Paolo Lugli Dekan Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, TUMRettore eletto, Libera Universita di Bolzano

Industria 4.0: sfide e opportunita’per le industrie

Industrie 4.0: Chancen und Herausforderungen für Unternehmen

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outline

Paolo Lugli: attivita’ di ricerca attuali e future

Il programma Nazionale Industria 4.0

Il Centro di Competenza del Nord-Est

Le attivita’ di unibz

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Paolo Lugli: short CV

1979 – Laurea in Physics, University of Modena, Italy1981 - Master of Science in Electrical Engineering", Colorado State University, Fort Collins, CO, USA1985 - Ph. D. in Electrical Engineering", Colorado State University, Fort Collins, CO, USA

1984-1988 Research Associate („Ricercatore Universitario“), Dept. Physics, University of Modena, Italy1988-1991 Associate Professor for Solid State Physics at the University of Rome „Tor Vergata“1993-2002 Full Professor for Optoelectronics at the University of Rome „Tor Vergata“

Since Nov. 2002 C4 Universitätsprofessor, Lehrstuhl für Nanoelektronik, Technische Universität MünchenSince Oct. 2014 Dean of the Department of Electrical and Computer Engineering,Technische Universität München

2017 Rector of the Free University of Bolzano

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TUM. The Entrepreneurial University.Elite University = Top-Level Research + Excellent Teaching

International top-level research

Education focusing on concrete scientific topics

Strong link to industry

Science and technology for people

Cosmopolitan attitude and global cooperation

# 60 QS World University Ranking 2015 (16 in Europe)# 51 Academic Ranking of World Universities ARWU 2015 (11 in Europe)# 53 Times Higher Education-Ranking 2015/16 (15 in Europe)# 8 Global Employability University-Ranking 2016/17 (3 in Europe)

Large-Area Electronics

Functional Coatings

•Transparent Electrodes•Heaters

Opto-electronics

•Photodetectors•Photovoltaics

•LEDs

Circuit Components

• Interconnects•Antennas

•Transistors

Sensors

•Mechanical•Biomedical

•Thermal

Integrated Systems

•RFID tags•Lab-on-Chip•Wearables

And more…

Organic and Printed Electronics

5

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Why printing technologies?

• Low cost processing

• Large area application

• Flexible substrates

• Variety of materials

• Compatibility with

semiconductor technology

• Ecological and economic

advantages

Example of organic sheet-image scanner

Inkjet-Printed solar cellOLED Display OLED TV

Printing technologies at TUM_NANO

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Printing technologies (spray and spin coating, inkjet and screen printing) based on a variety of materials (conductive polymers, dielectrics, metal nanowires and nanoparticles, carbon nanotubes) are used for the realization of

Passive components: transparent electrodes, antennas, inductors and capacitors

Electronic components: sensors (gas, temperature, pressure, bio), thin film transistors, optical devices (OLEDs, solar cells, photodetectors)

Energy harvesting devices (piezo, tribo, thermoelectric)

By integrating printed components with printed antennas, wireless sensor network can be build at extremely low cost. Integration of spray coating and 3D printing currently underway.

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2008 2009 2012

90 €

1500 €

35000 €

Spray technology at TUM-NANO

460000 €

2016

together with Bernhard Wolfrum (IMETUM)

• Gas Sensor on Flex

CNT Networks on flex for gas sensing

9A. Abdelhalim et al. Fabrication of carbon nanotube thin films on flexible substrates by spray deposition and transferprinting CARBON 61, 72-79 (2013)

Multi Analyte Sensor Array

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Parallel detection of multiple species in sample.

Ion-sensor arrays: Soil and water analysis

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Fertilisation in agriculture/precision farming

Greenhousefertilisation/watering• nitrate

• phosphate• potassium

• calcium• magnesium

• chloride• pH

• water content• …

Watering/fertilisationof houseplants

Water quality

www.proterra-agrar.de

www.huhes.de

www.gartendialog.de

www.environmental.co.uk www.nature.org

Sprayed Ag-nanowire thin films

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Two 3 mm wide lines sprayed through shadow mask.

Promising results also for transparent electrodes on flexible substrates

300 400 500 600 700 800

40

60

80

100

Tran

smitt

ance

(%)

Wavelength (nm)

2 µm 2 µm

Silver Nanowires (AgNWs):Carbon Nanotubes (CNTs):

random

networks of

AFM-images

𝑇𝑇 = 72 %,𝑅𝑅S = 3.7 Ω/sq

Trade-off between T(%) & 𝑅𝑅s(Ω/sq)

𝑇𝑇 = 90 %,𝑅𝑅S = 23 Ω/sq

0 5 10 15 20

40

60

80

100

Tem

pera

ture

(°C)

Time (min)

1V 2V 2.5V 3V 3.5V 4V

Transient Thermal response:Application as heater:

IR-image of an AgNW-heater

a) a)

b)b)

AgNWs on glass

Manufacturing of Transparent Electrodesby scalable Spray Deposition:

