Abgeschlossene Verbundprojekte

Im Projekt HERMES entwickeln das Fraunhofer ISIT und das Fraunhofer ILT eine nachhaltige, universelle Technologieplattform zur Herstellung monolithisch und vertikal integrierter MEMS-Sensoren. Dabei werden Sensor und Auswerteelektronik im selben Herstellungsprozess direkt übereinander auf einem Chip integriert.

Mikrosysteme (MEMS) bestehen üblicherweise aus Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik. Mit konventionellen Fertigungsverfahren ist eine kombinierte (monolithische) Herstellung, bei der MEMS-Sensor und Auswerteelektronik (IC) vertikal aufeinander gefertigt werden, bisher nicht möglich. Die verschiedenen Prozesstemperaturen sind nicht miteinander vereinbar, sodass es zu Schädigungen des ICs kommen kann.

Die von ISIT und ILT entwickelte Lösung sieht vor, amorphe Siliziumschichten auf den fertiggestellten Schaltkreisen des IC-Wafers bei niedrigen Temperaturen abzuscheiden. In einem anschließenden Laserbearbeitungsschritt wird die zur Kristallisation der Siliziumschicht benötigte hohe Temperatur erreicht, ohne die darunterliegenden Schaltkreise zu beeinträchtigen. Dies wird durch ortsselektives Aufheizen im Millisekundenbereich realisiert. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sowohl Sensor als auch IC aus dem gleichen Material bestehen und die gleichen thermomechanischen Eigenschaften besitzen. So können Sensoren aufgebaut werden, die über einen weiten Temperaturbereich zuverlässig auch kleinste Messgrößen erfassen. Die neue Technologie könnte MEMS, die verschiedene mechanische Sensortypen (z. B. für Beschleunigung und Drehmoment) vereinen, kleiner, kostengünstiger und gleichzeitig leistungsfähiger machen. Mögliche Anwendungsbereiche sind z. B. mobile Endgeräte für Verbraucher wie Tablets, Smartphones und Smartwatches oder Fitnessarmbänder. Aufgrund des globalen Marktes mit jährlichen Umsätzen im Milliarden-Dollar-Bereich schafft HERMES nach erfolgreicher Validierung die Basis für Kooperationen mit KMU und Großunternehmen.

Die steigende Nachfrage nach Wasserstofftechnologien erfordert die Entwicklung moderner Fertigungsverfahren mit sehr hohen Taktzahlen. In diesem Zusammenhang steht momentan besonders die PEM-Brennstoffzelle (PolymerElektrolyt-Membran) im Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung. Eine zentrale Komponente einer PEM-Brennstoffzelle stellen die Bipolarplatten (BPP) dar. Die aggressiven chemischen Bedingungen in einer Brennstoffzelle führen jedoch zur Korrosion der metallischen BPPs. Um der Korrosion entgegenzuwirken und die Lebensdauer der Brennstoffzellen damit zu verlängern, können Beschichtungen aufgebracht werden. Gleichzeitig muss jedoch eine hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten bleiben, um eine hohe Effizienz des Systems zu ermöglichen. Konventionell erfolgt die Beschichtung mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung in Vakuumanlagen. Es werden komplexe Beschichtungsanlagen benötigt und hohe Materialkosten erzeugt.

Im Rahmen des Forschungsprojekts H2GO entwickelt das Fraunhofer ILT ein laserbasiertes Verfahren, welches die Herstellung von neuartigen Korrosionsschutzschichten auf Kohlenstoffbasis ermöglicht. Dabei wird eine Präkursorlösung auf die BPPs aufgesprüht und getrocknet. Durch die anschließende Bearbeitung mit einem Laser wird diese Präkursorschicht in eine leitfähige und korrosionsbeständige Kohlenstoffmodifikation umgewandelt. Die Bearbeitung erfolgt im Gegensatz zur etablierten Gasphasenabscheidung in Raumluft und erfordert kein Vakuum. Dadurch wird eine Integration in eine kontinuierliche Fertigungsstraße erheblich vereinfacht.

