Cluster

13 Fraunhofer-Institute arbeiten gemeinsam im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS an Multi-kW-Ultrakurzpulslasern und entsprechenden Anwendungen.

Mit dem Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS startet die Fraunhofer-Gesellschaft ein hochambitioniertes Vorhaben. Das Ziel ist die internationale Technologieführerschaft bei Lasersystemen, die mit ultrakurzen Pulsen (UKP) höchste Leistungen erreichen, sowie die Erforschung von deren Einsatzpotenzialen im Verbund mit Fraunhofer-Partnern. Die neuen Systeme sollen alle bisherigen UKP-Laser um eine Größenordnung in der mittleren Laserleistung übertreffen. Gleichzeitig wird an der nötigen Systemtechnik sowie an möglichen Anwendungen in Industrie und Forschung gearbeitet.

Die Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT in Aachen und für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena koordinieren das neue Cluster. Die Applikationsentwicklung zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IAF, IIS, IKTS, IMWS, ISE, ISIT, ITEM, ITWM, IWM und IWS zielt darauf ab, neue Prozesse zu untersuchen und bekannte Verfahren zu industriell relevanten Durchsätzen zu bringen. 

Das Fraunhofer-Leitprojekt »Heterogene, auslastungsoptimierte Roboterteams und Produktionsarchitekturen« (SWAP) will neue technologische Konzepte aufzeigen, wie die Produktion der Zukunft gestaltet werden kann. Ziel des Leitprojekts ist es, die Grundlagen für Fertigungsumgebungen zu schaffen, die modulare Fertigungseinheiten beinhalten, die in Schwärmen von gleichartigen oder unterschiedlichen Werkzeugen, Maschinen oder Transportmitteln kollaborieren und (teil)autonom produktiv zusammenarbeiten. Kern ist ein hierarchischer Schwarm in Erweiterung des in der Produktion schon eingesetzten klassischen Schwarmprinzips.

Nutzbringender Faktor für den Einsatz in der Wirtschaft ist unter anderem die Verkürzung von Fertigungsprozessketten durch die Auflösung der bisherigen starren Abfolge von Produktionsschritten mit zahlreichen Einflussfaktoren durch beispielsweise neue additive Fertigungsverfahren.

Partner: Fraunhofer-Institute IOF, IFF, IAIS, ILT, IML, IOSB, IPM, IPA, IWS, IWU.

Ziel des Leitprojekts eHarsh ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Technologieplattform, auf deren Basis Sensorsysteme, bestehend aus Sensorik und Elektronik, für den Einsatz in extrem rauer Umgebung, »extreme harsh environment«, entwickelt und hergestellt werden können. Die Realisierung solcher Systeme erfordert interdisziplinäre Kompetenzen, angefangen bei der Auswahl entsprechender Werkstoffe und Technologien über verschiedene Entwicklungskompetenzen, die Systemintegration für die Applikation bis hin zur Bewertung und Vorhersage von Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten.

Partner: Fraunhofer-Institute ENAS, IKTS, EMI, ILT, IMS, IPM, IZM.

Im Leitprojekt »Go Beyond 4.0« steht die Bereitstellung von neuen Technologien zur Differenzierung und Effizienzsteigerung der Produktion individualisierter Produkte im Mittelpunkt der Arbeiten, insbesondere die Integration der digitalen Fertigungstechnologien Druck- und Laserverfahren in bestehende, zunehmend vernetzte Massenfertigungsumgebungen.

Um dieses Vorhaben zu ermöglichen, sind Fraunhofer-Kompetenzen aus den sechs Standorten (Chemnitz, Bremen, Aachen, Jena, Würzburg und Dresden) gebündelt. Darüber hinaus sind Kompetenzen der Fraunhofer-Verbünde Mikroelektronik, Produktion, MATERIALS und Light & Surfaces zusammengeführt worden.

Partner: Fraunhofer-Institute ENAS, IFAM, ILT, IOF, ISC und IWU.