Thin-Film Heaters

𝑅𝑅S = 3.7 Ω/sq

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Inkjet Printing

Printing techniques posses three main advantages• Low cost: 60 Euros for cheap inkjet printer, 1-2 Cent/cm² for Silver NP Ink• Fast: 1m² within seconds/few minutes• Well-established: Widely used for graphics printing

Inkjet Printing

• Highly customizable (digital)• Non-contact method• Small feature sizes• Variable wet film thickness• Cheap and scalable

• Ink preparation• Small dry film thickness• Low ink viscosity

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Sheet resistances for Silver NP ink:Without sintering: 600 mΩ/sqWith photonic sintering: 100 mΩ/sq

Sheet resistances for CuO ink:With photonic sintering: 900 mΩ/sq(layer is approx. 3x thinner than for silver)

1cm

Applications & Demonstrators

• Sensor electrodes (IDES)

• Strain- and Force sensors

• Inkjet-printed silver-chloride reference electrode

• Flexible large-area patterns for electromagnetic absorption

• Flexible large-area electrodes for IT security

• Thin-film heaters

• Flexible NFC antennas

• Rapid prototyping of PCBs

• Integration of Sensors and Electronics

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2 mm

3D-Print / Spray-Coating Integrated System

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Advantages:• Possibility to spray

immediately on the 3D-Printed sample no repositioning issues

• Directly integrated and ready for large-scale

• Easy to control with a modified open-source protocol

Merging with 3D printed micro-fluidics

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• Integrating the spray deposition directly on 3D printed parts.

Fully integrated microfluidics with the bio sensor. • Single package for mixing of test fluids

and sensing. • Possible integration of optical and

electrical readout in same chip.

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Piano nazionale Industria 4.0

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Cabina di regia

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Le tecnologie abilitanti

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Obiettivi

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Digital Innovation Hub e Competence Center I4.0

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Investimenti innovativi

Impegno cumulato 2017-2020

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Direttrici chiave: Competenze

Impegno cumulato 2017-2020

Fonte: Presidenza del Consiglio

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Centro di Competenza del Nord-Est

il Competence Center delle Università del Nord-Est coinvolgerà:

- le imprese manifatturiere e in particolare quelle delle 4 “A” del made in Italy:Agro-alimentare, Abbigliamento-accessori moda, Arredo-casa, Automazione-meccanica;

- le imprese medio-piccole, oltre che strumentalmente alcune grandi impresenazionali e internazionali (es.: Fincantieri, Vodafone, Intel, PWC, Infineon, IBM,etc.) che sono la quasi totalità delle imprese italiane ma anche quelle che hannopiù difficoltà a intraprendere processi di trasformazione digitale;

- le imprese consolidate che intendono favorire il loro re-startup: l’innovazione delmodello di business accelerando al loro interno una startup innovativa;

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Centro di Competenza del Nord-Est

1. Università degli Studi di Padova

2. Università Ca’ Foscari Venezia

3. Università IUAV di Venezia

4. Università degli Studi di Verona

5. Università degli Studi di Trento

6. Libera Università di Bolzano

7. Università degli Studi di Udine

8. SISSA di Trieste

9. Università degli Studi di Trieste

Le tecnologie SMACT per un “made in Italy” digitaleTecnologie digitali di base per “rendere le cose” e “fare cose” più intelligenti

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The contributions of unibz

Sistemi Informativi, sensori e Agricoltura di Precisione

Smart factory technologies for SMEs

Smart technologies for construction planning & management

Additive Manufacturing & Rapid prototyping

Robotica e Meccatronica per ambienti non strutturati

(all'aperto) e per l’efficienza nei sistemi industriali

automatizzati

Sviluppo di metodi rapidi per il controllo della qualità degli

alimenti

Big Data integration e wrangling

Smart Tourism e IoT

© 2016 IEA – Industrial Engineering and Automation

Smart Mini F a c t o r y L a b o r a t o r y

Ricerca di Industria 4.0 per PMI nellaboratorio „SmartMiniFactory“

Virtual Manufacturing

& SimulationReverse Engineering & Additive Manufacturing

Human-robot collaboration

and workassistance

systems

Cyber-PhysicalSystems

Smart Building Information

Modeling

© 2016 IEA – Industrial Engineering and Automation

Progetti di ricerca in ambito Industria 4.0 nella macroarea di ricerca „Industrial Engineering & Automation (IEA)

1 RISE SME 4.0 „Industry 4.0 for SMEs“Progetto di ricerca finanziato da EU Horizon 2020 MSCA RISE program con ~ 0,9 mio EuroNetwork di 8 partner internazionali (Austria, Slovakia, USA, India e Thailandia)- Analisi dei requisiti specifici di PMI nell´implemetazione di tecnologie Industria 4.0- Sviluppo di concetti e prototipi in Smart Manufacturing, Smart Logistics e nodelli organizzativi per Smart SMEs

2 Progetto GRASPS Grasping And Soft-bodies Picking SystemsProgetto di ricerca finanziato con fondi interni di unibz- Sviluppo di sistemi di presa innovativi per prodotti sensibili come mele - Test sperimentali su sistemi di presa non convenzionali e realizzazione e messa in opera di parti meccaniche, sistemi di

presa e sistemi di misura per la caratterizzazione dei gripper.