Durch den Verzicht auf aufwendige Vakuumverfahren und die Verwendung von günstigen und gut verfügbaren Materialien kann das Verfahren einen Beitrag dazu leisten, den stetig wachsenden Markt der PEM-Brennstoffzellen zu bedienen. Das diesem Bericht zugrundeliegende FuE-Vorhaben wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr unter dem Förderkennzeichen 03B11027A durchgeführt.

Im R2MEA-Projekt entstehen wegweisende Roll-to-Roll-Fertigungsverfahren für 7-lagige Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Anstelle herkömmlicher Chargen- oder Intervallprozesse setzen wir auf durchgängige Produktionslinien, um Effizienz, Qualität und Skalierbarkeit maßgeblich zu steigern. Im Fokus stehen dabei folgende Kernpunkte:

• Umstellung der Katalysatorpulverproduktion von einem Chargenprozess auf einen kontinuierlichen Prozess
• Vergleich verschiedener Applikationsmechanismen für Katalysatorschichten
• Kürzere Trocknungszeiten und verkürzte Trocknerlängen durch laserbasiertes Trocknen
• Roll-to-Roll-Prozess zum Zuschnitt von MEA-Komponenten wie Membranen, Unterdichtungen und Gasdiffusionsschichten
• Roll-to-Roll-Positionierungs- und Laminierungsprozesse zur Herstellung 7-lagiger MEAs
• Konzepte für Transportbehälter für MEAs

Im Förderprojekt ProZeF entwickeln drei Projektpartner multidisziplinäres, multimediales und partizipatives Lehr- und Lernmaterial zum Thema Fusion für Projektwochen an weiterführenden Schulen in der Strukturwandel-Region rund um Aachen und darüber hinaus. Schülerinnen und Schüler lernen dabei die globale Relevanz klimaneutraler Energieversorgung kennen, reflektieren den eigenen Energieverbrauch und erfahren die Grundlagen und Potenziale der Fusion. Ziel ist es, ein Bewusstsein für gesellschaftliche Verantwortung zu stärken und Jugendlichen Mut zu machen, sich selbst als aktive Mitgestaltende einer nachhaltigen Zukunft zu sehen.

Das Forschungsprojekt "MobiDART" zielt darauf ab, die Reparatur von Großbauteilen und Maschinenkomponenten in metallverarbeitenden Betrieben zu verbessern. Dies soll durch die Entwicklung eines mobilen Reparatursystems erreicht werden. Bei der bisherigen mobilen Instandhaltung werden verschlissene Funktionsflächen von Großbauteilen häufig manuell mittels WIG-Schweißen bearbeitet. MobiDART setzt dagegen auf das automatisierbare Laserauftragschweißen, das einen material- und zeitsparenden sowie endkonturnahen Materialauftrag ermöglicht. Durch die Kombination mit einer CAM-Software sollen weitere Potenziale zur Ressourcen- und CO2-Einsparung erschlossen werden, wie z.B. die Reduzierung des Auftragsmaterials um den Faktor 3 im Vergleich zum WIG-Schweißen, ein geringerer Verschleiß der Fräswerkzeuge und ein geringerer Druckluftbedarf aufgrund kürzerer Fräszeiten. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur ökonomischen und ökologischen Optimierung der Reparatur von Schlüsselkomponenten in verschiedenen Industriezweigen.

Projektpartner: 

Picum MT GmbH, ModuleWorks GmbH, Wagner GmbH, Fraunhofer ILT

Ziel dieses Projektes sind die Erforschung und Umsetzung neuartiger dreidimensionaler photonischer Strukturen, beispielsweise geometrisch verdrillter Photonic Crystal Fibers oder nicht orientierbarer Mikroresonatoren. Am Fraunhofer ILT werden die zur Fertigung solcher Strukturen notwendigen Verfahren basierend auf selektiven Laserstrukturierungs- und Lasermodifikationsprozessen entwickelt. Erst durch die Verwendung mikro- und nanoskaliger laserbasierter Fertigungsprozesse wird die Herstellung solcher Bauteile überhaupt möglich. Insbesondere die beiden Fertigungsverfahren Inverses Laserstrahlbohren (ILB) und Selektives Laser-induziertes Ätzen (SLE) bieten die benötigten geometrischen Freiheitsgrade zur Erzeugung dreidimensionaler photonischer Bauteile.

