Modul zur automatisierten Prüfung elektronischer Bauteile
Open Source Hardware (be)greifbar machen
Bereits zu Beginn des OSHOP-Projekts begann Valentin mit der Entwicklung eines Open-Source-Hardware-Demonstrators, um die Tauglichkeit von OSH für industrielle Projekte zu erproben. Der Demonstrator wurde für den Einsatz als Applikationsmodul für unsere Modellfabrik, das IIoT-Testbed, konzipiert. Die Modellfabrik beruht auf dem CP Factory System von Festo Didactic, welches auch die Basis unseres Demonstrators bildet.
Der Demonstrator erweitert die IIoT-Modellfabrik der HTW-Dresden und bildet damit das erste Modul, welches Open Source Komponenten und Methodiken mit herkömmlichen Praktiken vereint. Mit der Entwicklung unseres OSH-Demonstrators "Change-E" wurde das Ziel verfolgt eine Maschine zur automatisierten Durchgangsprüfung von elektronischen Schaltungen unter Verwendung verfügbarer OSH-Designs zu realisieren.
Ziele
Hauptziel des Vorhabens war allerdings nicht in erster Linie die Realisierung der Funktion sondern die Anwendung und Erprobung von Open Source Werkzeugen und Prinzipien zur Entwicklung von Hardware. Hieraus ergaben sich folgende Forschungsschwerpunkte:
- Analyse der Auffindbarkeit von OSH-Komponenten
- Erprobung der Kombinierbarkeit von OSH und proprietären Komponenten
- Test des Zusammenspiels von Open Source Software (Versionsverwaltung, Dokumentation) mit proprietären System (SPS, CAD)
- identifizieren von rechtlichen Anforderungen (Lizenzierung, Kompatibilität)
- Entwickeln von Konventionen (Namenskonvention, Projektstruktur)
- Dokumentation weiterer Aspekte, wie Identifikation und Akzeptanz dieser Ziele unter den Entwickelnden
Methodik
Die Entwicklung des Demonstrators begann mit verhältnismäßig wenig Detailwissen über "Open Source". Insbesondere in der Anfangsphase entsprach der Prozess einem chaotisch explorativen Vorgehen, welcher zu etlichen Frage- und Problemstellungen führte und eine Reihe von Grenzfällen provozierte.
Es wurde bewusst weniger Wert auf eine initiale Anforderungsanalyse gelegt, da anfänglich nur wenig Details zu Open Source Spezifika bekannt waren und zum anderen gegenseitige Abhängigkeiten zwischen den benannten Zielen bestanden, z.B. hing das Ziel eine technische Funktion im Kontext des Einsatzes in der Modellfabrik zu realisieren vom Ziel der Verwendung geeigneter OSH-Designs ab.
Das Auffinden geeigneter OSH-Designs erwies sich als äußerst schwierig und zeitintensiv. Wir erprobten und verglichen verschiedene Strategien, welche sich unterschiedlich erfolgreich erwiesen (siehe Erkenntnisse), wie:
- OSH-Suchmaschine
- Katalogsuche
- 3D/CAD-Sharing-Plattformen
- Freie Suche
- Softwareentwicklungsplattformen
Durch die Verwendung von Norm- und Standardteilen sowie der intensiven Nutzung des 3D-Filamentdrucks wurden einzelne Phasen in kurzen Zyklen mehrfach iterativ durchlaufen. Die Dokumentation erfolgte parallel. Die Fortschritte wurden mittels eines Open Source Versionsverwaltungssystems (Git) überwacht.
Weiterhin zum Einsatz kamen folgende Software-Werkzeuge:
- CAD: Siemens NX
- SPS: Siemens TIA Portal/STEP 7/WinCC
- Elektronik-Dokumentation: QElectroTech
- Versionsverwaltung: Git (Open Source)
- Programmierung, Dokumentation (Allgemein), Git-GUI: VSCodium (Open Source) + Markdown + GitGraph (VSCodium-Erweiterung)
Begleitet wurde die Entwicklung von gezielten Recherchen um die aufgeworfenen Fragen systematisch zu beantworten. Maßgebliches Kriterium für die Auswahl der OSH-Designs war neben den funktionalen technischen Eigenschaften eine gültige freie Lizenz.
