konzeption eines Prototyps anhand spezifischer Design-Vorgaben und mit der Taxierung eines technischen Rahmens: Die Fixierung von drei Meta-Anforderungen wurde in acht Design-Anforderungen überführt, welche die App erfüllen muss (Vgl. Johannsen et al. 23, Fig. 2, S. 639). Es ging also darum zu klären, was die App liefern soll, und was die beste technische Lösung wäre. Nach einer ersten Orientierung über das Design der Anwendung und einer Übersicht über die am Markt befindlichen Alternativangebote wurde eine Gruppe Studierender befragt, die sich im zweiten oder dritten Studienjahr befanden: Die Idee war, von deren Erfahrungen der Herausforderungen zu lernen, etwaige Lösungswege zu eruieren und schließlich Anforderungen an die App einzuholen. Eine zweite Umfrage zielte auf eine Gruppe von Lehrenden, die in engem Kontakt zu den Studierenden stehen und mit ihren Problemen vertraut sind. Zugleich verfügen sie über einen reichhaltigen Erfahrungsschatz des akademischen Alltags. Anhand dieser beiden Usergruppen wurden User Journeys beschrieben, also wie mögliche Anwender:innen mit der App umgehen und wie sie durch sie geleitet werden. Anhand des Prototyps konnten dann verschiedene Testphasen vollzogen werden, und sowohl das Front- als auch das Backend verbessert werden. 

Nun war der Zeitpunkt da, die App unter realen Bedingungen zu testen. In einem verpflichtenden Einführungskurs zum Rechnungswesen im Wintersemester 2020/21 wurde die App den Studierenden zur Verfügung gestellt. Um Verzerrungen zu vermeiden, gab es keine Gratifikationen für die Teilnahme an der Studie. Wichtig zu erwähnen ist noch der Umstand der Pandemie und die Folge, dass der Lehrbetrieb ins Digitale verschoben wurde – was natürlich die Testbedingungen veränderte. Von den Teilnehmenden wurden sozio-demografische und strukturelle Daten abgefragt, die in die spätere Auswertung einfließen sollten. Hinzu kamen die Daten der App-Nutzung (u.a. Dauer der Nutzung und Quiz-Performanz), die Daten der Kursteilnahme (neben dem Kurs auch das begleitende Tutorium) und der akademischen Performanz (die Prüfungsleistung). Selbstredend wurden die Daten anonymisiert und dem Datenschutz genüge getan. Am Ende konnten die Daten von 575 Teilnehmenden in die Studie aufgenommen werden (Vgl. Voshaar et al. 22, S. 7).

Screenshots der App

Im Ergebnis ließ sich festhalten, dass sich ein intensiverer Gebrauch der App signifikant positiv auf das Prüfungsergebnis auswirkt. Gerade weil die höhere Nutzung der App auch mit Faktoren der Besuche der Vorkurse und der Tutorien positiv korrelierte – und folglich unklar war, was der entscheidende Faktor der Leistungssteigerung war –, wurden weitere Untersuchungen nötig. Mit anderen Worten: Es blieb offen, ob die Nutzung der App selbst positive Effekte hatte oder ob leistungsstärkere bzw. motiviertere Studierende die App eher von sich aus nutzten, was den Einfluss der App verringern würde (Vgl. Voshaar et al. 22, S. 14). Nach der Korrektur mit Hilfe einer Kontrollvariable, die auf die Einflussfaktoren der Selbst-Selektion abgestimmt war, haben sich die ersten Ergebnisse aber als robust erwiesen. Nach diesen durchaus positiven Befunden konnten die Forschungen um die App weitergeführt werden.

… über die Bestimmung von Qualitätsdimensionen der Nutzung …

Ein weiterer Ansatz, der zu einer Veröffentlichung geführt hat, befasst sich mit den verschiedenen Qualitätsdimensionen der Akzeptanz, die eine Anwendung aufweisen kann und die mit ihrer Nutzung einhergehen. Hierbei wurden vier Qualitätsdimensionen ausgemacht, die von der App bedient werden sollten und die wiederum selbst in Unterkategorien aufgegliedert werden können: Geht es in der Systemqualität um die Art und Weise, wie die Informationen durch eine App aufbereitet werden, zielt die Servicequalität auf die angebotene Unterstützung ab. Die Informationsqualität wiederum umfasst die Evaluation der ausgegebenen Inhalte, wogegen die Qualitätsdimension des wahrgenommenen Vergnügens (perceived enjoyment) bei der Nutzung ebenso selbsterklärend wie eine für die Wiedernutzung relevante Kategorie ist (Vgl. Johannsen et al. 23, S. 641 – 644). Mit der Intension der Wiedernutzung und der wahrgenommenen Nutzer:innenzufriedenheit (perceived user satisfaction) schließen sich dann zwei Aspekte aus der User-Perspektive an, die wiederum mit unterschiedlichen Qualitätsdimensionen gekoppelt werden können und zugleich beide auf die Lerneffektivität als letzten Aspekt Einfluss haben.

Ein Ziel im Design der App war es, die Funktionalität und den Komfort kommerzieller Apps in der Strukturierung des Alltags mit universitätsbezogenen Inhalten, organisatorischen Funktionalitäten und spielerischen Elementen zu kombinieren (Vgl. Johannsen et al. 23, S. 638f.). Mit Hilfe der unterschiedlichen Qualitätsdimensionen lassen sich Stärken und Schwächen in der Nutzer:innenfreundlichkeit eruieren, was wiederum die Implementierbarkeit in den Alltag zumindest indirekt erhellt. 