Projektpartner: 

Fraunhofer ISC, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts MPL

Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und Betrieb einer skalierbaren, elementaren Quantenprozessoreinheit basierend auf gefangenen atomaren Ionen. Diese Plattform verfügt über Qubits mit Kohärenzzeiten von mehreren Sekunden und lasergetriebene Gatter hoher Qualität. Individuelles optisches Adressieren auf kleineren Qubit-Registern gemeinsam mit dynamischen Konfigurieren von Registern durch Bewegen, Vertauschen und Umgruppieren der Ionen ermöglicht eine skalierbare Lösung mit hoher Qubit-Konnektivität. Der Quantenprozessor soll latenzarm an den Mainzer Hochleistungsrechner MOGON II angebunden und als User Facility externen Nutzern zur Verfügung gestellt werden. Am Fraunhofer ILT werden fortschrittliche laserbasierte Herstellungsverfahren für die monolithische, segmentierte, lineare Mikrochip-Ionenfalle weiterentwickelt und an die Anforderungen einer innovativen Falle angepasst. 

Projektpartner: 

Johannes Gutenberg-Universität Mainz – Institut für Physik, AKKA DSW GmbH, Fraunhofer IOF, Forschungszentrum Jülich GmbH – Theoretische Nanoelektronik, TOPTICA Photonics AG

Im Verbundprojekt HiPEQ steht die Entwicklung einer innovativen Plattform für miniaturisierte einmodige und schmalbandige Diodenlaser (»External Cavity Diode Laser«, ECDL) basierend auf photonisch-integrierten Schaltkreisen (»Photonic-Integrated Circuit, PIC«) im sichtbaren Spektralbereich im Fokus. Schmalbandige vollintegrierte Laser werden in verschiedenen Quantentechnologie-Anwendungen wie bei der Realisierung von ionenbasierten Quantencomputern, der Quantenkommunikation sowie der Quantensensorik benötigt.

Das Fraunhofer ILT beschäftigt sich zum einen mit der Realisierung von lasergefertigten 3D-Präzisionsbauteilen für die Schnittstellen- und Verbindungskomponenten zwischen PIC und Faser. Zum anderen wird in einem zweiten Arbeitspaket ein Optiksystem zur Strahlformung und -führung entwickelt, das gemeinsam mit einem Hochleistungsdiodenlaser zur Züchtung neuartiger Isolatorkristalle mit großer Verdet-Konstante verwendet werden wird. 

Projektpartner: 

TOPTICA Photonics AG, RWTH Lehrstuhl für integrierte Photonik, Surfacenet GmbH, Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH, Electro-Optics Technology GmbH

Innerhalb des IDEEL-Vorhabens verfolgen die Projektpartner mehrere Teilziele. Entwickelt werden im ersten Schritt eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Batterie-Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative, auf kontaktloser Temperaturmessung basierende Prozessüberwachung (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Darauf aufbauend soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators (Coatema) auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des neuen Trocknungsprozesses validiert werden (Fraunhofer ILT, FFB). 

Die Ergebnisse des IDEEL-Projekts sollen künftig in die Prozesse der Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) einfließen, die das Projekt konzipierend und beratend begleitet. 

Der Trocknungsprozess, den das IDEEL-Projekt adressiert, ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichersystemen zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Elektrodenpaste (Slurry), die aus einer gezielt abgestimmten, homogenen Aktivmaterialmischung besteht und auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Für die Wärmetrocknung dieser Elektrodenbeschichtung werden bisher Konvektionstrockner eingesetzt, die ihre Wärmeenergie jedoch nur indirekt in das Material eintragen und somit die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark belasten. Die IDEEL-Projektpartner setzen deshalb auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens, bei dem die Beschichtung mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern bestrahlt wird. Dadurch sollen die flächenintensiven Trocknungsstrecken von üblicherweise mehr als 100 Metern Länge signifikant verkürzt werden. 

Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 unterstützt.