Die Ergebnisse der Recherchen wurden separat in einem OSH-Guide zusammengeführt und direkt während der Entwicklung angewendet und evaluiert.
Design
Entwurfsphase
Um das Modul flexibel auf verschiedene elektronische Bauteile anpassen zu können wurde ein Werkzeugwechselsystem konzipiert. Im Werkzeugwechselsystem kommen verschiedene Open Source Hardware Konzepte zum Einsatz. Für die Kopplung der verschiedenen Werkzeuge wird ein OSH-Design, welches unter einer GNU Public License Version 3 bereitgestellt wird, adaptiert. Dieses wurde ursprünglich für den Wechsel von Druckköpfen für 3D-Drucker konzipiert. Für den industriellen Einsatz im Demonstrator wurden hier Anpassungen vorgenommen. Die Bewegung des Werkzeugs zum Bauteil wird über eine Linearführung vorgenommen. Diese Komponente wurde über den OpenBuilds-Shop bezogen, welcher die Designs seiner Komponenten unter CC BY-SA 4.0 Lizenz frei zur Verfügung stellt.
Weitere OSH-Designs kommen ohne Veränderung zum Einsatz, wie die Schaltungen der Elektronikprüfer.
Version 1
Der Steppermotor und der Kufelgewindetrieb wurden gegen einen Pneumatikkolben ersetzt.
Der Demonstrator wurde zur INTEC-Messe 2025 präsentiert. Im Dauerbetrieb zeigten sich eine Reihe konstruktiver Schwächen, wie:
- zu geringe Steifigkeit des Werkzeugwechslers
- keine sichere Eingriffsmöglichkeit zum manuellen Einsetzen und Wechseln des Werkzeugs
Nachfolgend ist Version 1 des Demonstrators als CAD-Modell als auch realisiert dargestellt.
Version 2
Während des Messeauftritts wurden wir von zwei angehenden Technikern angesprochen ob wir sie zur Anfertigung ihrer Abschlussarbeit betreuen würden. Dies war für uns ein willkommener Anlass das Design des Demonstrators zu überarbeiten.
Das bisherige Konzept sah keine manuelle Möglichkeit vor das Werkzeug einzusetzen und zu wechseln. Dies führte bei Störungen dazu, dass die Maschine ausgeschaltet und das Gehäuse des Moduls mittels Werkzeug geöffnet werden musste. Dieser Mangel hatte negative Auswirkungen auf Entwicklungsiterationen, da mit jeder Anpassung viel Montageaufwand verbunden war.
Die neue Version sah also zunächst eine Trennung zwischen Werkzeugwechsel und dem manuellen Eingreifen und Einsetzen eines Werkzeugs vor. Somit mussten wir den Werkzeugwechsler in Version 2 entfernen. Die Schnittstellen für die Werkzeuge blieben gleich. Es wurde eine überwachte Tür installiert, welche die Maschine in einen definierten Wartungsmodus versetzt wenn diese geöffnet wird.
