Abgeschlossene Verbundprojekte

Die »AdaM«-Projektpartner haben sich zum Ziel gesetzt, den globalen gesellschaftspolitischen Herausforderungen in Mobilität, Energie und Klima zu begegnen. Die Steigerung der Ressourceneffizienz in der Energieversorgung und Mobilität soll nicht nur ökonomischen, sondern auch ökologischen Nutzen bringen. Durch die Beherrschung komplexer Technologien wollen sich die Projektpartner ein Alleinstellungsmerkmal erarbeiten und dieses durch den Ausbau von weiteren, zukünftigen Kooperationsmöglichkeiten nachhaltig etablieren.

Technologie-Metalle oder die seltenen Erden werden in nahezu allen elektronischen Kleingeräten des täglichen Gebrauchs als wichtige Rohstoffe genutzt. Das natürliche Vorkommen dieser Elemente ist jedoch begrenzt, die einsetzbaren  Materialien müssen außerdem zunächst in aufwändigen und oftmals umweltschädlichen Verfahren und Prozessen aus entsprechenden Erzen gewonnen werden. Ein nachhaltiger Umgang mit diesen Rohstoffen gewinnt daher stetig an Bedeutung. An Stelle des Rohstoffabbaus setzt man bei der Werkstoffgewinnung auf das Recycling von alten, nicht mehr nutzbaren Geräten. Das Fraunhofer ILT geht im Projekt ADIR (Next generation urban mining – Automated Disassembly, Separation and Recovery of Valuable Materials from Electronic Equipment) gemeinsam mit zahlreichen internationalen Partnern neue Wege bei der Erforschung moderner Recyclingverfahren. ADIR, das von September 2015 bis August 2019 im Rahmen des Horizon-2020-Rahmenprogramms der Europäischen Union gefördert wird, erforscht Möglichkeiten, um die Recyclingprozesse mit Hilfe von Lasertechnologie effektiver und effizienter zu gestalten.  

Die Wiederverwertung und Rohstoffgewinnung aus »Elektroschrott« liegt seit längerer Zeit im Trend und ist im Bereich der Elektronikgeräte seit spätestens Mitte der 1990er Jahre anerkannter Stand der Technik. Gleichwohl unterliegen die Recyclingverfahren einer ständigen Weiterentwicklung.  Beim konventionellen Recycling werden die Geräte in der Regel geschreddert. Aus dem so entstandenen  Mix aus Kunststoffen, Metallen und Gläsern werden die gewünschten Rohstoffe in metallurgischen oder chemischen Verfahren extrahiert. Hierbei gehen allerdings wertvolle Rohstoffe im Prozess verloren. ADIR hat sich zum Ziel gesetzt, durch laserbasierte Verfahren die entsprechenden Materialien noch im Gerät zu erkennen und in nachfolgenden Arbeitsschritten gezielt von den übrigen Werk- und Wertstoffen zu trennen.
 

»ALISE« (Diode-pumped Alexandrite Laser Instrument for Next Generation Satellite-based Earth Observation) wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt getragen. Gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) und dem Unterauftragnehmer »Airbus Defence & Space« arbeiten Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT an der Erforschung optischer Technologien für die satellitengestützte Beobachtung des globalen Klimas.

Die Vaskularisation ist eines der wichtigsten und anspruchsvollsten Themen bei der Entwicklung von Weichgewebe. Es ist notwendig, die Zellen in einem mehrschichtigen Gewebe, z. B. in der Kunsthaut, mit Nährstoffen zu versorgen. Unsere Forschung zur künstlichen Haut wird von einer steigenden Nachfrage nach zwei Hauptanwendungen angetrieben: Für den Bereich der regenerativen Medizin müssen die Betroffenen mit Weichgewebeimplantaten versorgt werden, ebenso wie Weichgewebe nach traumatischen Verletzungen und Tumorbehandlung. Zweitens, die teuren und ethisch umstrittenen pharmazeutischen Tests an Tieren durch künstliche vaskularisierte Prüfstände zu ersetzen, um die Aufnahme der Medikamente in das Blut zu simulieren.