Die Begrenzung der Klimaerwärmung erfordert große Anstrengungen in Wirtschaft und Gesellschaft. Großes Potential zur Senkung der Treibhausgasemissionen der industriellen Produktion besteht in der Fertigung metallischer Bauteile. Durch intelligente Leichtbauanwendungen lassen sich Ressourcen in der Fertigung sowie während der Bauteillebensdauer einsparen. Laserbasierte Fertigungsverfahren sind dafür prädestiniert, jedoch steht deren branchenübergreifende, kombinierte Anwendung noch aus.

Das Konsortium widmet sich gemeinsam den notwendigen Schritten um die notwendigen Innovationen und Technologie in die Industrie zu bringen. Dazu werden die laserbasierten Fertigungsverfahren weiterentwickelt, neue Fertigungsrouten identifiziert und an Beispielbauteilen die CO2-Äquivalente der Prozessketten untersucht.

Sepsis ist eine lebensbedrohliche Infektion des gesamten Körpers, mit jährlich etwa 280.000 neuen Fällen in Deutschland. Fast ein Viertel der Betroffenen, rund 60.000 Menschen, stirbt an dieser Erkrankung, was Sepsis häufiger macht als Schlaganfall, Brust oder Darmkrebs. Solange die Erreger und ihre spezifischen Antibiotika-Resistenzen nicht bekannt sind, erfolgt die Behandlung lediglich mit Breitbandantibiotika. Diese sind jedoch bei etwa 30 % der Patienten unwirksam, wobei 62 % dieser Gruppe innerhalb der ersten drei Tage der Behandlung versterben. Erst mit der Identifikation der Erreger können hochwirksame, spezifische Schmalbandantibiotika eingesetzt werden, wodurch die Mortalitätsrate auf 28 % sinkt. Eine schnelle Erkennung der Erreger und ihrer Resistenzen rettet somit Leben.

Im Rahmen der Energiewende und des Klimawandels gibt es ein wachsendes Interesse an der Nutzung von grünen Energieträgern. Im Vergleich zu Wasserstoff bietet grüner Ammoniak dabei verschiedene Vorteile wie eine größere Energiedichte und eine leichtere Verflüssigbarkeit. Die Festkörper-Ammoniaksynthese SSAS (Solid State Ammonia Synthesis) ist ein elektrochemisches Verfahren für die direkte Erzeugung von grünem Ammoniak aus Luftstickstoff und Wasserdampf. Im Rahmen des geplanten Vorhabens des Leibniz Institutes für Plasmaforschung und Technologie (INP), des Zentrums für Brennstoffzellentechnik (ZBT) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) werden innovative Produktionsverfahren zur Fertigung derartiger Zellen entwickelt. Dies umfasst das Spray-Coating und Magnetronsputtern von keramischen Dünnschichten auf metallischen Trägern sowie das anschließende Laser Annealing der abgeschiedenen Schichten. Nach Abschluss des Vorhabens sollen eine leistungsfähige Dünnschicht-basierte SSAS-Zelle und neue Erkenntnisse zu Degradation unter Operationsbedingungen vorliegen.

In LASIBAT werden funktionelle keramische Werkstoffe, angepasste Schichtabscheidungsverfahren sowie ein skalierbarer Inline-Lasersinterprozess inklusive der notwendigen Lasersystemtechnik (Laserquelle, Optik und temperaturbasierter Regelung) für die Herstellung von Festkörperbatterien entwickelt. Das Lasersintern ermöglicht eine Reduktion der thermischen Belastung des unter der zu bearbeitenden Schicht liegenden Materials sowie eine Reduktion unerwünschter Diffusionsprozesse und Bildung von Nebenphasen, die sonst die Leistungsfähigkeit der Batterie reduzieren würden. Am Ende des Projekts wird Systemtechnik für einen Inline-Lasersinterprozess aufgebaut, um die Skalierbarkeit für einen möglichen industriellen Einsatz zu zeigen. Die Materialien für Kathoden- und Elektrolytschichten sind speziell auf das neue und vergleichsweise schnelle blaue Lasersinterverfahren abgestimmt. Aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von blauer Laserstrahlung bei den eingesetzten Materialien ermöglicht sie eine schichtselektive Erwärmung, die für das Sintern des Dünnschichtelektrolyten notwendig ist.