Erkenntnisse
Allgemein
- Open-Source-Hardware (OSH) steckt im Vergleich zur Software noch in einem frühen Stadium mit zahlreichen praktischen und rechtlichen Hürden
- Das theoretische Potential von OSH kann bisher nur begrenzt ausgeschöpft werden
Auffindbarkeit
- Keine ausreichende Infrastruktur zur gezielten Suche nach OSH-Komponenten vorhanden
- Struktur der Projekte i.F.v. vollständigen Geräten und Maschinen erschwert die Auffindbarkeit wiederverwendbarer einzelner Teilkomponenten --> Verknüpfung von Ressourcen notwendig (bspw. jede Komponenten = ein Repository)
- Jede Suchstrategie (OSH-Suchmaschinen, Kataloge, Sharing-Plattformen, Web- und Git-Plattformen) hat spezifische Stärken und Schwächen
- Praktischer Weg führt meist über eine Kombination mehrerer Strategien → hoher Zeitaufwand
- Dezentraler Linked-Open-Data-Ansatz (OKH-LOSH-Metadaten-Standard) vielversprechend, aber mangels Werkzeuge und Verbreitung noch nicht praktikabel
Lizenzierung
- Paradoxe Situation: Verwendete Lizenzen (CERN-OHL-S-2.0, GPL-3.0, CC-BY-SA) sind formal inkompatibel zueinander
- Gleichzeitig ist zweifelhaft, ob Urheberrechtsschutz überhaupt greift – technische CAD-Modelle von Norm-/Standardteilen im STEP- oder STL-Format erreichen möglicherweise keine nötige Schöpfungshöhe
- Lizenzen sind überwiegend für Software oder kreative Werke konzipiert, nicht für Hardware-Designs, CERN-OHL-2.0 würde hier Abhilfe schaffen aber bisher wenig verbreitet
- Rechtssicherheit nur durch Gesetzgeber oder Rechtsprechung zu erreichen
Kombinierbarkeit
- Die Integration von proprietärer Modelle in OSH-Entwicklungen erfordert separate Repositorys: ein unvollständiges freies öffentliches und ein vollständiges internes Repository → hoher Synchronisationsaufwand
- um die Nachbaubarkeit zu sichern muss daher zusätzlicher Dokumentationsaufwand erfolgen (z.B. Anleitungen mit Bildern)
- die Integration freier Modelle in proprietäre Entwicklungen ist rechtlich eher unkritisch, da diese üblicherweise nicht veröffentlicht werden
Kollaboration
- lizenzbedingte Abhängigkeiten (Siemens NX/TIA-Portal) erschweren kollaborative Entwicklung
- Einsatz von Open-Source-Werkzeugen (Git, VSCodium) zur Versionsverwaltung erfordern intensive Einarbeitung
- Trennung proprietärer und freier Inhalte erhöht Fehleranfälligkeit und Administrationsaufwand
- Commit-Vergleiche zeitintensiv, da jeweils beide Stände ausgecheckt und in jeweiligen Systemen geöffnet werden müssen
- Etablierte Konventionen für Projektstruktur und Benennung verbesserten Handhabung spürbar
Modell-/Datenqualität
- auch 3D-Modelle des internen Repositorys sind unvollständig und weichen teilweise stark von der Realisierung ab, da Modellierungsaufwand teilweise sehr hoch ist
- nicht alle Schrauben, Sensoren, usw. sind im Modell integriert (nur in der Stückliste)
- flexible Komponenten, wie Kabel und Pneumatikschläuche wurden nicht modelliert
- fehlende Komponenten im Modell müssen daher manuell eingepflegt und dokumentiert werden (Stückliste, Montageanleitung, etc.)
- notwendige Anpassungen in der Montage wurden nicht in die digitalen Modelle übernommen
- Anpassungen im CAD-Modell müssen manuell in allen anderen Dateien angepasst werden und werden häufig vergessen
- proprietäre Systeme und Datenformate lassen eine Automatisierung nur eingeschränkt zu
Ausblick
Links
Insbesondere durch die Weiterentwicklung durch die Techniker wurde das Potenzial von OSH für die Produktentwicklung und Lehre bestätigt
Die Weiterentwicklung und Verbreitung von Open-Source-Werkzeugen, wie FreeCAD und KiCAD, sowie Metadaten-Standards, wie des OKH-LOSH und eine wachsende Community und Bekanntheit von OSH deuten auf eine positive Entwicklung hin.
Für einen stärkeren Einsatz in der Praxis sind jedoch noch weitere Maßnahmen erforderlich:
- bessere Such-/Kategorisierungsinfrastruktur
- ergonomische Metadaten-Werkzeuge
- rechtliche Klärung
- stärkere Modularisierung und Standardisierung von OSH-Komponenten
Unsere Ergebnisse wurden in einem frei verfügbaren OSH-Guide zusammenfasst sowie als wissenschaftliche Publikation veröffentlicht.
Öffentliche Repositorys