Sechs Fraunhofer-Institute bündelten im QUILT-Leitprojekt ihre wissenschaftliche Expertise und technologische Kompetenz auf dem Gebiet des Quantum Imaging, um Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in marktnahe Anwendungen zu überführen.

Einzelne Photonen und Quantenzustände gezielt präparieren, kontrollieren und für moderne Anwendungen nutzen – mit diesem Ziel starteten sechs Fraunhofer-Institute im Oktober 2017 das Leitprojekt QUILT (Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions). Die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickelten in diesem gemeinsamen Vorhaben robuste Photonen-Quellen für bildgebende Verfahren auf quantentechnologischer Basis. Denkbare Anwendungsgebiete sind die Medizin- oder Messtechnik, in denen damit neue Bereiche des elektromagnetischen Spektrums erschlossen und Grenzen der Bildgebung erweitert werden können.

Partner: Fraunhofer-Institute ILT, IMS, IOF, IOSB, IPM und ITWM.

Mit dem Leitprojekt futureAM hat die Fraunhofer-Gesellschaft eine neue Kooperationsplattform zur Weiterentwicklung der additiven Fertigung metallischer Bauteile ins Leben gerufen. Sechs Projektpartner haben sich zum Ziel gesetzt, den technologischen Vorsprung Deutschlands im Bereich Additive Manufacturing zu sichern und dezentral verteilte Ressourcen besser nutzbar zu machen. Im Fokus stand, den 3D-Druck von Metallbauteilen signifikant zu beschleunigen und gleichzeitig die Herstellungskosten zu reduzieren. In Zusammenarbeit erarbeiteten die Partner neue digitale Prozessketten sowie skalierbare und robuste AM-Prozesse. Zudem wurden die entsprechende Systemtechnik und Automatisierung entwickelt und die Palette an verarbeitbaren Werkstoffen erweitert.

In einem gemeinsamen »Virtual Lab« entwickelten die Partner Demonstrator-Bauteile, die die Praxistauglichkeit und das Potential der entwickelten Technologien zeigen. Reale Systeme und Prozesse wurden dabei digital abgebildet und mittels Simulationstools optimiert – so lassen sich etwa Vorhersagen besser treffen oder Fehler schneller erkennen.

Partner: Fraunhofer-Institute ILT, IWS, IWU, IGD und IFAM sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT.

Der Forschungscampus »Digital Photonic Production DPP« in Aachen erforscht neue Methoden und grundlegende physikalische Effekte für die Nutzung von Licht als Werkzeug in der Produktion der Zukunft. Mit dem BMBF-geförderten Forschungscampus DPP wird eine neue Form der langfristigen und systematischen Kooperation zwischen RWTH Aachen University, Fraunhofer-Gesellschaft und Industrie etabliert. Ziel dieser Zusammenarbeit ist die komplementäre Bündelung der verschiedenen Ressourcen unter einem Dach zur gemeinsamen anwendungsorientierten Grundlagenforschung. Dies wird durch zwei zentrale Gebäude auf dem RWTH Aachen Campus ermöglicht: dem Industry Building DPP und dem Research Center DPP. Hier können die Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam unter einem Dach im Rahmen des Forschungscampus DPP forschen.

Die Zusammenarbeit der zwei Fraunhofer-Institute ILT und IPT, der RWTH Lehrstühle und der rund 30 Industrieunternehmen wird in gemeinsam abgestimmten Technologie-Roadmaps definiert. Entlang der Technologie-Roadmaps erforschen die Partner in abgestimmter Form grundlegende Aspekte der Lichterzeugung (z. B. Modellierung von Ultrakurzpulsresonatoren), neue Möglichkeiten der Lichtführung und -formung (z. B. Modellierung von Freiformoptiken) und physikalische Modelle zur Wechselwirkung von Licht, Material und Funktionalität (z. B. Modellierung von belastungsoptimierten generativ gefertigten Strukturen).