Das Ergebnis des Projekts ist (1) ein neues, an das schnelle Lasersintern angepasstes Festkörperbatterie-Materialsystem, das die Anforderungen an die Lebensdauer erfüllt und gleichzeitig zusätzliche Restriktionen wie z. B. Preis- und Umweltanforderungen erfüllt, (2) der Aufbau eines Demonstrators zur Validierung des Zellkonzepts der Festkörperbatteriezelle mit gemischter Kathodenschicht und eingesetzten Lasersinterverfahren und (3) die Entwicklung eines Versuchsaufbaus für ein skalierbares laserbasiertes Inline-Sinterverfahren mit blauer Laserstrahlung inkl. geschlossenen Temperaturregelkreises.

ADA-Systeme, d.h. Advanced Driver Assistance Systeme, mit einer Vielzahl von Sensoren und entsprechender Auswertealgorithmen, sind wesentliche Voraussetzungen nicht nur für das vollautonome Fahren der Stufen 4 und 5, sondern werden bereits heute für Fahrerassistenzsysteme der Stufe 2 benötigt. Je nach gewünschter Funktionalität und Messdistanz werden hier heute schon RADAR- und LiDAR-Systeme sowie Kameras eingesetzt. Für die Integration dieser Sensoren steht der Konstrukteur vor einer Vielzahl von Restriktionen, die mit Themen wie Materialeigenschaften, Verschmutzung, Fahrzeugdesign, Messfeld, Kalibrierung, thermisches Management, Platzbedarf und Montagefähigkeit zusammenhängen.

Im Smart Headlight-Projekt wird hierfür ein Integrationsansatz entwickelt, bei dem die elektromagnetische Strahlung von Licht sowie LiDAR- und RADAR-Abstandssensorik über ein gemeinsam genutztes Transmissions- und Spiegelelement innerhalb des Schweinwerfers zusammengeführt wird. Das System des Smart Headlights adressiert primär den Automotive-Markt mit OEMs und Tier-1-Suppliern. Darüber hinaus wird für die Herstellung einzelner Komponenten auch der Zuliefermarkt der Sensorik, Verbraucherelektronik und Lichttechnik angesprochen. Technologien und Komponenten lassen sich neben dem Fahrzeugmarkt auch für andere integrierte Sensorik- und Beleuchtungssituationen nutzen.

Im Rahmen des Klimawandels und der Energiewende steigt das Interesse an der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. Entscheidend dafür ist die gesamte Kette von der Erzeugung, der Speicherung und Verteilung bis zur Rückwandlung in Nutzenergie durch unterschiedliche Technologien. Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf Basis von oxidkeramischen Werkstoffen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) zeigen den besten Wirkungsgrad aller zur Verfügung stehenden Brennstoffzellen. Allerdings unterliegt diese Technologie heute noch Einschränkungen, wie z.B. unzureichender Zyklenfestigkeit, langer Startzeit und hohen Fertigungskosten. Dadurch ist ihre Verbreitung limitiert. Im Rahmen des Vorhabens des Zentrums für Brennstoffzellentechnik (ZBT), des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 der RWTH Aachen (IWE) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) sollen wesentliche Grundlagen geschaffen werden, um diese Restriktionen zu beseitigen. Durch Nutzung eines Dünnschicht-Protonenleiters als Elektrolytmaterial soll die Zyklenfestigkeit im Vergleich zum Stand der Technik signifikant gesteigert werden. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung leistungsfähiger Materialsysteme sowie geeigneter Produktionsverfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) für die nächste Generation der SOFC. Materialien und Produktionsverfahren sollen dabei mit besonderem Fokus auf Inline-Fähigkeit und Skalierbarkeit ausgelegt werden, um eine zielgerichtete, massenproduktionstaugliche Produktion durch KMUs zu gewährleisten. Angesprochen werden vor allem Unternehmen, die unter Nutzung neuer Materialien und moderner Verfahrenstechnik maßgeblich an der zukunftsfähigen Technik „Brennstoffzelle“ teilhaben können: Materialherstellung, Skalierung der Präkursorensynthese, Herstellung der porösen Metallträger, Depositionstechnik, Sonderanlagenbau, Laser- und Prozessüberwachungstechnik, und Lasersystemintegratoren.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer adaptierbaren Strahlquelle und die Demonstration der Eignung für Anwendungen in der Quantentechnologie am Beispiel der Laserkühlung von Strontium (Sr).