5 CORA Collaborative robotic-assisted workbenchProposal inviato nel programma INTERREG Italia-AustriaNetwork tra unibz – Fraunhofer – Joanneum- Sviluppo di una stazione di lavoro / assemblaggio intelligente in combinazione con un robot leggero

4 COCKpit COllaborative Construction Process ManagemenTProposal inviato nel programma EFRE 2014-2020Network tra unibz (Facoltà scienze e tecnologia e Facoltà di informatica) – Fraunhofer – 3 PMI locali- Sviluppo di un servizio e supporto IT per la gestione ottimizzata e intelligente di cantieri

3 SMART SHOPFLOOR Progetto di ricerca finanziato con fondi interni di unibzNetwork tra unibz e due imprese PMI- Sviluppo di un prototipo software per un Shop Floor Management intelligente attraverso tecnologie di Industria 4.0

Field Robotics and Mechatronics

Field Robotics– Studiare e sviluppare applicazioni di robotica e meccatronica in ambienti non strutturati e dinamici. – Sviluppo di piattaforme autonome, semi-autonome e tecnologie per operazioni di monitoraggio (per es.

serre, alvei di fiume, laghi, pendii), misura, ispezione, automazione. – Sviluppo di interfacce uomo-macchina, autonomia regolabile e tecniche di pianificazione della missione

che permettono a team di umani e robot di lavorare insieme.(in collaborazione con la University of Southern California e Florida Atlantic University)

– Un collegamento naturale fra l’attività di ricerca svolta nei campi dell’ingegneria meccatronica, dell’automazione industriale e dell’ingegneria agro-forestale.

Mechatronics for Efficiency– Meccatronica per la manutenzione predittiva e proattiva attraverso l’implementazione di

controllori/stimatori basati su modello, l’integrazione e l’interconnessione di dispositivi meccatronici e sensori intelligenti su macchine automatiche e componenti meccanici.(e.g. cooperazione con Bonfiglioli Mechatronics research center - Rovereto)

– Efficienza nei sistemi industriali automatizzati: sviluppo e integrazione di tecniche e tecnologie per la riduzione dei consumi energetici e dei malfunzionamenti (e.g. vibrazioni) sia a livello di singola macchina che di sistemi cooperativi.

Piattaforme Autonomeper Ispezioni

Sensori IntelligentiSviluppo di Piattaforme Autonome

Attività e progetti di ricerca rilevanti per Industria 4.0

• Optique – Big Data access, integration and wrangling:Integrazione e preparazione di Big Data provenienti da sorgenti e dispositivi eterogenei attravero l’utilizzo di tecnologie semantiche.(Progetto EU FP7, finanziato con 10M Euro, 2013-2016)

• KAOS – Knowledge-aware operational decision supportMonitoring, analisi e ottimizzazione di processi industriali e di business, attraverso l’analisi on-line di dati generati da processi in esecuzione.(Progetto Euregio KAOS, finanziato con 300K Euro, 2016-2018)

• Behaviour and preference modeling by IoT interactions:Modellazione preferenze di utenti e previsioni sul comportamento attraverso l’uso di dati relativi all’interazione con macchinari, dispositivi mobili, e dispositivi IoT in generale.(Progetto finanziato attraverso Legge 6, 2016-2017)

• COCKpit – COllaborative Construction Process ManagemenTModellazione e monitoraggio di processi di costruzione nei cantieri(Proposta di progetto in collaborazione con la Facoltà di ST, Fraunhofer Italia, e aziende locali, sottomessa per il finanziamento al bando FESR 2014-2020)

• Monitoraggio di dati ambientali:(Proposta di progetto sottomessa per il finanziamento al bando FESR 2014-2020)

Macroarea: Energy Efficiency and Resources

Building Automation for High Performances: from Energy Efficiency to Indoor Environmental Quality through the IoT and the cloud

– Human centered approaches and low cost sensors including mobile applications for environmental conditions monitoring and perception prediction (see also the project: HUCED Human-Centred Design of the Built Environment: definition of a methodology for the experimental assessment of the overall Indoor Environmental Quality)

– IoB (the Internet of Buildings) for building monitoring integration and cloud based simulation predictive control: from building construction and systems manufacturing to built environment services for the occupant (see also the project: IBAS – Intelligent Building Automation Systems)

From smart thermal grids to multi-source distributed network and urban automation

– Cloud based building monitoring, control and automation for integrated energy networks with multiple sources and distributed generation and storage.

© 2016 IEA – Industrial Engineering and Automation

Progetti di ricerca in ambito Industria 4.0 nella macroarea di ricerca Agroalimentare