Im Ergebnis wurde eine Umfrage zu den Erfahrungen der Nutzung ausgewertet, an der sich zum Semesterende 131 Studierende beteiligten, wobei das eigentliche Sample aus unterschiedlichen Gründen (z. B. unvollständige Datensätze) 113 Studierende umfasste. In diese Auswertung flossen die vermerkten Qualitätsdimensionen ein, die in unterschiedlichen Items abgefragt wurden. Die System- und die Informationsqualität sowie die Qualitätsdimension des wahrgenommenen Vergnügens fördern die Nutzer:innenzufriedenheit, wobei die letzte Qualitätsdimension auch die Intension zur Wiedernutzung verstärkt. Die Lerneffektivität wird wiederum durch die Nutzer:innenzufriedenheit und die Intension positiv beeinflusst. Anhand dieser Daten konnte das Design der App und seine Erfüllung der Anforderungen überprüft und justiert werden (Vgl. Johannsen et al. 23, S. 651ff.). Ferner konnten vier spezifische Designprinzipien formuliert werden, die eine App bezogen auf die Transition-in-Phase beachten sollte: Neben einer Teilnahme-Management-Funktion bedarf es einer Kontrollfunktion des selbstständigen Lernens. Zudem muss eine plattformübergreifende Zugänglichkeit gegeben sein und die Inhalte einfach zu organisieren sein (Vgl. Johannsen et al. 23, S. 655f.).

… über die Verbesserung des Lernverhaltens …

In einer weiteren Studie, die auf der 44. Internationalen Konferenz zu Informationssystemen (International Conference on Information Systems – ICIS) in Hyderabad vorgestellt wurde, wird der Versuch unternommen, die App an etablierten Ansätzen der Lerneffektivität zu messen. Zwar wurde eine Verbesserung der Noten in den Abschlussprüfungen bereits nachgewiesen, dieser Aspekt ist aber nur ein Teilbeitrag zum Ziel, die Abbruchsquoten des Studiums zu senken. Das Konzept der fünf Erfolgsfaktoren studentischen Erfolgs hat Lizzio (2011) bezogen auf die Transition-in-Phase entwickelt: Die Erfolgsfaktoren sind die Verbundenheit (connectedness) z.B. mit dem akademischen Leben, die Fähigkeit (capability) der Selbstorganisation u.a., die Sinnhaftigkeit (purpose) z.B. akademischer Praxen, der Einfallsreichtum (resourcefulness) in der Koordinierung verschiedener Anforderungen und die Kultur (culture) im Sinne einer Wertschätzung der höheren Bildung. Der zweite Ansatz differenziert unterschiedliche Lernmodelle mit je eigenen Charakteristika: Neben dem oberflächlichen Lernen kann das strategische und zuletzt das tiefe Lernen angeführt werden (Vgl. Voshaar et al. 23, S. 3f.). Bleibt das erste Lernverhalten unfokussiert und ephemer, unterwirft sich das zweite Modell der Maxime der Effizienz und spricht dem Gelernten selbst keinen Eigenwert zu. Das tiefe Lernen wiederum lässt sich am ehesten als eigenständige Durchdringung der Wissensbestände erklären. Ziel war es zu erfahren, ob die App bzw. bestimmte Elemente helfen, die Herausforderungen der Transition-in-Phase zu meistern.

Die Auswertung der Studie ergab, dass die Nutzung der App die Sinne der Fähigkeit und des Einfallsreichtums positiv beeinflussen kann. Zudem verstärkt es das strategische und mindert das oberflächliche Lernverhalten. Die App hilft demnach bei der studentischen Selbstorganisation, fördert das eigenverantwortliche Lernen und die Einsicht in institutionelle Anforderungen in der höheren Bildung. Diese Potentiale sollten sich nutzen lassen, um die Quoten der Studienabbrüche zu verringern, werden Studierende doch über Angebote der App bei den ausgemachten Herausforderungen in der Anfangsphase des Studiums unterstützt.

In Kombination mit analogen Unterstützungsangeboten vor Ort haben die verschiedenen Komponenten der App unterschiedliche Potentiale der Unterstützung, die von der Selbstorganisation über die Prüfungsvorbereitung bishin zur Ausbildung einer studentischen Identität reichen. Gerade weil Defizite an effizienten Lernstrategien und dem Zeitmanagement enorme Potentiale an Frustration bergen, kann hier die App produktive Akzente setzen. Nicht zuletzt dienen die spielerischen Elemente der App der Motivation zur Wiedernutzung. Somit kann die App nicht nur die abgerufene Prüfungsleistung verbessern, sondern auch andere Impulse der Unterstützung setzen, die neben dem Lernverhalten auch die Selbstorganisation betreffen.

… bis zur Differenzierung verschiedener App-Features

In der jüngsten Studie befasst sich das Bremer Team zusammen mit Florian Johannsen mit der Frage, ob sich die einzelnen Komponenten der App anhand ihrer Effektivität differenzieren lassen. Diese Studie wurde auf der 45. Internationalen Konferenz zu Informationssystemen (International Conference on Information Systems – ICIS) in Bangkok vorgestellt. Zunächst konnte bestätigt werden, dass App-Nutzende ein signifikant besseres Ergebnis in den Prüfungen haben. Eine Unterteilung in verschiedene Nutzungstypen (Übungen, Quizze und Selbstorganisation) ergab keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich einer Verbesserung der Prüfungsleistung.