Hierdurch wäre es erstmals möglich, eine Plattform für Sub-MHz Strahlquellen in einem spektralen Bereich von 350 nm bis 700 nm für verschiedene quantentechnologische Anwendungen bereitzustellen, die nur einmalig für eine Anwendung im Weltraum qualifiziert werden muss. Dabei werden zwei bereits für Weltraumanwendungen entwickelte Technologien, rauscharme faserbasierte Verstärker aus der Entwicklung für LISA und variable Frequenzkonversion aus MERLIN, transferiert, indem sie angepasst und kombiniert werden, was einen hohen Technologischen Reifegrad ermöglicht.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung der additiven Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) von Gewindewerkzeugen aus Schnellarbeitsstahl, welche durch maßgeschneiderte Kühlkanalgeometrien zu einer gesteigerten Prozesssicherheit und Standzeit im Einsatz vor allem bei KMU führen. Die wirtschaftliche additive Fertigung wird durch die Betrachtung und Anpassung der gesamten Herstellungsprozesskette der Gewindewerkzeuge systematisch untersucht.

Zur Erarbeitung der Zielstellung wird eine wirtschaftliche Verarbeitung eines rissanfälligen Schnellarbeitsstahls mittels LPBF unter möglichst geringen geometrischen Restriktionen für komplexe Bauteile untersucht. Die Nachbearbeitung der additiven Bauteile mittels heißisostatischem Pressen (HIP) und Wärmebehandlung sowie die resultierenden mechanischen Kennwerte werden ermittelt, um eine wirtschaftliche Herstellungsprozesskette für additive Bauteile aus Schnellarbeitsstahl zu definieren. Ausgehend von den Randbedingungen wird die KSS-Zufuhr von Gewindewerkzeugen strömungsmechanisch optimieret, um Druckverluste im Werkzeug zu reduzieren. In Kombination mit einer FEM-Simulation wird iterativ das Werkzeugdesign überarbeitet, um bei möglichst stabilem Werkzeug die bestmögliche Fluidströmung zu gewährleisten.

Das übergeordnete Projektergebnis sind Gestaltungsrichtlinien zur Auslegung und Fertigung von Werkzeugen wodurch KMU ermöglicht wird, die Ergebnisse aus dem Vorhaben unmittelbar in ihrer Produktion umzusetzen. Der technologische Vorsprung für KMU durch die erhöhten Freiheitsgrade der additiven Fertigung leistungsfähigere Gewindewerkzeuge zu fertigen und in der Fertigung einzusetzen, führt zu einem langfristigen Ausbau von Wettbewerbsvorteilen.

Die deutsche Stahlbranche und der deutsche Maschinen- und Anlagenbau besitzen eine besondere Bedeutung zur Sicherung einer leistungsfähigen und innovativen Industrielandschaft im Bundesland NRW. Zur Sicherung dieser Leistungsfähigkeit ist es zwingend notwendig neue Stahlwerkstoffe zu entwickeln aus denen innovative Bauteile mit angepassten Eigenschaften (bspw. Gewichtsreduktion) hergestellt werden können. Vor diesem Hintergrund bietet das additive Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ein herausragendes Potential industrielle und funktionsverbesserte Produkte direkt aus digitalen Daten herzustellen und damit das Wertschöpfungsnetzwerk nachhaltig zu verändern. Allerdings sind nach derzeitigem Stand der Technik keine Stahlwerkstoffe für den LPBF-Prozess qualifiziert, die im Maschinen- und Anlagenbau benötigt werden bzw. die Verarbeitung von diesen Stahlwerkstoffen (Einsatz- und Vergütungsstähle) mittels LPBF führt zur Bildung von Rissen und Defekten, wodurch ein industrieller Einsatz nicht möglich ist.