Das Verbundprojekt BI-TRE erforscht effiziente, zuverlässige und kostengünstige Methoden zum mikrochirurgischen Verbinden von kleinen Blutgefäßen und der Laserfixierung von Wundauflagen im Mund-Rachen-Raum.

Diodenlaser sind die effizienteste Technologie zur Umwandlung von elektrischer Energie in nutzbares Licht. Dieser Wirkungsgrad steht den meisten industriellen Anwendern jedoch aufgrund der geringen Brillanz von Direktdiodenquellen nicht zur Verfügung. Das BRIDLE-Projekt zielte darauf ab, diese Einschränkung aufzuheben und einen technologischen Durchbruch bei kostengünstigen, hochbrillanten Diodenlasern für industrielle Anwendungen zu liefern. Durch die Nutzung der Leistung und Effizienz von Diodenlasern zielte das Projekt darauf ab, eine kostengünstige direkte Diodenlaserquelle für industrielle Anwendungen zu entwickeln, die das Schneiden und Schweißen von Blechen erfordern.

Das Ziel des BRITESPACE-Projekts war die Realisierung eines Integrated Path Differential Absorption (IPDA) LIDAR-Systems auf Basis einer leistungsstarken Halbleiterlaserstrahlquelle zur Messung der Kohlendioxidkonzentration in der Erdatmosphäre aus satellitengestützten Raumfahrtmissionen. IPDA LIDAR arbeitet grundsätzlich an der Verwendung von zwei verschiedenen Wellenlängen zur Messung der CO2-Konzentration: Eine Wellenlänge ist stark absorbiert (λOFF) und die andere wird vom Gas leicht absorbiert (λON). Zusätzlich wird das Laserlicht moduliert oder gepulst, um die Höhe der zu messenden Luftsäule messen zu können.

Ziele des Projektes CarboLase sind Aufbau, Vernetzung und Bewertung einer automatisierten Produktionskette zur Fertigung von funktionalisierten Carbonfaserpreforms. Dabei wird eine roboter- und sensorgestützte Route von der Vereinzelung flacher Carbonfasertextilien, über das Stapeln und Bindern, der Laserstrahlbearbeitung zur Einbringung von Funktionsbohrungen bis zur Integration von Krafteinleitungselementen dargestellt. Durch die automatisierten und selbstregelnden Prozessschritte können auch kleine bis mittlere Losgrößen von CFK-Bauteilen wirtschaftlich hergestellt werden.

Das ComMUnion-Projekt beschäftigt sich mit der effizienten Fertigung von 3D Metall / CFK Multi-Material-Komponenten. Hochgeschwindigkeits-Lasertexturieren, Oberflächenreinigen, laserunterstütztes CFK Tape-Legen und Prozessüberwachung sollen in eine roboterbasierte Fertigungszelle integriert werden. Das Fraunhofer ILT entwickelt für das Lasertexturieren ein Polygonscanner-Strahlablenkungssystem für die Herstellung von Hinterschnittstrukturen mit hohen Flächenraten im metallischen Fügepartner um damit hochfeste Verbindungen zum CFK Tape zu ermöglichen.

Ziel des Projektes eVerest ist die Entwicklung einer hochflexiblen Maschinentechnik zur Präzisions-Laserbearbeitung, mit der bei höchsten geometrischen Auflösungen im Mikrometerbereich ohne wesentliche Kenntnisse der eigentlichen Technologie funktionale Strukturen in Werkzeugen und Bauteilen erzielt werden können. Dabei werden alle notwendigen Teilbereiche einer Laserbearbeitung in das Maschinen- und Bedienkonzept integriert wie z. B das virtuelle Design des Produktes inkl. Abwicklung und Visualisierung der Strukturen unter Einbeziehung neuer Möglichkeiten der Laseroberflächenbearbeitung. Außerdem steht die signifikante Weiterentwicklung der Systemtechnik zur Steigerung der effektiven Abtragrate im Mittelpunkt des Projekts.

Im Exzellenzcluster »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« entwickeln Aachener Produktions- und Materialwisenschaftler Konzepte und Technologien für eine nachhaltige wirtschaftliche Produktion.