Prof. Florian Johannsen und Dr. Johannes Voshaar auf der Konferenz (Bildquelle: privat)

Die anschließende Forschungsfrage war, ob die Komponenten der App die Anforderungen und die Prinzipien des Designs unterschiedlich gut unterstützen. Festhalten lässt sich zunächst, dass alle drei App-Features die Leistung positiv unterstützen, mit einer Ausnahme: Die Beantwortung komplexer Fragestellungen wurden durch das Quiz-Feature nicht signifikant positiv gefördert. Das ist auch durchaus plausibel, zielen die Quizze doch auf die Abrufung von Wissensbeständen, und nicht auf deren Anwendung in diffizilen Fällen ab.

Relativ lässt sich sagen, dass die Übungsfunktion den stärksten Unterstützungseffekt hat, der zugleich über die verschieden Fragetypen stabil bleibt. Bei den einfachen Fragekomplexen, die Standardwissen abriefen, waren auch die Quizze für die Studierenden hilfreich. Das Selbstorganisationsfeature trägt zwar ebenfalls zur Verbesserung der Prüfungsleistung bei, aber in geringerem Ausmaß. Die Studierenden in der konkreten Studie profitierten also am meisten von der Übungsfunktion, wobei die Quizzes ergänzend für den Aufbau von Wissensbeständen nützlich waren. Die Selbstorganisationsfunktionen haben zwar einen relativ geringen Mehrwert für die Prüfungsleistung, ihre positiven Effekte könnten aber auf andere Weise entstehen und eher die grundlegende Identitätsbildung der Studierenden betreffen. Durch den Abgleich mit den beiden Designaspekten lassen sich Empfehlungen für App-Entwickler:innen, Studierende und Lehrende formulieren (Vgl. Voshaar et al. 24, S. 13f.).

Viele Fragen sind noch offen, so wird auch die Erforschung der Nützlichkeit einer mobilen Lern-App weitergehen. Neben der Frage der Zweckdienlichkeit der organisatorischen Features und ihrer deskriptiven Abbildung können auch die Komponenten der App in ihren positiven Effekten weiter aufgeschlüsselt und differenziert werden. Gerade weil neue Technologien wie das Smartphone nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken sind, ist die Implementierung einer mobilen Lern-App sinnvoll und ihre Erforschung geboten, auch um den Bedürfnissen nach ort- und zeitunabhängigen Angeboten gerecht zu werden. Es geht bei den verschiedenen Lehr- und Lernformen eben nicht um ein Verhältnis der Konkurrenz, sondern der Komplementarität, also der gegenseitigen Ergänzung. Die Digitalisierung setzt auch hier neue Impulse, die in Technologien wie einer Lern-App produktiv aufgenommen werden können.

Literatur (chronologisch sortiert)

  • Lizzio, A. (2011), The Student Lifecycle: An Integrative Framework for Guiding Practice. Griffith University.
  • Johannsen, F; Knipp, M; Loy, T; Voshaar, J; Zimmermann, J (2021): A mobile app to support students in the „transition-in“ phase. Proceedings of the 29th European Conference on Information Systems (ECIS 2021), Research-in-Progress Paper.
  • Voshaar, J., Knipp, M., Loy, T., Zimmermann, J. and Johannsen, F. (2022), „The impact of using a mobile app on learning success in accounting education“, Accounting Education, Vol. No. pp. 1-26.
  • Johannsen, F., Knipp, M., Loy, T. et al. (2023): What impacts learning effectiveness of a mobile learning app focused on first-year students?. Inf Syst E-Bus Manage (2023). https://doi.org/10.1007/s10257-023-00644-0
  • Voshaar, J., Wecks, J.O., Johannsen, F., Knipp, M., Loy, T., Zimmermann, J. (2023): Supporting Students in the Transition to Higher Education: Evidence from a Mobile App in Accounting Education, Proceedings of the International Conference on Information Systems (ICIS 2023), Hyderabad, India.
  • Voshaar, J., Johannsen, F., Mkervalidze, S. and Zimmermann, J. (2024). Unbundling the App Advantage: Evaluating Exam Performance-enhancing Features of Mobile Learning Apps in Accounting. International Conference on Information Systems (ICIS 2024). Bangkok.

[1] Die Transition-in-Phase ist eine Etappe des Studierendenzyklus nach Lizzio (2011). Dieser unterteilte das Studium in verschiedene, teils vor- und nachgelagerte Phase, in denen sich unterschiedliche studentische Identitäten je nach genuinen Herausforderungen, Aufgaben und Status ergaben. 

Die Vermessung von Müdigkeit. Wie können wir Unfälle im Straßenverkehr und bei anderen Tätigkeiten mit Daueraufmerksamkeit verhindern?

