Auto/Motor

U-Bahnen ohne Fahrer sausen durch den Nürnberger Untergrund und in Kronach
fahren autonome Shuttle-Busse. Es sind die ersten Zeichen einer
Entwicklung, die unsere Mobilität für immer verändern wird. Der
Studiengang Autonomes Fahren der Hochschule Coburg und der Thinktank von
Valeo in Kronach-Neuses bringen das Thema weiter voran.

Neben dem großen Valeo-Industriegebäude befindet sich im oberfränkischen
Kronach-Neuses auch ein Gebäude mit einer eigenen Testhalle und -strecke
nur fürs Autonome Fahren. Über 100 Expertinnen und Experten arbeiten hier
bei einem Weltmarktführer für Sensorik an der nächsten Stufe der
revolutionären Technologie. Es wird programmiert, simuliert und getestet.
Ein Thinktank für Autonomes Fahren. „Zunächst gibt es nur das Fahrzeug,
ein paar Sensoren und Steuerungselemente“, sagt Toni Baric. „Erst durch
den Programmiercode entsteht etwas Intelligentes, das selbstständig
Entscheidungen treffen kann.“ Der Programmiercode ist wie im Märchen der
Feenstaub: Er haucht den Fahrzeugen autonomes Leben ein. Die Expert:innen
schauen ihren „Babys“ dann beim Fahrenlernen zu.

Seit 2020 gibt es den Master-Studiengang Autonomes Fahren der Hochschule
Coburg am Lucas-Cranach-Campus in Kronach. Toni Baric stammt aus Kroatien
und arbeitete zunächst für eine Job-Agentur in Thüringen, die Fachkräfte
aus seiner Heimat nach Deutschland bringt. Während der Pandemie beschloss
er, ein Studium mit Perspektive zu beginnen und sich ein neues Leben in
Deutschland aufbauen. Schon nach dem ersten Semester Autonomes Fahren
hatte er eine Festanstellung bei Valeo sicher.

Von Russland in den Frankenwald

„Autonomes Fahren ist zukunftsträchtig“, sagt auch Artem Lukin. Während
seines Bachelorstudiums in Russland entdeckte er sein Interesse am
Programmieren. Über Studieninformationsseiten fand er den Weg nach Kronach
und begann hier das Masterstudium. „Da ich nicht nur am PC sitzen möchte,
sondern auch tüfteln wollte, war Autonomes Fahren genau das Richtige für
mich.“ Aktuell sammelt er als Praktikant bei Valeo Praxiserfahrungen.

Die Funktionen beim Autonomen Fahren sind neuartig und sie sind komplex.
In der Regel arbeiten sie nicht auf Anhieb effektiv. Artem Lukin erklärt
dies so: „Aufwändige Projekte werden untereinander aufgeteilt und jeder
ist für seinen Part verantwortlich. Dann werden die Algorithmen ins
Gesamtsystem integriert. Ab da heißt es: viel testen, um Fehler zu
erkennen, die dann schrittweise korrigiert werden, bis es klappt.“ Das
anfängliche Scheitern sowie die stetige und schnelle Verbesserung sind
fester Bestandteil des Entwicklungsprozesses. Diese agile Arbeitsweise
lernen die Studierenden bereits im Rahmen ihres Studiums intensiv kennen.

Teamwork und Projektarbeit

Festgefahrene Stundenpläne und Vorlesungen gibt es nicht im Studiengang
Autonomes Fahren der Hochschule Coburg. Vielmehr arbeiten die Studierenden
an konkreten Projekten, entwickeln ihre eigene Produktlösung, testen diese
und entwerfen sogar Vermarktungskonzepte. Die Studierenden bilden ein
Projekt-Team und nehmen hierbei unterschiedliche Rollen ein. Durch dieses
neuartige Studienkonzept entsteht eine besondere Dynamik. Studierende
lernen nicht nur das Fachliche, sondern entwickeln auch ihre
zwischenmenschlichen Fähigkeiten – auch dank des aktiven Coachings durch
die Dozent:innen weiter.

Dieses Konzept war für Lea Städtler letztlich entscheidend dafür, in
Kronach zu studieren: „Nach meinem Bachelor-Abschluss in Leipzig war mir
klar, dass ich nicht weiter monoton auswendig lernen, sondern mein Wissen
direkt praktisch anwenden wollte. Hier studieren wir nicht, sondern wir
arbeiten an echten Projekten. Wie in der Praxis üblich, mit klaren
Aufgabenpaketen und Feedbackrunden, dank derer man sich fachlich und auch
persönlich weiterentwickelt.“ Das Studium ist arbeits- und zeitintensiv,
dafür hat man schon nach drei Semestern den Master und viele
praxisrelevante Erfahrungen in der Tasche.

