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Leistungsfähige Radarsensoren dank präzise gefertigter Hohlleiterantennen
Assistenzsysteme machen das Autofahren angenehmer und sicherer. Die sie unterstützenden Radarsensoren überwachen die Fahrzeugumgebung mithilfe von Hohlleiterantennen. Freudenberg Sealing Technologies stellt derzeit in zwei Großprojekten seine Expertise in der Entwicklung und Fertigung dieser Antennen unter Beweis.
Assistenzsysteme erobern längst den Straßenverkehr. Schließlich erleichtern sie mit Einparkhilfen sowie Notbrems- und Spurwechselassistenten das sichere Steuern von Fahrzeugen. Die Systeme basieren unter anderem auf Radarsensoren, die die Fahrzeugumgebung überwachen. Auf diese Weise entgeht den Fahrenden kein Hindernis und kein anderes Fahrzeug. Die Assistenzsysteme sind somit ein wichtiger Aspekt des automatisierten Fahrens.
Wir haben ein profundes Verständnis von den eingesetzten Materialien und den Herstellungsprozessen. Das heißt, wir verstehen die kritischen Bereiche einer Antenne und wissen genau, wo sich mit Toleranzen spielen lässt. Dabei begeben wir uns bis an die Grenzen des Machbaren.
Marc Knapp, Director Incubator WGA bei Freudenberg Sealing Technologies
Die Impulsgeber dieser globalen Entwicklung sind vielfältig. In den USA haben insbesondere Versicherungsgesellschaften ein Interesse daran, die Unfallzahlen durch Assistenzsysteme zu reduzieren. In Japan sollen sie der alternden Gesellschaft das Fahren erleichtern. Die übergeordnete Vision der Automobilindustrie bleibt das vollständig autonome Fahren. Der Fahrende müsste dann keine Hand mehr ans Lenkrad legen. Ein derart autonomes Fahren hätte auch in Europa Vorteile, wo junge Erwachsene nicht mehr wie selbstverständlich den Führerschein machen. Selbstfahrende Fahrzeuge würden helfen, die individuelle Mobilität aufrechtzuerhalten.
Zahlreiche Innovationen für die Automobilbranche
Doch bevor es so weit ist, stellt das (teil)automatisierte Fahren einen wichtigen Zwischenschritt dar. Der Fahrende lässt sich dabei aber von diversen Assistenzsystemen unterstützen. Viele von ihnen sind inzwischen in zahlreichen Ländern für Neufahrzeuge gesetzlich vorgegeben. Radarsensoren sind oftmals das Kernstück dieser Systeme. Sie überwachen permanent die Umgebung des Fahrzeugs und warnen den Fahrenden vor Gefahren, unterstützen ihn aber auch, indem sie Bremsvorgänge einleiten oder Lenkvorgänge korrigieren. Freudenberg Sealing Technologies betätigt sich seit einigen Jahren in diesem Zukunftsmarkt. Und zwar indem das Unternehmen die für die Radarsensoren essenziellen Waveguide Antennas entwickelt, die auch Hohlleiterantennen genannt werden. Damit erweitert der Spezialist für anspruchsvolle Dichtungstechnologie sein Spektrum für die Automobilbranche. Schließlich hat Freudenberg Sealing Technologies in den letzten Jahren mit DIAvent ein begehrtes Druckausgleichselement für die sensiblen Akkus von E-Fahrzeugen entwickelt und mit eCON eine vliesbasierte Lösung, die hilft, Lagerschäden bei leistungsstarken Elektromotoren zu vermeiden.