Die Vermessung von Müdigkeit. Wie können wir Unfälle im Straßenverkehr und bei anderen Tätigkeiten mit Daueraufmerksamkeit verhindern?

admin

Im Winter werden die Tage kürzer, und so lässt es sich kaum vermeiden, im Dunklen zu reisen. Für Autofahrer und -fahrerinnen stellt sich dabei ein besonderes Problem: Nachts, vor allem auf monotonen Strecken wie Autobahnen, kommt es zu Ermüdungserscheinungen wie Schläfrigkeit und Unaufmerksamkeit, teils sogar zum kurzen Wegnicken. Diese Phänomene bergen offensichtlich ein immenses Risiko, für die fahrzeugführende Person ebenso wie für Dritte im Fahrzeug oder andere, unbeteiligte Verkehrsteilnehmer und Passanten. Die nicht geringe Zahl an Unfällen, deren Ursache auf Ermüdungserscheinungen zurückgeführt werden kann, ist eine Motivation für die Forschung und die Suche nach Lösungen.

Professor Martin Golz aus der Fakultät Informatik der Hochschule Schmalkalden widmet sich diesen Fragen aus dem Forschungsfeld der Biomedizintechnik: Um ein Phänomen zu vermessen, muss man sich über dessen Definition im Klaren sein. Zunächst stellt sich also die Frage, was Vigilanz ist und im Gegenzug, in welchen Formen Ermüdungserscheinungen auftreten.[1] Wichtig ist dabei, verschiedene Aspekte zu differenzieren und zugleich die entscheidenden Faktoren auszumachen. Es geht also darum, ein oder mehrere verlässliche Kriterien zu finden, anhand derer Ermüdungserscheinungen detektierbar sind. Eine zentrale Herausforderung für die Forschung ist dabei, dass es keine verbindliche Definition der Ermüdung oder ihrer Anzeichen gibt und in der Folge bislang belastbare und dezisive Attribute fehlen.[2] Wie vermessen wir also Merkmale von Ermüdung?

Was ist eigentlich Ermüdung und wie zeigt sie sich?

Eine Gelegenheit, dieser Frage nachzugehen, ergab sich im Rahmen einer Anfrage aus der Wirtschaft, konkret der Tagebauindustrie: Im Minenbetrieb gibt es eine rege Logistik per Lastkraftwagen, die im Schichtbetrieb arbeiten.[3] Mehrere Faktoren, die im Regelfall Müdigkeit befördern, kommen hier zusammen: Lange Fahrten, monotone Strecken, stetige Wiederholung. Die Belastung nimmt nochmals durch die harschen Umweltbedingungen wie hohe Temperaturen und geringe Luftfeuchte sowie Staub zu. Kurzum: Ein Knochenjob, dessen hohe physischen und psychischen Belastungen regelmäßig zu Unfällen aufgrund von Ermüdung führen. Politische und ökonomische Akteure haben aufgrund der körperlichen und wirtschaftlichen Schäden und Folgekosten ein hohes Interesse, diese Unglücke zu vermeiden.

In der Industrie hat in den letzten Dekaden ein Umdenken stattgefunden, mit dem die Sorge um die Fitness der Beschäftigten in den Fokus trat: Mit dem fatigue risk management haben Strukturen und Umgangsformen in den Betrieb Einzug gehalten, die helfen, mit Ermüdungserscheinungen offen und bewusst umzugehen, diese frühzeitig zu erkennen und damit Unfälle zu vermeiden. Ferner sollen Vorgesetzte auf das Phänomen und das Risiko aufmerksam machen und die Belegschaft sensibilisieren. Um die Sicherheit der Fahrenden weiter zu fördern, sind Monitoringtechnologien sinnvoll und zweckmäßig, die Müdigkeitserscheinungen und Schlafereignisse autonom erkennen und bestenfalls verlässlich Alarm schlagen, bevor es zu Unfällen kommt. Hier kommen zwei Dinge zusammen: Zunächst die Vermessung der Erscheinungsformen von Ermüdung, und zum anderen eine Prognose. Beide Punkte müssen in der Forschung mit unterschiedlichen Ansätzen verfolgt werden.

Monitoringsysteme

Um den Einsatz der Monitoringsysteme bewerten zu können, musste zunächst eine Auswahl unter den auf dem Markt verfügbaren Systemen getroffen werden. Neben Wissenschaftler:innen wurden auch Beschäftigte und Vertreter der Unternehmen hinzugezogen: Aus der Gewichtung verschiedener Faktoren entstand ein Koordinatensystem, mit dem sich drei Monitoring-Modelle als sinnvolle Testfälle ermitteln ließen. Diese drei haben einen ähnlichen technischen Aufbau: Sie werden auf dem oder im Armaturenbrett befestigt und sind mit einer Infrarotkamera ausgestattet.

Die Ermüdung messen sie nach dem PERCLOS-Maßstab: Dieser bezieht sich auf die Zeit, während das Auge achtzig Prozent vom Lid verdeckt ist. Für diese Messung erfasst die Kamera verschiedene Aspekte, die sie aber nur in der Kombination des PERCLOS auswertet. Neben der Öffnung der Augenlider wird die Lidschlussdauer und die Pupillenweite in die Auswertung sowie u.a. die Kopfbewegung miteinbezogen. Offen ist neben der Aussagekraft des PERCLOS-Kriteriums selbst, ob ein oder mehrere Aspekte schon für sich valide Aussagen über die Ermüdung treffen. Für das Monitoring ist wichtig, einerseits eine hohe Sensibilität zu ermöglichen, andererseits aber möglichst Fehlalarme zu vermeiden, da dies wiederum die Akzeptanz verringern würde. So darf das Augenschließen bei blendendem Gegenverkehr eben nicht zum Alarm führen. In dieser Abwägung muss ein gangbarer Weg in der Anwendung gefunden werden.