Die Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT und Lasertechnik ILT sowie das Werkzeugmaschinenlabor WZL und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University starteten am 28. Oktober 2015 in Aachen zusammen mit 19 renommierten Industriepartnern das »International Center for Turbomachinery Manufacturing – ICTM«.

Zu den Industriepartnern des Netzwerks zählen große und mittelständische Unternehmen aus den Bereichen Turbomaschinenbau, Maschinenbau, Automatisierungs- und Zerspanungstechnik sowie Additive Fertigung. Im Mittelpunkt des Centers stehen Forschung und Entwicklung rund um die Fertigung und Reparatur von Turbomaschinenkomponenten, die durch die Partner in allen Bereichen abgedeckt werden. Das Forschungszentrum wurde ohne jegliche staatliche Förderung gegründet und gehört damit zu den wenigen selbstständigen Netzwerken, die aus den Fraunhofer-Innovationsclustern »TurPro« und »ADAM« hervorgingen.

Das Aachener Zentrum für 3D-Druck ist eine gemeinsame Forschungsgruppe des Fraunhofer ILT und der FH Aachen mit dem Ziel, kleinen und mittelständischen Unternehmen den Zugang zur gesamten Prozesskette im Bereich Additive Manufacturing (AM) zu eröffnen. So sollen die ökonomischen und technologischen Chancen genutzt werden, die diese innovative Technologie bietet.

Kleine und mittlere Unternehmen durchleuchten ihre Anwendungen und sehen zunehmend die ökonomischen und technologischen Chancen des AM in ihren Produktionsumgebungen. Oftmals scheuen sie allerdings die Investitionsrisiken. Vor allem aber verfügen sie nur selten über qualifizierte 3D-Druckspezialisten und ausgebildete Facharbeiter. Hier setzt das eng kooperierende Expertenteam des Fraunhofer ILT und der FH Aachen an. 

Das Zentrum für Nanophotonik bündelt am Fraunhofer ILT eine Reihe von Aktivitäten, bei denen Analysesysteme mit einer Auflösung im nm-Bereich entwickelt werden, aber auch Produkte und Komponenten mit Strukturen bis hinunter in den Bereich von einigen Nanometern.

Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den in diesen Gebieten tätigen Fakultäten der RWTH Aachen University (u. a. mit der Fakultät für Physik/Naturwissenschaften und der Fakultät Elektrotechnik) durchgeführt.

Der Schwerpunkt dieses Leistungszentrums liegt in der Entwicklung, systematischen Einführung und Nutzung moderner Digitalisierungstechnologien für zukunftsfähige, industrielle Produktionssysteme und Wertschöpfungsketten im Sinne von »Industrie 4.0«. Im Rahmen eines übergreifenden FuE-Moduls »Digitalisierung und Vernetzung« erarbeitet das Leistungszentrum in verschiedenen Themenfeldern das Konzept der vollständig vernetzten, adaptiven Produktion. Die Anbindung an das Fraunhofer Cloud System »Virtual Fort Knox« stellt hierbei eine neutrale und sichere Plattform zur Speicherung der Produktionsdaten und Ausführung von Webservices zur Analyse und Optimierung der Prozessketten dar. Die enge Zusammenarbeit mit namhaften Industrieunternehmen stellt die Übertragbarkeit in ein industrielles Umfeld sicher.

Im Exzellenzcluster »Internet of Production« wird an der Digitalisierung von Fertigungstechnik gearbeitet. Ziele sind hier eine verstärkte und vereinfachte domänenübergreifende Zusammenarbeit sowie die echtzeitfähige und sichere Bündelung aller relevanter Daten aus vielen verschiedenen Quellen vor dem Hintergrund von cyber-physischen Systemen und Industrie 4.0.

Beteiligt sind mehr als 35 universitäre und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen sowie die drei Fraunhofer-Institute FIT, ILT und IPT. Im Beirat sind mehr als 50 Firmen und Verbände vertreten. Sie kommen aus der Automobil- und Luftfahrtbranche, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie aus der Softwarebranche. Das wesentliche Ziel und zugleich elementares Element für den Forschungserfolg des IoP ist eine integrierte, interdisziplinäre Forschungskultur im Forschungsverbund.

