Autonomes Fahren Das Radar aus dem 3D-Drucker

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Eine Lüneburglinse erfasst ihr Umfeld mit 360°. Damit ist sie für autonome Fahrzeuge sehr gut geeignet. Doch ihre Herstellung ist aufwendig – und nur mit Additiver Fertigung wirtschaftlich umsetzbar.

Dieses spezielle Radar wird bereits in der Schiff- und Luftfahrt angewendet, zumeist im Militär. Denn die Herstellung der Lüneburglinse ist sehr teuer und komplex. Das US-amerikanische Unternehmen Lunewave hat herausgefunden, wie sie das Radar wirtschaftlich rentabel fertigen können. Dann wird es auch für Fahrzeuge interessant.

Autos haben bereits verschiedene Sensoren, Kameras und Lidar. Warum noch Radare? Ein Radar sendet elektromagnetische Wellen, die von Objekten reflektiert und vom Radar empfangen werden. Im Gegensatz zu einer Kamera beeinträchtigen schlechte Licht- und Sichtverhältnisse, Staub und Regen, Tag, Nacht oder direktes Sonnenlicht die Messungen des Radars nicht.

Fahrzeuge für autonomes Fahren auf Level 3 (bedingtes autonomes Fahren, bei dem der Fahrer noch eingreift) sind in Japan bereits auf der Straße. Sie nutzen überwiegend Radar. Zumeist ein Langstreckenradar an der Front und vier Kurzstreckenradargeräte. Letztere erfassen einen 360°-Bereich rund um das Auto. Mit den Standard-Radaren sind also fünf Geräte nötig, um ein Level-3-Fahrzeug auf die Straße zu schicken.

Lunewave benötigt nur vier – für vollständig automatisiertes Fahren (Level 5). Denn die kugelförmige Antenne dieses Radars ist so gestaltet, dass einfallenden Strahlen auf der gegenüberliegenden Seite in einem Punkt fokussiert werden. Das sichert eine sehr gute Empfangsqualität für alle Richtungen im Raum. Und es funktioniert auch in die andere Richtung: Ein fokussiertes Signal wird als breitere Welle ausgesandt. So erfasst die Lüneburglinse einen 360°-Radius – sofern man das Radar auf dem Autodach anbringt. Ansonsten werden bis 180° horizontal erreicht und derzeit noch bis 30° vertikal. Mit Blick auf die Zukunft, also auf Personenbefördernde Drohnen, arbeitet Lunewave an 180° vertikalem Radius.

Die Herausforderung: Eine abnehmende Dielektrizitätskonstante

Ein Radar besteht aus der Elektronik, der Software und der Antenne. Die Antenne der Lüneburglinse ist rund, etwa wie ein Tennisball. Für die Antenne muss die dielektrische Konstante (Permittivität) des Materials zwei sein, zum Rand hin aber kontinuierlich auf eins sinken. Stellt man sie mit traditionellen Methoden her, benötigt man zuerst einen Werkstoff, der eine Permittivität von zwei hat. Da die Antenne kugelförmig ist, beginnt man mit dem Aufbau in der Mitte. Mit demselben Material arbeitet man sich Schicht für Schicht zum Rand hin. Dabei muss die Permittivität aber abnehmen. Um dieses zu erreichen, fügt man immer dünner Schichten an.

So erhält die Antenne mindestens 10 Schichten, einigen der hochwertigen Produkte sogar 100 Schichten. Die Herstellung ist ein sehr langwieriger und schwieriger Prozess. Denn: Bei der kleinsten Ungenauigkeit in Schichtdicke oder dem Wert der Dielektrizität, ist das ganze Produkt unbrauchbar. Zudem muss jede Schicht sehr dünn sein. Je höher die Frequenz sein soll, desto dünner müssen die Schichten werden; damit die HF-Strahlen (hochfrequenten Felder) nicht absorbiert und somit gedämpft werden. „Das ist sehr schwierig“, weiß Hao Xin, CTO von Lunewave. „Deshalb konnten bisher nur Lüneburglinsen für sehr niedrige Frequenzen, unter 10 Gigahertz, gefertigt werden. Die kosten allerdings Tausende von Dollar.“

Ein Kfz-Radar benötigt 77 Gigahertz. Um das umzusetzen, sind die Materialschichten bei Lunewave 0,1 mm stark, also so dick wie ein Blatt Papier. „Es ist unmöglich, das mit konventionellen Verfahren herzustellen. Deshalb nutzen wir die Additive Fertigung“, so Xin.