Testfahrten im Labor

Aufgrund des Risikos verbieten sich Tests in Realsituationen. In der Folge griff Professor Golz auf eine computergestützte Fahrsimulation zurück, die die Vermessung von Ermüdungserscheinungen unter kontrollierten Bedingungen erlaubt. Zunächst galt es, die Testobjekte auszuwählen: Aus einer Vielzahl an Bewerbungen aus der Studierendenschaft der Hochschule Schmalkalden wurden mehrere geeignete Personen ausgewählt, um an dem Test teilzunehmen. Um die Ermüdung wahrscheinlicher zu machen – Ziel war ja deren Vermessung –, mussten die Partizipierenden einen bestimmten Tag-/Nachtrhythmus einhalten, ein Schlafprotokoll führen, auf Schläfchen am Tage verzichten und am Tag der Messung selbst wachhaltende Getränke wie Kaffee meiden. Simulierte Testfahrten wurden den realen Arbeitsroutinen der Kraftfahrer:innen des Tagebaus nachempfunden. Von 23:30 bis 08:30 mussten die sechzehn Teilnehmer:innen mehrere Einheiten von vierzig Minuten fahren. Das Testumfeld und die Testbedingungen waren so gehalten, dass sie Müdigkeit befördern: Die Strecke war monoton, es gab keinen Straßenverkehr und keine Ablenkung während der Fahrt. Zusammenfassend waren die wichtigen Kriterien der Studie, die Ermüdungserscheinungen wahrscheinlicher machen sollten: Time since sleep, time on task, time of day und das Monotonie-Empfinden.

Aufnahme aus dem Fahrsimulator (Quelle: Martin Golz)

Als Referenz zur ermittelten Müdigkeit wurde auf zwei etablierte Maßstäbe zurückgegriffen, die unabhängig von den anderen Werten funktionieren und somit als Kontrollvariablen dienen konnten: Zum einen die Selbsteinschätzung über den Grad der momentanen Müdigkeit, der in den Pausen zwischen den Fahrten abgefragt wurde (Karolinska sleepness scale). Zur Messung der subjektiv empfundenen Ermüdung hat sich diese neun-stufige Skala in der Wissenschaft als durchaus verlässlich erwiesen. Zum anderen die Position des Fahrzeugs auf der Straße: Ermüdungserscheinungen führen dazu, dass die Fahrzeuge die Fahrbahnmitte häufiger verlassen. Ein Übertritt über Fahrbahnmarkierungen lässt sich leicht ermitteln. Beide Kriterien sollen die Grundlage für die Bewertung der Monitoring-Systeme bilden. Als weitere Quelle der Vermessung wählte Professor Golz die EOG- und EEG-Signale, also die Augen- sowie die Hirnaktivität.

Wir kennen die Bilder des EEG zumeist aus dem Fernsehen: Ein Geflecht von Kabeln wird über einen Kopf gelegt und an verschiedenen Punkten Kontakt mit der Kopfhaut hergestellt. Über diese Kontakte lassen sich geringste Potentiale eines elektrischen Strömungsfeldes messen und folglich die Aktivität im Hirn in gewissem Maße nachvollziehen. Je nach Menge der Kontakte entstehen dann Aufzeichnungen einer Vielzahl an Wellen, die dem Laien nichts sagen. Die Auswertung dieser Diagramme ist eine höchst komplexe Angelegenheit und verlangt viel Erfahrung. Nur so lassen sich aus den Verschiebungen der Wellen, ihren Frequenzen und Amplituden und je nach Hirnareal differenzierte Rückschlüsse führen. Eine Frage ist, ob sich Ermüdungserscheinungen über dieses Verfahren exakt ermitteln lassen, bzw. ob eine Prognose eintretender Ermüdung möglich ist.

Erhebung und Auswertung der Daten

In einem ersten Schritt wurden die Daten der beiden unabhängigen Messungen mit den PERCLOS-Erhebungen der drei Monitoring-Systeme verglichen. Die Korrelation der PERCLOS-Werte mit den objektiven Messungen hielten nur oberflächlich stand: Sobald die zeitliche Auflösung feiner wird oder nur die Daten eines Individuums herangezogen werden, verlieren sich die hohen Korrelationswerte. Zusammenfassend ergaben sich signifikante inter- und selbst intrasubjektive Unterschiede über die Maßstäbe hinweg.

In einem zweiten Schritt versuchte Professor Golz zu klären, ob die EEG-Messungen als Referenz für eine Validierung der videobasierten Systeme zu dienen vermögen. Um hier eine Datenanalyse vornehmen zu können, wurde beide Messwerte simultan erhoben, und die Datensätze anschließend mithilfe der unabhängigen Variablen in starke und schwache Ausprägungen der Ermüdung unterteilt. Eine nichtlineare Diskriminanzanalyse sowohl der PERCLOS- als auch der EEG/EOG-Zeitreihen zeigte ein Defizit des PERCLOS, in hoher zeitlicher Auflösung zwischen schwacher und starker Ermüdung zu unterscheiden.