Wie Nutzer:innen die Technologie erleben

In einem aktuellen Projekt beschäftigen sich die Studierenden mit der
Frage, wie automatisierte Bus-Shuttles durch Teleoperator:innen gesteuert
werden können. Zur Zeit müssen Operator:innen unter anderem aus
rechtlichen Gründen noch im Shuttle mitfahren. Teleoperator:innen können
von einem Leitstand aus mehrere Shuttles gleichzeitig steuern. In
kritischen und für das Fahrzeug unbekannten Situationen können sie
einschreiten und das Fahrzeug manuell steuern. Die Herausforderung ist,
die Übernahme des Fahrzeugs so einfach und kontrolliert wie möglich zu
gestalten. Wichtig sind nicht nur Technik und Kommunikation zwischen
Fahrzeug und Leitstand, sondern auch, dass für die Teleoperator:innen alle
Elemente im Bedienfeld systematisch und übersichtlich angeordnet sind,
dass die Sitzposition angenehm ist und der Mensch optisches und haptisches
Feedback bekommt: beispielsweise Vibration am Lenkrad, damit das
Fahrgefühl möglichst echt ist. Lea Städtler hatte sich gleich beim ersten
Projekt für die User Experience interessiert und darauf spezialisiert.
„Autonomes Fahren wird die gesamte Mobilität verändern, da spielt das
Erlebnis der Nutzer:innen eine ganz besondere Rolle, die ich aktiv
mitgestalten möchte.“ Sie schreibt ihre Masterarbeit zum Thema User
Experience von Leitständen.

Othmane Megzari hat seinen Abschluss bereits gemacht. Das Jobangebot zur
Festanstellung bei Valeo hatte er schon während des Studiums in der
Tasche. Er hat sich schon immer für Autos interessiert und wollte
unbedingt in diesem Bereich arbeiten. Da er dafür in seiner Heimat Marokko
keine Chance sah, kam er nach Deutschland. Manchmal vergisst er bei der
Arbeit die Zeit, weil ihm das Programmieren und das direkte Ausprobieren
am Fahrzeug so viel Spaß machen. „Zu Beginn sieht man die Fortschritte
noch nicht, doch dann, mit jedem Test werden sie erkennbar. Das motiviert
dann zusätzlich. Es macht einfach Spaß zu sehen, was man wieder geschafft
hat.“

Viele Möglichkeiten

Autonomes Fahren ist abwechslungsreich. Es betrifft nicht nur Autos, Lkw
und Shuttle-Busse, es gibt beispielsweise in der Intralogistik auch
autonom fahrende und arbeitende Gabelstapler, die Regallager selbstständig
befüllen. Die Zukunft bietet viele Möglichkeiten: Transportschiffe,
Liefer-Drohnen, alle Maschinen, die sich im Raum bewegen, können autonom
gestaltet werden. Zum einen kann damit dem Fachkräftemangel
entgegengetreten werden. Zum anderen können Mitarbeitende sich somit auf
wichtigere Aufgaben konzentrieren, die Expertise, Kreativität oder
Sozialkompetenz benötigen. Die revolutionäre Technologie fasziniert, wird
teils aber auch skeptisch beäugt.

Valentin Schäffer ist das gut bekannt. Er kam aus München zum Studium nach
Kronach: „Meine Freundin stand dem autonomen Fahren zunächst skeptisch
gegenüber.“ Er schätzt den familiären Flair in Kronach, außerdem reizt ihn
das Neuartige seines Masterstudiengangs: „In anderen Bereichen wie
Fahrzeugtechnik oder Maschinenbau geht es häufig darum: „Wie machen wir
das besser, effizienter?" Beim Autonomen Fahren geht es im Gegensatz dazu
darum, etwas ganz Neues zu entwickeln.“ Er berichtet vom Shuttle, das  in
Kronach 18km/h fährt. „Es haut alle paar Meter eine kräftige Bremse rein.
Wenn man da drin sitzt, erlebt man: Es fährt gar nicht so langsam, wie man
von außen denkt. Man erlebt was Neues.“ Aktuell arbeitet er neben seinem
Studium als Werkstudent bei Valeo. Und am Valeo-Family-Day ist seine
Freundin zum ersten Mal mit dem Shuttle gefahren. „Danach hat sie
andauernd von diesem Erlebnis geschwärmt.“