Insgesamt sind 18 Lehrstühle bzw. Institute der RWTH Aachen sowie das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT an dem bis Ende 2011 angelegten Projekt beteiligt. Der mit ca. 40 Mio. Euro dotierte Exzellenzcluster ist somit die umfassendste Forschungsinitiative in Europa mit dem Ziel, die Produktion in Hochlohnländern zu halten.

Im Projekt FlexHyJoin wird ein vollautomatisiertes Verfahren zum Fügen von TP-FKV mit Metall in Multimaterialbauweise entwickelt. Mit Induktions- und Laserschweißen werden zwei Verfahren in einer voll automatisierten Fertigungszelle kombiniert, die sich perfekt ergänzen. Durch die Implementierung innovativer Oberflächenstrukturen im Metall, welche mittels Laserstrahlung erzeugt werden, kann ein Formschluss und somit eine optimierte Haftung für Hybridbauteile realisiert werden, ganz ohne Zusatzmaterialien, wie zum Beispiel Klebstoffe. Durch einen hohen Automatisierungsgrad und eine erhebliche Verkürzung der Zykluszeit wird FlexHyJoin den ausgedehnten Einsatz von Hybridbauteilen in der automobilen Serienfertigung vorantreiben.

Die »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität« ist ein von der Fraunhofer-Gesellschaft gefördertes Verbundprojekt. Während der Projektlaufzeit (2013 bis 2015) bearbeiten 16 Fraunhofer-Institute Projektthemen in den Clustern »Antriebsstrang / Fahrwerk«, »Batterie / Range Extender« sowie »Bauweisen / Infrastruktur«. Mit der Entwicklung innovativer Technologien und Komponenten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge schaffen die Partner attraktive Angebote für die Automobilindustrie.

Ziel des Projektes PhotonFlex ist die Entwicklung und Untersuchung innovativer Technologien für die kostengünstige und hochproduktive Herstellung von flexiblen organischen Solarzellen.

Ziel des Vorhabens ist die Etablierung einer geeigneten Prozesskette zur Fertigung resorbierbarer, patienten-spezifischer sowie poröser Magnesiumimplantate (z.B. Scaffolds) für Defekte in der Mund-, Kiefer und Gesichtschirurgie. Dazu sollen am Fraunhofer ILT das Additive Fertigungsverfahren Selektives Laserstrahlschmelzen für die Verarbeitung von Magnesiumlegierungen qualifiziert und ein geeigneter Workflow zur Integration von Porenstrukturen in Individualimplantate erarbeitet werden.

Ziel des Projektes SeQuLas ist die Entwicklung einer neuartigen Prozesstechnik zum absorberfreien Laserschweißen von Thermoplasten. Anhand eines sich fortlaufend aktualisierenden Temperaturfeldes soll während des Schweißprozesses eine Segmentierung der Nahtkontur sowie eine Anpassung der Bestrahlungsreihenfolge und -parameter erfolgen und somit ein definierter Energieeintrag realisiert werden. Hierdurch wird ein Beitrag zur Steigerung der Flexibilität und Effizienz der industriellen Produktion in Nordrhein-Westfalen geleistet.

Die heutige Produktionstechnik weist einen hohen Automatisierungsgrad auf. Das Glätten und Polieren von Freiformflächen, wie zum Beispiel Werkzeugeinsätzen oder medizinischen Implantaten, erfolgt allerdings häufig noch manuell, da eine automatisierte Bearbeitung aufgrund des hohen Einrichtungsaufwands nicht wirtschaftlich ist.

Ziel in SYMPLEXITY ist, die Möglichkeiten der Automatisierung für diese Arbeiten so weit wie möglich zu nutzen, indem Teile der Arbeiten durch Roboter übernommen werden. Hierzu werden kooperative und kollaborative Roboterzellen sowie die hierfür erforderliche Sicherheitstechnik entwickelt, bei denen der Roboter einfachere Tätigkeiten übernimmt und anspruchsvolle Aufgaben vom Menschen durchgeführt werden.