Um marktreife Hohlleiterantennen zu konzipieren und zu fertigen hat Freudenberg vor einigen Jahren ein Inkubator-Team gebildet. Die Gruppe besteht aus Mitarbeitenden mehrerer Bereiche von Freudenberg Sealing Technologies sowie aus Angestellten von Freudenberg Technology Innovation und dem Unternehmen SurTec von Freudenberg Chemical Specialties. „Mit der Antenne fokussieren wir unsere Anstrengungen auf das passive Bauteil des Sensors. Wir behalten die Entwicklungstrends im Bereich der Hardware und des Gesamtsensors sowie dessen Integration aber genau im Auge“, stellt Marc Knapp klar, der das Inkubator-Team Waveguide Antenna leitet. „Die Aufgabe der Hohlleiterantenne ist es, die elektromagnetische Strahlung möglichst verlustarm auszusenden und zu empfangen, sofern sie von einem Hindernis oder einem anderen Fahrzeug reflektiert wird.“
Mitarbeit am Aufbau eines Sensorik-Referenzsystems
Seit 2023 engagiert sich das Inkubator-Team im öffentlich geförderten Forschungsprojekt RepliCar. In ihm arbeiten renommierte Partner aus Forschung und Industrie zusammen. Das Projekt will ein Referenzsystem mit integrierter hochauflösender Sensorik für das automatisierte Fahren aufbauen. Ein solch einheitliches, international anerkanntes Referenzsystem fehlt bislang. RepliCar verfolgt das Ziel eine genaue, leistungsfähige Sensorik zu entwickeln, die der Maßstab für die nächsten zehn Jahre sein wird. Zur Projektaufgabe gehört auch die Integration des Referenzsystems in einen Versuchsträger, wie Knapp berichtet: „An uns ist es, gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Hochschule Offenburg einen geeigneten modularen Design-Ansatz für die Hohlleiterantenne zu entwickeln. Das Design soll den Aufbau hochauflösender Antennen aus kleineren Antennenmodulen ermöglichen, die per Spritzguss hergestellt werden.“ Das wäre eine Grundbedingung, um leistungsfähige Radarantennen in Großserientechnologie herzustellen. Das noch laufende Projekt hat es Knapp und seinem Team jedenfalls schon ermöglicht, weiteres Know-how und Schlüsselkompetenzen aufzubauen. Daneben ebnete RepliCar den Kontakt zu wichtigen Kunden, Lieferanten und der Forschung.
Zwei Großprojekte mit unterschiedlichen Anforderungen gewonnen
Die Expertise des Inkubator-Teams hat am Markt bereits derart überzeugt, dass es 2024 mehrere Aufträge entgegennehmen durfte, darunter zwei bedeutende Großkundenprojekte. Im ersten hat ein Markt- und Technologieführer Freudenberg Sealing Technologies beauftragt, Muster einer Waveguide Antenna nach dessen Designvorgabe zu fertigen. Diese Muster sind ein entscheidender Zwischenschritt auf dem Weg zur Serienproduktion und werden bereits in der Zieltechnologie für die spätere Serie hergestellt. Der Sensorhersteller will die Antennen nutzen, um Sensoren damit zu bestücken, die für die Fahrzeugerprobung und Softwareprogrammierung genutzt werden. Ein wichtiger Faktor beim Zuschlag war unter anderem, dass Freudenberg Sealing Technologies selbst über ausgeprägte Test- und Analysefähigkeiten verfügt. So kann das Inkubator-Team umfassende Umwelterprobungen sowie unabhängige Hochfrequenz-Messungen durchführen und die Ergebnisse entsprechend validieren.
Filigran und effizient: Die Waveguide Antenna ist eine zentrale Komponente eines Radarsensors. Die Positionierung der Antenne zur Elektronikplatine (PCB) und dem Radom, sowie die Montage im Gehäuse sind wichtige Aspekte bei der Integration der Antenne in den Zusammenbau. Die filigranen, hochleitfähigen Kanalstrukturen der Waveguide Antenna garantieren das verlustarme Aussenden und Empfangen elektromagnetischer Signale.
Beim zweiten Projekt sind die umfassenden Kenntnisse der Expertinnen und Experten von Freudenberg Sealing Technologies gefragt. Das Inkubator-Team soll für das innovative Sensorsystem eines Großkunden zwei Seriendesigns für Imaging-Radarantennen vollumfänglich entwickeln und erproben. Der Kunde gibt lediglich die wellenleitende Struktur der Waveguide Antenna, das sogenannte Routing sowie die Geometrie der Feeds und Strahler vor. Das Produktdesign entwickelt Freudenberg Sealing Technologies und unterstützt den Kunden bei der Sensorintegration. „Wir haben ein profundes Verständnis von den eingesetzten Materialien und den Herstellungsprozessen. Das heißt, wir verstehen die kritischen Bereiche einer Antenne und wissen genau, wo sich mit Toleranzen spielen lässt. Dabei begeben wir uns bis an die Grenzen des Machbaren“, betont Knapp.
Expertise im Designprozess und bei der Beschichtung der Antennenkanäle
Einer der wesentlichen Vorteile der Waveguide Antenna ist, dass die Antenne gegenüber früheren Antennentechnologien freier gestaltet werden kann, da sie von der Elektronikplatine des Sensors entkoppelt wird. Das macht sie zu einem eigenständigen Bauteil. Zuvor war es lange Zeit so, dass die Antenne in die Elektronikplatine der Radarsensoren integriert war. Der Umstieg auf die Hohlleiter- und Spritzgusstechnologie ermöglicht nun neben dem größeren Gestaltungsspielraum eine gleiche oder sogar bessere Performance bei drastisch reduzierten Kosten. Die Radarsensoren selbst werden an mehreren Stellen im Fahrzeug verbaut, um dessen Umfeld lückenlos überwachen zu können. Sie finden sich demnach bevorzugt in der Frontpartie hinter dem Kühlergrill, im Heck und an den Ecken der Fahrzeuge.