Aus diesen Ergebnissen ließ sich folgern, dass die Monitoringsysteme zwar unter Laborbedingungen gut arbeiten, hierfür aber wichtige Konditionen erfüllt sein müssen: Neben einer niedrigen zeitlichen Auflösung müssen die Daten vor der Auswertung möglichst über viele Personen hinweg gemittelt werden. Offen ist, ob die Messdefizite  an der Ausrichtung der Systeme am Normalverhalten der Augenbewegung liegt, wodurch untypische Ausprägungen nicht oder falsch detektiert würden. Jedenfalls erwies sich das EEG/EOG-Signal als deutliche robustere Maßgabe zur Ermittlung der Ermüdung.

Am Ende lässt sich festhalten, dass der Weg hin zu funktionierenden Monitoringsystemen von Ermüdungserscheinungen noch ein weiter ist. Ein Problem ist dabei, dass bislang keine Klarheit darüber herrscht, wie sich Ermüdung zeigt, was also generalisierbare Kriterien und Messobjekte sind. PERCLOS hat hierbei nur sehr bedingt überzeugen können. Und da es in diesem Bereich buchstäblich um Leben und Tod geht, bedarf es mehr Forschung, um geeignete Maßstäbe für Monitoringansätze zu liefern.

Die Prognose von Mikroschlafereignissen

Auch wenn das EEG durchaus verlässlich Ermüdungserscheinungen detektieren kann, bleibt doch das praktische Problem bestehen, dass die Ermittlung der Daten aufwendig ist und sachverständiger Expertise bedarf. Um breitenwirksame Akzeptanz zu erhalten, müssen andere technologische Lösungsansätze gefunden werden. Das Forschungsfeld der Neuroinformatik hat hier also noch genügend Aufgaben. Gerade die Prädiktik, also die Prognose kritischer Ermüdungserscheinungen, birgt soziale und ökonomische Relevanz.

In einem anderen, aktuelleren Projekt widmete sich Professor Golz zusammen mit seinem Team der Vorhersagbarkeit von Mikroschlafereignissen unter zu Hilfenahme von EEG-Signalen.[4] Die Herausforderungen bestanden wiederum in der Komplexität der Signalcharakteristik und der hohen inter-individualen Variabilität, also unterschiedlichen EEG-Eigenschaften je nach Person. Die Idee war, die Amplituden des EEG durch fünf Methoden der Zeitreihenvorhersage zu analysieren. Neben der prädiktiven Qualität ging es auch um die Eignung verschiedener Messpunkte des EEGs, also welches Hirnareal sich besser bzw. schlechter für die Messungen eignet.

Professor Golz bei der jüngsten Vorstellung seines Forschungssemesterberichts

Die Daten entstammten verschiedenen Testfahrten im Schmalkalder Labor, die unter den gleichen Bedingungen entstanden sind wie jene der Ermüdungserscheinungen. Durch die Verwendung der Messwerte von 79 jungen, gesunden Personen konnte auf eine große Datenmenge zurückgegriffen werden. Auch wenn sich ein Modell der Zeitreihenprognose durch eine geringe Fehleranzahl hervortat, wurde klar, dass jeder EEG-Kanal andere Parameterkombinationen zu seiner optimalen Verwendung bedurfte.

Infolge dieser Komplexität sind Prognosen schwierig, gerade wenn der Zeithorizont mit fünf Sekunden angesetzt wird. Auch eine adaptive Klassifikationsanalyse, die dem dynamischen Charakter der Signale gerechter werden sollte, hatte zwar im ersten Schritt hohe Genauigkeiten, konnte diese Ergebnisse aber nicht in der Validierung reproduzieren. Die Leistungsfähigkeit der Vorhersage ist abschließend also vorhanden, aber noch recht gering. Um hier Verbesserungen zu ermöglichen, könnten optimierte Datensätze ebenso verwandt werden wie moderne Methoden, die auf künstliche Intelligenz zurückgreifen und dem dynamischen Charakter der Daten entsprechen. Am Ende kann jede Verbesserung der Prognostizierbarkeit helfen, Leben zu retten. Somit ist es sinnvoll, an der Erkennbarkeit von Ermüdung weiter zu forschen. Das Fahrsimulationslabor und das Archiv der gewonnenen Datensätze ist hierfür eine ideale Ausgangsbasis.

[1] Vigilanz stammt vom lateinischen vigilantia, das „Wachsamkeit“ und „Fürsorge“ meint. Vigilanz bezeichnet einen Zustand andauernder Aufmerksamkeit bei eintöniger Reizfrequenz und ist umgänglich ein Synonym von Wachheit, einem Aspekt des Bewusstseins. Für die Untersuchung der Vigilanz misst man die Fähigkeit einer Person zur Daueraufmerksamkeit.

[2] Die uneindeutige Verwendung der Begriffe Müdigkeit, Fatigue und Erschöpfung ist Teil des Problems. In der Forschung wird mittlerweile dafür plädiert, die drei Begriffe als distinkte Phänomene auf einem Kontinuum zu fassen, die in Relation gesetzt werden können. Vgl. Matti, N., Mauczok, C. & Specht, M.B. (2022): Müdigkeit, Fatigue und Erschöpfung: Alles das Gleiche oder Ausprägungen eines Kontinuums? – Ein Diskussionsanstoß. Somnologie – Schlafforschung und Schlafmedizin 26, 187-198.