Die angestrebten Innovationen tragen sowohl prozess- wie auch anwendungsseitig maßgeblich zu einer Erhöhung der Energieeffizienz und zum Klimaschutz durch Reduzierung von CO₂-Emission bei. Durch die im Vergleich zu Ofenprozessen hohe Energieeffizienz des Laserverfahrens kann die  für die Funktionalisierung der Schicht erforderliche Energie bei erfolgreicher Verfahrensentwicklung signifikant reduziert werden. Zudem werden zum einen das Anwendungsspektrum von tribologisch beanspruchten Leichtbau-Komponenten im Maschinen- und Automobilbau signifikant vergrößert und zum anderen die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der Komponenten erhöht Daraus resultieren sowohl eine Erhöhung der Energieeffizienz als auch eine Emissionsminderung für die entsprechenden Gesamtanlagen und  systeme.

Verschiedene Studien prognostizieren einen stetigen Anstieg der installierten Kapazität zur Erzeugung elektrischer Energie bis zum Jahr 2030 um jährlich 2,5 bis 3,5 Prozent. Die aktuellen Diskussionen im Hinblick auf die Veränderungen des Weltklimas unterstreichen die Notwendigkeit optimaler und effizienter Prozesse. Alternative Energien können den Bedarf kurzfristig nicht in ausreichendem Maße decken und zur Zeit nur ergänzen. Der Anteil an elektrischer Energie, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, wird konstant bei etwa 80 Prozent liegen, sodass Turbomaschinen weiterhin eine zentrale Rolle einnehmen werden.

Effiziente Oberflächenbearbeitung mit dem Laser

Ob zur funktionellen Strukturierung, Beschichtung oder Politur: Laser haben sich in vielen Bereichen der industriellen Fertigung als sehr vorteilhafte Werkzeuge erwiesen, die gerade in den letzten Jahren die Wirtschaftlichkeit und Robustheit von Prozessen deutlich gesteigert haben. Bisherige Laseranwendungen in der industriellen Oberflächenbearbeitung weisen jedoch häufig einen limitierten Durchsatz oder sind für komplexere Anpassungen nicht geeignet.

Im Fokus des Projekts ultraSURFACE, das durch die Europäische Union gefördert wird, stehen die Optimierung von optischen Systemen mit dynamischer 3D-Anwendbarkeit und die Entwicklung von Strategien für laserbasierte Produktionsprozesse mit hohem Durchsatz. Das Projekt trägt gleichzeitig dazu bei, die Fertigung in Europa umweltfreundlicher zu machen. Die entwickelten Konzepte reduzieren Lärm, Dispersionsstaub, den Einsatz von (giftigen) Chemikalien und verbessern die CO₂-Bilanz durch weniger Emissionen. Zehn Partner beteiligen sich an dem Vorhaben, das vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen koordiniert wird.

Neue Optikkonzepte für gesteigerten Durchsatz

Wissenschaftler und Partner aus der Industrie entwickeln im ultraSURFACE-Projekt zwei neue Optikkonzepte, die individuell angepasste Laserstrahl-Manipulationen ermöglichen und im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen den Durchsatz um einen Faktor 10 steigern können. Genutzt werden dazu etwa Strahlform- und Strahlteiloptiken für den Laser. Für das Laserpolieren und Beschichten kann mit der Strahlformungsoptik das Intensitätsprofil der Laserstrahlung individuell an lokale Oberflächengegebenheiten angepasst werden. Des Weiteren kann beim Lasermikrostrukturieren mittels der Strahlteiloptik die Oberfläche mit mehreren Einzelstrahlen gleichzeitig bearbeitet werden.

Ziel des ultraSURFACE-Projekts ist auch die Demonstration der Nutzbarkeit in der Fertigung – die entwickelten Technologien werden später mittels entsprechender Prototypen in verschiedenen industriellen Anwendungen eingebunden. Beim Laserpolieren, in der Laserdünnschichtbearbeitung sowie in der Lasermikrostrukturierung werden die neuen Konzepte getestet und bewertet. Neben hochqualitativen Produkten für den Automotive-Bereich oder für den Maschinenbau allgemein kommen die entwickelten Konzepte auch für die Fertigung von Produkten des Consumer-Markts in Frage. Die neuen Konzepte des ultraSURFACE-Projekts bieten damit ein hohes Potential für viele Branchen – nicht nur im europäischen Lasermarkt.