Autos sind bis unters Dach vollgepackt mit Technik. Immer neue Funktionen
machen das Fahren angenehmer oder sicherer. Dies alles auf kleinstem Raum
zu verkabeln, ist ein hartes Stück Handarbeit. Professor Stefan Diebels
erforscht mit seinem Team an der Universität des Saarlandes, welche Kräfte
auf Kabel wirken, wenn sie zugleich gebogen und verdreht werden. Mit dem
Fraunhofer ITWM und der Firma fleXstructures arbeitet er an Simulationen,
mit denen die Autoindustrie den Einbau vorausschauend planen und die Kabel
leichter und besser im Wagen unterbringen kann. Das Transferprojekt wird
gefördert von der Fraunhofer-Gesellschaft und der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG).

In Oldtimern ist noch alles überschaubar: Von Batterie oder Lichtmaschine
führen Kabel zu Motor, Lichtern, Radio oder Scheibenwischern. Heute
dagegen stecken Tausende von Einzelkabeln in dicken Kabelbäumen, die sich
im Fahrzeug verästeln wie ein Wurzelwerk. Sie versorgen und verknüpfen
unzählige Sensoren und Minicomputer, die untereinander kommunizieren und
alles Mögliche steuern: vom Tempomat, Spur- oder Bremsassistenten bis hin
zum Fensterheber – etwa damit Scheiben beim Verriegeln der Türen
automatisch hochfahren. „Je mehr Komfort, Sicherheit und Multimedia Einzug
halten und je autonomer das Fahrzeug agieren soll, desto mehr Kilometer
verschiedenster Kabel müssen im Auto untergebracht werden“, erklärt der
Ingenieurwissenschaftler Professor Stefan Diebels von der Universität des
Saarlandes.

Das Verlegen der Kabel geht nur von Hand; die flexiblen und mitunter
laschen Leitungen sind für Roboterhände unberechenbar und nicht zu
händeln: Kabeleinbau ist nach wie vor eine komplexe und aufwändige
Geduldsarbeit für Autobauer. Schließlich muss das gesamte Nervenkostüm des
Autos in Karosserie und Innenverkleidung verschwinden, ohne dass sich
Kabel verheddern. Oft wird es dabei eng. Vor allem darf kein Kabel zu sehr
verbogen oder verdreht werden, sonst funktioniert bald weder Strom- noch
Datenfluss. Nicht selten stellen sich Engstellen erst im Prototyp heraus,
und es muss umgeplant werden. Auch können Kabel infolge des komplizierten
Einbaus Schaden nehmen und zu Sicherheitsrisiken oder teuren
Rückrufaktionen führen.

Neuartige Simulationen sollen jetzt den Kabeleinbau erleichtern und
sicherer machen. Hieran forschen Professor Stefan Diebels und sein Team am
Saarbrücker Lehrstuhl für Angewandte Mechanik gemeinsam mit der Abteilung
„Mathematik für die digitale Fabrik“ unter Leitung von Dr.-Ing. Joachim
Linn am Kaiserslauterer Fraunhofer-Institut für Techno- und
Wirtschaftsmathematik sowie dem Fraunhofer-Spin-off fleXstructures als
Praxis-Partner.

„Unser Ziel ist es, dass die Entwicklungsabteilungen der Autoindustrie den
Einbau der Kabel schon in der Designphase durchspielen können“, erklärt
Stefan Diebels. Auf diese Weise sollen sie am virtuellen Reißbrett zum
einen früh Schwachstellen wie Engstellen beim Verlegen erkennen, wo Kabel
etwa Gefahr laufen, durch Knicken oder Biegen Schaden zu nehmen. Zum
anderen wird so planbar, wo welche Kabel für den späteren Betrieb am
besten durchgeführt und befestigt werden, so dass Schäden und früher
Verschleiß durch Scheuern oder scharfe Kanten verhindert werden können.

Um solche Simulationen entwickeln zu können, sind zunächst genaueste
Kenntnisse nötig, wie sich verschiedene Kabeltypen verhalten, wenn sie –
wie beim Einbau ins Auto – belastet werden. Dies ist der Forschungspart
des Teams der Universität des Saarlandes: Professor Diebels und seine
Arbeitsgruppe, darunter auch Doktorandinnen und Doktoranden im Rahmen
ihrer Doktorarbeit, führen umfangreiche experimentelle Untersuchungen an
unterschiedlichen Kabelproben durch und bestimmen mechanische Parameter
der Kabelsysteme – will heißen: An mehreren, eigens hierfür
weiterentwickelten Versuchsständen biegen, belasten und verdrehen sie
verschiedene Kabelarten und sammeln dabei Daten, welche Kräfte wirken und
was genau mit den Kabeln passiert.