[3] Golz, M., Sommer, D., Trutschel, U., Sirois, B., Edwards, D. (2010): Evaluation of fatigue monitoring technologies. Somnologie – Schlafforschung und Schlafmedizin 14, 187-­199.

[4] Schneeweiß, L., Pauli, M. P., Golz, M. (2023): EEG-Vorhersage zur Prognose von Mikroschlaf, in: Stolzenburg, F., Reinboth, C., Lohr, T. & Vogel, K. (Hrsg.): NWK 2023 – Tagungsband der 23. Nachwuchswissenschaftler*innenkonferenz, Harzer Hochschultexte Nr. 14, Hochschule Harz, Wernigerode, 176-183.

Wie lässt sich Personal halten? Über wirtschaftspsychologische Faktoren der Mitarbeiterbindung

Wie lässt sich Personal halten? Über wirtschaftspsychologische Faktoren der Mitarbeiterbindung

admin

In Zeiten obwaltenden Fachkräftemangels wird die Herausforderung für Unternehmen, qualifiziertes Personal anzuwerben oder auch nur zu halten, nicht eben geringer. Durch die Fluktuation der Beschäftigten ergeben sich nebst Potentialen frischen Winds auch Reibungsverluste, die Unternehmen vermeiden wollen. So bedarf neues Personal einer Einarbeitungszeit, und zugleich verlieren die Unternehmen mit den Mitarbeiter:innen immer individuell erworbenes Sach- und Handlungswissen. Auch müssen die Vakanzzeiten überbrückt werden, wodurch die Arbeitsbelastung der Kolleg:innen steigt. Mit den psychologischen Faktoren und Mechanismen, die dem Verbleiben der Beschäftigten dien- oder schädlich sind, befasst sich Katharina Sachse, Inhaberin der Professur für Wirtschaftspsychologie an der Hochschule Schmalkalden. Eine Studie, die diesen Themen empirisch nachgeht und zu der sie in Koautorinnenschaft mit Ulrike Gaedke jüngst einen Artikel veröffentlichte, stellte sie im Rahmen ihrer Antrittsvorlesung an der Hochschule Schmalkalden vor.

Faktoren der Bindung

Um zu verstehen, was Mitarbeiter:innen an ihren Arbeitsstellen hält, muss eine dementsprechende Perspektive eingenommen werden: Ein Faktor dieser Bindung lässt sich mit dem englischen „commitment“ umschreiben, dass begrifflich zwischen den Bedeutungen einer Verpflichtung sowie Einbindung und einer Hingabe sowie einem Engagement schwankt. Das Commitment besteht aus verschiedenen Komponenten: Im affektiven Commitment, das in der Studie im Fokus stand, geht es um eine gefühlte Bindung an das Unternehmen und den Job. Anders formuliert meint dies ein „Selbst-“Bekenntnis und „den Wunsch der Beschäftigten, Teil des Unternehmens zu sein und zu bleiben.“ Demgegenüber verschiebt sich im normativen Commitment die Relation: Es geht nicht mehr um die Wertschätzung des Unternehmens, sondern um eine wahrgenommene Verpflichtung gegenüber dem Unternehmen. Weil beispielsweise meine Firma mir diese kostspielige Weiterbildung finanziert hat, habe ich eine Bringschuld gegenüber dem Unternehmen und bin mit ihm verbunden. Als dritter Aspekt kann ein kalkulatorisches Commitment angeführt werden, das allerdings auf eine vergleichsweise oberflächliche Bindung aufgrund rationaler Erwägungen abhebt. Beschäftigte bleiben hierbei aufgrund individueller und situativer Vorteile, entwickeln jedoch keine tiefergehende Beziehung.

Die Frage der Studie ist nun, wie und ob die Bindungseffektes des affektiven Commitments mit der Einbettung in den Job  und dem psychologischen Vertragsbruch zusammenhängen respektive sich positiv oder negativ auf die Mitarbeiterbindung auswirken. Um dies zu klären, wurde eine Online-Befragung von über fünfhundert Teilnehmenden vorgenommen und ausgewertet.

Passung und psychologische Verträge

Die Einbettung besteht nicht nur selbst aus verschiedenen Aspekten, es ist zudem wichtig, zwischen den Sphären des Beruflichen und des Privaten zu trennen, die hier beide einen distinkten Einfluss haben. Die Verbindungen sind der erste Aspekt: Sie beziehen sich auf das soziale Umfeld und die Aktivitäten, also neben dem Kreis der Kolleg:innen und den Führungskräften auch kollektive Teambuildingmaßnahmen auf der einen Seite, und das familiäre Umfeld sowie die Freundes- und Bekanntenkreise und die Freizeitaktivitäten auf der anderen Seite. Je besser sich der Job mit diesen Aspekten einer sozialen Qualität verträgt, umso höher sollte die Bindung sein. Die Passung als zweiter Aspekt zielt auf die Kompatibilität zwischen dem Individuum mit seinen Kenntnissen, Talenten und seiner Biografie und dem Anforderungsprofil des Jobs: Passt die Person also zum Job, oder kann sich diese an anderer Stelle besser und ihren Talenten gemäßer einbringen? Ein Mangel dieser Passung könnte also zu einer Über- oder Unterforderung bzw. zu Frustrationserfahrungen in der beruflichen Tätigkeit führen. Auf der anderen Seite ist es die Frage, wie sich die Anforderungen des Jobs mit einem gelingendem Sozialleben übereinbringen lassen – hier ist an Dinge wie Gleitzeit und weit mehr zu denken. Die dritte Komponente ist der Verzicht und meint die Vorzüge, die bei einem Jobwechsel seitens des Beschäftigten aufzugeben wären. Neben der Vergütung sind dies u.a. Home-Office-Regelungen, Job-Tickets, betriebliche Rentenversicherungen oder Möglichkeiten der Kinderbetreuung.