Das Cluster Photonik, eines von sechs Startclustern auf dem RWTH Aachen Campus, ist spezialisiert auf die Erforschung und Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung, Formung und Nutzung von Licht, insbesondere als Werkzeug für die industrielle Produktion. Das 2019 eröffnete und 2020 vollständig in Betrieb genommene Research Center DPP im Cluster Photonik bietet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auf ca. 4300 qm Nutzfläche – davon 2800 qm Labor-, Reinraum und Hallenflächen – Raum für grundlagenorientierte Forschung im Bereich der Photonik.

Die aktuell beteiligten Institute und Lehrstühle stammen aus sechs Fakultäten der RWTH Aachen University: Maschinenwesen, Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Elektrotechnik und Informationstechnik, Georessourcen und Materialtechnik, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Somit können sich projektbezogene interdisziplinäre Arbeitsgruppen bilden, beispielsweise bei der Erforschung neuer Materialien für den 3D-Druck. Für Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler ergibt sich die Möglichkeit, gemeinsame Experimente mit Laserexperten durchzuführen und so die Innovationszyklen zu verkürzen. Weitere Schwerpunkte sind die adaptive Fertigung komplexer optischer Systeme, die direkte photonische Ablation mit hohen Abtragsraten, die Ultrapräzisionsbearbeitung, EUV-Strahlquellen, Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser, Medizintechnik, Biotechnologie und Quantentechnologie.

Die Herstellung hochpräziser Bauteile durch Fertigungsverfahren, bei denen der zu bearbeitende Werkstoff eine schmelzflüssige Phase durchläuft, stellt eine besondere Herausforderung dar, da Geometrie und Oberfläche des Bauteils nicht wie bei spanabhebenden Verfahren durch die definierte Bewegung eines Werkzeuges bestimmt werden, sondern durch die Bedingungen des Schmelzflusses und der Schmelzerstarrung.

Mit dem Ansatz eines „Precision Melt Engineering“ widmet sich der SFB 1120 dieser Themenstellung mit dem Ziel, für schmelzbehaftete Fertigungstechnologien wie Urformen, Fügen, Trennen, Generative Fertigung und Beschichten eine dimensionsübergreifende Beschreibung der ablaufenden Prozesse zu erarbeiten und verursachungsgerechte Maßnahmen zur Erhöhung und Erzielung der Präzision abzuleiten.

Das zentrale Ergebnis des Sonderforschungsbereiches ist die multiskalige Beherrschung der Schmelze und eine prädiktive Prozessführung bei schmelzebasierten Fertigungsprozessen ausgehend von der Schmelzeentstehung über den Schmelzefluss bis zur Erstarrung als Voraussetzung für die Erhöhung der Präzision und die Vermeidung von Prozessfehlern in und an schmelztechnisch hergestellten Bauteilen.

Die Max Planck School of Photonics (MPSP) ist eine interdisziplinäre Graduiertenschule in Deutschland, die talentierten Absolventinnen und Absolventen aus aller Welt ein integriertes MSc- und PhD-Programm im Zukunftsfeld Photonics bietet. Die Promovierenden können ihre Forschung an einer der 16 Partnerinstitutionen des Netzwerks durchführen, d. h. an Spitzen-Universitäten oder renommierten Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland. Dieses einzigartige Netzwerk herausragender Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler (»Fellows«) bietet den Promovierenden der MPSP frühzeitig Zugang zu gebündeltem Wissen und bereitet sie auf ihre Karriere als »Photonics Innovator« in der deutschen Wissenschaft oder Industrie vor. Gleichzeitig treibt das vom BMBF geförderte Programm die Photonics-Forschung in Deutschland voran, indem es durch die Vernetzung der Wissenschaft Synergien fördert und neue Ideen erprobt.