Aber einfach nur sehr dünne Schichten zu drucken, macht noch keine Lüneburglinse. Lunewave unterteilen den CAD- Entwurf der Antenne in Tausende von kleinen Blöcken. Jeder dieser Blöcke erhält eine andere Geometrie. Die gesamte Struktur ist also sehr kompliziert. „Nur 3D-Druck kann die Linse fertigen“, ist Xin überzeugt.

Standard-Material und modifizierte Maschine

Gedruckt wird per Photopolymerisation, genauer: mit den Verfahren SLA (Stereolithografie) und Polymer Jetting. Die beiden Harzbasierten Verfahren stehen für glatte Oberflächen und feine Details. Als Material verwendet Lunewave das Standard-Acryl PMMA. „Wir probieren auch, die Antenne mit Keramik zu drucken; mit einem handelsüblichen Drucker und Technologie, die auf dem Marktverfügbar ist“, ergänzt Xin. „Aber 3D-Druck mit Keramik ist nicht so einfach und etwas langsamer.“

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Zwar nutzt Lunewave handelsüblich Drucker, diese sind aber strak modifiziert. „Die Auflösung und das Design für unsere Antenne ist kompliziert – vor allem bei hohen Frequenzen. Wir mussten unser eigenes Druckprotokoll entwickeln und auch die Nachbearbeitung entsprechend auslegen. Mit einem Standard-3D-Drucker würde das nicht funktionieren, weil die Auflösung und die Komplexität einfach zu groß sind. Das übersteigt sogar einige High-End-3D-Drucker“, so Xin. Der komplette Herstellungsprozess von Pre- bis Postprocessing bleibt ein großes Geschäftsgeheimnis.

Momentan können sie hundert Antennen pro Tag drucken. Mit einem auf die Bedürfnisse der Antenne ausgelegten Industrie-Drucker, nur einem einzigen Drucker, wären es 1.000 Linsen pro Tag. Das Schöne am 3D-Druck ist, dass der Prozess linear skalierbar ist. Das heißt, mit zehn Druckern, wären 10.000 Lüneburglinsen pro Tag herstellbar.

Auch interessant: So werden Radarsensoren im Labor trainiert.

Die Elektronik ist von der Stange

Das Geheimnis liegt also in der Antenne. Die Elektronik hingegen ist von der Stange. „Im Moment verwenden wir handelsübliche integrierte Siliziumschaltungen“, sagt Xin.

Eine Menge an Daten müssen ausgewertet werden – egal bei welcher Sensor-Variante. Das ist eine Herausforderung. Aber die Siliziumtechnologien werden in Rekordzeit weiterentwickelt. Mit den aktuellen Signalprozessorchips können bereits alle Daten verarbeitet werden. Aber je mehr künstliche Intelligenz eingesetzt wird, umso mehr Signale sind vom System zu verarbeiten.

Algorithmen erkennen Menschen

Auch in der Software verbirgt sich eine Besonderheit. Ein autonomes Fahrzeug fährt auf den Parkplatz eines Supermarktes. Rechts steht eine Frau und wartet, neben ihr ein Einkaufswagen. Plötzlich rennt ein Kind über die Fahrbahn. Das Auto kann nur nach rechts ausweichen, direkt in die Frau rein – oder eben in den Einkaufswagen. Ein Mensch kann beide unterscheiden, ein Standard-Sensor nicht. Der erkennt lediglich zwei Objekte. Und entscheidet sich für das, das für den eigenen Fahrkomfort das bessere ist – in diesem Fall die Frau.

Mit dem System von Lunewave soll das nicht passieren. Denn „unsere Algorithmen erkennen, ob dort eine Person steht, oder etwas nicht Lebendiges“, so Xin. Das funktioniert, weil Radarsignale, die von einer Person und von einem nicht-lebenden Objekt gesendet werden, einige feine Unterschiede zeigen. Zum Beispiel bewegt sich eine Person immer ein kleine wenig. Ein Radar „sieht“ sie atmen und sogar ihr Herz schlagen. Von einem speziellen Radar-Algorithmus können diese erkannt werden.

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