Der dritte Faktor ist der psychologische Vertragsbruch und seine Folgen. Wichtig ist es, den Bruch zu vermeiden, da dieser negative Effekte auf die Mitarbeiterbindung und dessen Arbeitsbereitschaft hat. Was ist der psychologische Vertrag? Anders als der Arbeitsvertrag ist dieser kein Teil direkter Aushandlung noch wird er schriftlich fixiert oder ist er einklagbar. Der psychologische Vertrag ist eine gegenseitige Erwartungshaltung, die durch verschiedene Situationen und beteiligte Akteure geprägt werden kann. Von Seiten der Beschäftigten kann dies bereits durch die digitale Selbstpräsentation des zukünftigen Unternehmens im Internet geschehen, durch das Image oder das Leitbild. Andere Prägungen können durch das Bewerbungsgespräch oder den Onboarding Prozess einfließen. Natürlich sind darüber hinaus auch Mitarbeitergespräche und ähnliches hier relevant. Im Resultat entsteht eine Erwartungshaltung des oder der Beschäftigten gegenüber der Organisation, seien es monetäre Versprechungen, die Ausrichtung der Arbeitsstelle, Weiterbildungen oder andere Dinge. Wird dieser Erwartung nicht entsprochen, kann es zum Bruch des psychologischen Vertrags kommen: Die Folgen sind ein Vertrauensbruch, Enttäuschung und eine sinkende Arbeitsmoral. Gerade weil der psychologische Vertrag nicht kodifiziert ist, fällt es in den Aufgabenbereich der Führungskräfte, auf Signale seiner Nichteinhaltung seitens der Beschäftigten zu achten.

Befragung und Auswertung

Katharina Sachse und Ulrike Gaedke gingen den Fragen der Mitarbeiterbindung über eine Online-Befragung Anfang 2024 nach, die sie über Karrierenetzwerke und eine Hochschule für berufsbegleitendes Studium verbreiteten. Die Stichprobe umfasste 512 Individuen, die einen Fragenkatalog ausfüllen mussten, der wiederum die verschiedenen Facetten und Dimensionen der Studie abdeckte.

Im Ergebnis der Studie kann resümiert werden, dass zwischen den angesprochenen Variablen ein direkter, starker statistischer Zusammenhang festgestellt werden konnte, und die Faktoren demnach die Mitarbeiterbindung stärken können. Eine These der Studie war, dass die Einbettung das affektive Commitment stärkt, was wiederum zu einer höheren Mitarbeiterbindung führt. Auch wenn sich diese Annahme bestätigt fand, wurde gleichzeitig eine vom Commitment unabhängige Beziehung der Einbettung und der Mitarbeiterbindung festgestellt. Hier würde sich folglich eine Förderung lohnen.

Empfundene psychologische Vertragsbrüche verringern die Bindungswirkung der anderen Aspekte. Dabei sind die Vertragsbrüche keine Seltenheit: Ungefähr ein Viertel der befragten Personen konnte ein oder mehrere Beispiele nennen, wobei sich die meisten ungehaltenen Versprechen auf die Personalentwicklung und das Gehalt bezogen.

Mitarbeiter:innen binden

Im Resultat können Unternehmen, denen an der Mitarbeiterbindung aus guten Gründen gelegen sein sollte, nun auf Stellschrauben zurückgreifen. Neben klassischen Teambuildingmaßnahmen kann die Passung des Jobs beständig optimiert werden. Wichtig ist es bei diesen Maßnahmen, auf die individuellen Bedürfnisse der Beschäftigten zu achten und die Passung der privaten und der beruflichen Sphäre mitzudenken. Daneben sollten Unternehmen und speziell die Führungskräfte und die Verantwortlichen im Personalbereichs eine Sensibilität gegenüber dem psychologischen Vertrag ausbilden: Hierbei sind neben den expliziten Aussagen eben auch die impliziten Gehalte wichtig.

Der Artikel wird im April 2025 in der Zeitschrift Führung + Organisation (zfo) erscheinen. Die Studie konnten die beiden Wissenschaftlerinnen auch bei der 28. Fachtagung der Gesellschaft für angewandte Wirtschaftspsychologie (GWPs) in Hamm Anfang des Jahres vorstellen.

Seit dem Wintersemester 2024/25 hat Katharina Sachse die Professur für Wirtschaftspsychologie an der HSM inne. Sie promovierte an der TU Berlin zum Thema „Risikowahrnehmung und -verhalten privater Kapitalanleger“ und wirkte in verschiedenen Forschungsprojekten zur Kommunikation von Gesundheitsrisiken mit. Im Anschluss war sie als Arbeitspsychologin und Organisationsberaterin tätig. Zudem lehrte sie an verschiedenen Hochschulen, bevor sie 2016 eine Professur für Wirtschaftspsychologie an der FOM Hochschule in Berlin antrat. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit Themen wie Commitment, Führung und Gesundheit in der modernen Arbeitswelt.