Doch für die Kunden reicht es bei weitem nicht aus, wenn das Inkubator-Team ein hochpräzises Spritzgussteil anfertigt. Um funktionsfähig zu sein, müssen diese auch elektrisch hochleitfähig sein. Schließlich gilt es elektromagnetische Signale auszusenden und zu empfangen. Um diese wellenleitende Fähigkeit zu erlangen, werden die filigranen Kanalstrukturen metallisiert. In dieser Hinsicht kann Freudenberg Sealing Technologies auf ein äußerst robustes Beschichtungsverfahren zurückgreifen, das Freudenberg Chemical Specialties entwickelt hat. Je nach Design und Antennentyp werden gegebenenfalls die einzelnen spritzgegossenen Komponenten nach erfolgter Metallisierung zu einem Antennenmodul verbunden, beispielsweise per Lötprozess.
Bei uns trifft Entwicklungskompetenz auf Beschichtungskompetenz. Mit beiden kriegen wir Probleme gelöst.
Marc Knapp, Director Incubator WGA bei Freudenberg Sealing Technologies
Gesamte Wertschöpfungskette in einer Hand
Das Inkubator-Team von Freudenberg ist in der Lage, die gesamte Wertschöpfungskette rund um die Herstellung der Waveguide Antennas zu erbringen. „Unsere Kompetenz ermöglicht es uns heute die Weiterentwicklung der Waveguide Antennen für die Anforderungen der Automobilbranche maßgeblich voranzutreiben“, ist Knapp überzeugt. „Das zeigt sich im gestiegenen Interesse, das uns aus der Industrie entgegenschlägt. Nicht zuletzt, da wir sehr präzise und robuste Antennen mit einem kosteneffizienten Fertigungsprozess kombinieren. Bei uns trifft Entwicklungskompetenz auf Beschichtungskompetenz. Mit beiden kriegen wir Probleme gelöst.“ Hinzu kommen die Test- und Analysefähigkeiten, auf die das Inkubator-Team zurückgreifen kann. So werden in den Laboren und in der Schadensanalytik Ressourcen vorgehalten, die dem Team zur Verfügung stehen. Das garantiert eine sehr gute Reaktionsfähigkeit.
„Design to Manufacture“ per Spritzgussverfahren
Beim Material für die Hohlleiterantenne setzt Freudenberg Sealing Technologies im Übrigen auf robuste thermoplastische Kunststoffe, die sich durch eine sehr geringe Wärmeausdehnung auszeichnen. Diese Qualität ist wichtig, damit die Geometrien der filigranen Kanalstrukturen selbst bei großen Temperaturschwankungen erhalten bleiben. Die Werkzeuge für die Herstellung der Antennen sind speziell dafür ausgelegt und ungemein genau. Wenn es darum geht, was Freudenberg Sealing Technologies schlussendlich den zügigen Markteintritt in die Antennentechnologie ermöglicht hat, verweist Ralf Schmid, Senior Vice President Division Special Sealing auf die ureigenen Stärken des Unternehmens: „Wir punkten seit jeher mit unserer Fertigung, Materialentwicklung und Prüfung. Dank diesen Kompetenzen können wir im Bereich der Sensorik mit der Hohlleiterantenne eine sehr wichtige, integrale Komponente liefern.“
Entscheidend ist dabei der „Design to Manufacture“-Ansatz, der sich in ersten Kundenkooperationen bewährt. Letzten Endes ist das kostensenkende Spritzgussverfahren die Basis für die Produktion der filigranen Hohlleiterantennen im Großserienmaßstab mit einer sehr geringen Ausschussquote. Dazu kommt der anwendungsspezifisch entwickelte Beschichtungsprozess, der nicht nur robuste und hochleitfähige Antennen entstehen lässt, sondern im Vergleich zu gängigen Prozessen nochmals mehr Designfreiheit ermöglicht. Das sind genau die Herstellungsparameter wie sie von Sensorherstellern in den großen Absatzmärkten in Europa, den USA und Fernost nachgefragt werden. Denn sie sind ein wichtiger Schritt, um qualitativ hochwertige Waveguide Antennas zu einem wettbewerbsfähigen Preis anfertigen zu können.
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