Was sich einfach anhört, ist hoch komplex. Wird das Kabel frei verformt,
kommen verschiedenste Effekte auf, die sich durch die Kopplung von
Biegeverhalten bei gleichzeitiger Drehung, also Torsion, ergeben. „Solche
Kombinationen aus Biegen und Drehen kommen in der Praxis beim Verlegen der
Kabel typischerweise vor. Wir untersuchen gezielt diese Wechselwirkungen
bei Überlagerung von Biegen und Torsion unterschiedlicher Kabeltypen und
modellieren die mechanischen Belastungen“, erläutert Stefan Diebels.
„Hierzu haben wir spezielle Versuchsstände entwickelt, in denen die
unterschiedlichen Lastfälle einzeln und in Kombination aufgebracht werden
können“, sagt Dr. Prateek Sharma, der in Diebels Team forscht. „Wegen der
großen Vielfalt an unterschiedlichen Kabeln benötigen wir für die
Modellierung eine große Basis an experimentellen Daten. Da die
Zusammenhänge sehr komplex sind, ist eine Auswertung der Daten mittels KI-
Methoden erforderlich“, erläutert Doktorandin Carole Tsegouog, die im
Rahmen ihrer Doktorarbeit am Projekt arbeitet.

Auf derartige Belastungsforschung ist die Saarbrücker Arbeitsgruppe
spezialisiert. In anderen Forschungsprojekten untersuchen sie
beispielsweise die Belastung in Unterschenkelknochen beim Gehen, was
Grundlage für neuartige Behandlung von Knochenbrüchen durch „intelligente“
Implantate ist.

Die so in Saarbrücken gewonnenen Daten nutzen die Kaiserslauterer
Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-ITWM für die
Materialmodellierung. Sie setzen die Daten mithilfe maschineller
Lernmethoden in Simulationen um.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Fraunhofer-Gesellschaft
fördern das trilaterale Projekt „ProP4CableSim - Property Predictor für
die Simulation von Kabelsystemen“, das Forschung, anwendungsorientierte
Wissenschaft und Industriepraxis verbindet, als Transfer von Erkenntnissen
aus DFG-geförderten Vorhaben in die Wirtschaft mit einem Gesamtvolumen von
850 000 Euro für drei Jahre. 263.000 Euro davon fließen an die Saarbrücker
Arbeitsgruppe.

Die Projektleitung liegt bei Professor Stefan Diebels, Universität des
Saarlandes, und Dr.-Ing. Joachim Linn vom Fraunhofer-Institut für Techno-
und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern, wo in der von ihm
geleiteten Abteilung "Mathematik für die Digitale Fabrik" die
Forschungsgruppe von Dr. Vanessa Dörlich beteiligt ist. Anwendungspartner
ist die Fraunhofer-Ausgründung fleXstructures GmbH (Projektgruppe von Dr.
Meike Schaub), die eng mit der Automobilindustrie zusammenarbeitet und die
Materialproben liefert, die sämtliche Varianten an Kabeln und Schläuchen
abdecken.

Mobil bleiben und produzieren, ohne die Umwelt zu überfordern, das ist der
Anspruch des InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) des Karlsruher
Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Stuttgart. Fast 300
Forschende arbeiten in mehr als 60 Projekten und 40 Instituten an
Elektromotoren ohne Seltene Erden, neuen Fertigungstechnologien und
selbstlernenden Software-Systemen für Fahrzeuge. Der ICM ist eine der
größten Initiativen zur zukünftigen Mobilität und Produktion in
Deutschland. Erste am ICM erarbeitete Lösungen zeigen, dass sich
wirtschaftlicher Erfolg und ökologische Verantwortung nicht ausschließen,
sondern sogar ergänzen können.

„Baden-Württemberg gestaltet die Transformation zu einer nachhaltigen und
ressourcenschonenden Mobilität mit: Durch die Verbindung der beiden
forschungsstarken Universitäten KIT und Universität Stuttgart im
InnovationsCampus Mobilität der Zukunft schaffen wir ein attraktives
Forschungsumfeld. Kluge Köpfe aus der Wissenschaft kommen hier zusammen,
um durch exzellente interdisziplinäre Forschung die Grundlagen für die
Mobilitäts- und Produktionstechnologien von morgen zu liefern“, sagt die
baden-württembergische Wissenschaftsministerin Petra Olschowski. „Der
InnovationsCampus Mobilität der Zukunft ist ein Forschungsleuchtturm –
hier werden Bausteine für eine klimaneutrale Zukunft entwickelt.“

Den bisherigen Weg, gemeinsame Erfolge und die Zukunft des ICM stellten
Professor Thomas Hirth, Vizepräsident für Transfer und Internationales des
KIT, und Professor Peter Middendorf, Prorektor für Wissens- und
Technologietransfer an der Universität Stuttgart, bei der Veranstaltung
vor.

Materialsparende und verschleißarme E-Motoren

„Wir können eine nachhaltige und lebenswerte Welt nicht ohne Technologie
gestalten. Dafür das Fundament zu legen, ist Aufgabe der Forschung. Dies
ist auch der Kern der Mission des ICM“, so Professor Albert Albers,
Sprecher der Institutsleitung am IPEK – Institut für Produktentwicklung
des KIT. Prototypen von neuartigen Elektromotoren gibt es bereits:
„Reluktanzmotoren kommen ohne Permanentmagneten und Seltene Erden aus,
sodass sie sehr nachhaltig und ressourcenschonend sind“, sagt Professorin
Nejila Parspour, Direktorin des Instituts für Elektrische Energiewandlung
der Universität Stuttgart. „Heute wird diese Maschine wegen ihrer
geringeren Leistungsstärke aber noch nicht in Fahrzeugen eingesetzt. Der
ICM entwickelt deshalb Möglichkeiten, die Drehzahl der Motoren zu
steigern.“ Ein weiteres Forschungsfeld: elektrisch erregte Motoren. Im
Gegensatz zu permanenterregten Motoren mit Seltenen Erden, die in nahezu
jedem Fahrzeug eingesetzt werden, versprechen diese Motoren höhere
Wirkungsgrade bei mittleren bis hohen Drehzahlen, was mehr Reichweite für
batteriebetriebene Fahrzeuge bedeutet. Derzeit sind diese Maschinen noch
verschleißanfällig, die Energieübertragung auf die Rotorwelle erfolgt über
Schleifringe, die sich stark abnutzen. Am ICM arbeiten Forschende an einer
verschleißfreien induktiven Energieübertragung, die diesen Motortyp
serientauglich für die breite Masse der Fahrzeuge auf dem Markt machen
kann.

Selbstlernende Fahrzeugflotten

Die elektrischen und elektronischen Systeme in Fahrzeugen werden immer
komplexer, konstatiert Professor Eric Sax vom Institut für Technik der
Informationsverarbeitung des KIT. „Für eine effiziente und sichere
Mobilität müssen alle Informationen und Komponenten optimal
zusammenspielen. Dafür ist die entsprechende Informationstechnik der
Schlüssel: nämlich Software, die sich im Fahrbetrieb selbst optimiert und
erworbenes Wissen dann über eine Luftschnittstelle anderen Fahrzeugflotten
zur Verfügung stellt.“ Prototypen laufen derzeit mit lernenden Busflotten,
erste Serien könnte es 2025 geben.

Produktion muss sich ändernden Ansprüchen laufend anpassen können

Wenn sich die Ansprüche an Produkte wandeln, muss sich die Produktion
verändern: „Kaum eine Branche steht vor so weitreichenden Veränderungen
wie das Mobilitätssegment“, sagt Junior-Professor Andreas Wortmann vom
Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und
Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart. Deshalb müssen Anlagen,
Maschinen und Prozesse der Fahrzeug- und Zulieferindustrie wandelbar sein,
Software sollte sich automatisch anpassen. Obendrein bietet der
Produktionsprozess an sich großes Potenzial zur Reduktion von Emissionen.
„Gebraucht werden also flexible und universell einsetzbare
Fertigungssysteme sowie schnelle und automatische Softwareanpassungen“,
sagt Professorin Gisela Lanza vom wbk Institut für Produktionstechnik am
KIT. Das Ziel: die Universalmaschine. „Wir arbeiten daran, alle
laserbasierten Fertigungsverfahren zu integrieren“, sagt Professor Thomas
Graf, Direktor am Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart.
3D-Druck, Schweißen, Schneiden, Bohren, Beschichten und Härten auf einer
einzigen Anlage – sozusagen als „Schweizer Taschenmesser“ der Fertigung –
ermögliche eine ortsunabhängige, hocheffiziente Produktion ohne
Lagerhaltung und Logistikketten.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und
vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den
globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie,
Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in
Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften
zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein
forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle
Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die
Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und
Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und
Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der
deutschen Exzellenzuniversitäten.