Ausführliche Untersuchungen zur Anpassung der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik greifen zu kurz, um diese Stahlwerkstoffe, deren Legierungszusammensetzungen auf die Verarbeitung mittels konventioneller Fertigungsrouten ausgelegt sind (Urformen, Zerspanen), mittels LPBF zu verarbeiten. Aus diesem Grund ist das Ziel des Forschungsvorhabens neue Stahlwerkstoffe durch eine iterative Legierungsentwicklung bzw. -Anpassung in Kombination mit einer systematischen Anpassung der LPBF-Prozessführung und Anlagentechnik für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau verarbeitbar zu machen. Auf der Grundlage der entwickelten Stahlwerkstoffe, der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik werden Demonstratoren hergestellt, die zwei Fertigungsszenarien im Maschinen- und Anlagenbau darstellen (Neuteil und Ersatzteil). Im Anschluss werden die Bauteile hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erprobt und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt. 

Im Rahmen des Projekts »AddToP« entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern aus der Industrie einen Technologieprozessor für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen aus Ti6Al4V. Der Technologieprozessor ermöglicht die Anpassung der verwendeten Prozessparameter an die spezifische Bauteilgeometrie sowie die Anforderungen des Anwenders. Auf diese Weise kann der additive Fertigungsprozess zielgerichtet an die jeweiligen Erfordernisse der Applikation angepasst und Prozessgeschwindigkeit, -robustheit sowie Bauteilqualität gesteigert werden.

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.
 

Ziel des Projekts ist die Vermeidung von Abfall, Aufwand und Kosten, die durch Stützstrukturen in lithographischen 3D-Druckverfahren verursacht werden. Für diesen Entwicklungsschritt werden Materialen entwickelt, die zusätzlich zur lichthärtenden Eigenschaft einen thermischen Phasenübergang aufweisen und in Kombination mit dem bereits entwickelten TwoCure® Verfahrendes Fraunhofer ILT ohne Stützstrukturen verarbeitet werden können.

»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.

Das AMable-Projekt erleichtert die Einführung der additiven Fertigung in Unternehmen. Die Partner – Institute und Unternehmen mit langjähriger Erfahrung im Bereich der additiven Fertigung – bieten europäischen KMU, Mittelständlern und der Industrie umfassendes Wissen und Unterstützung. Die Experten begleiten jede Idee von Anfang an bis zum ersten Prototyp – jede Herausforderung erhält eine Business-Case-Bewertung, um das Potenzial der Idee zu identifizieren, die geeignete Unterstützung zu ihrer Entwicklung und eine Roadmap zum Produktionsstart für einen erfolgreichen Markteintritt.

AMable implementiert das Prinzip des Industrial Dataspace (IDS) für Additive Manufacturing, das dem Paradigma folgt, die Daten dem Eigentümer zu überlassen, um ihm die volle Kontrolle über sein geistiges Eigentum zu geben. AMable bietet auch eine Blockchain-App, die eine kontinuierliche, gesicherte Dokumentation der Erstellung und Veränderung über die gesamte Produktentstehung hinweg ermöglicht. Dateneigner können diese App verwenden, um ihre Dateien mit einem digitalen Fingerabdruck für eine spätere Referenz oder für eine Inhaltsintegritätsprüfung zu verknüpfen.

Die Machbarkeit der funktionalen Anforderungen wird durch Gestaltungsempfehlungen der Experten sichergestellt, die mit modernsten Konstruktions- und Simulationstools arbeiten. Dienstleistungen im Bereich der Visualisierung umfassen beispielsweise neue Technologien in der virtuellen und erweiterten Realität (VR und AR). Komplette Anwendungsfälle werden im AMable Digital Innovation Hub (DIH) gespeichert, um eine Vielzahl bereits vorhandener Lösungen für neue Projekte bereitzustellen.

Die Europäische Kommission unterstützt das Projekt AMable, das vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Rahmen der Initiative I4MS koordiniert wird.

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.

Ziel des Interreg-NWE-Projektes BONE, geleitet durch Professor Lorenzo Moroni, MERLN Institut, Maastricht University, ist es, neue Methoden für die verbesserte Therapie von Knochenbrüchen zu erforschen und dabei die Leistungsfähigkeit der Nord-West-Europäischen Wirtschaft zu stärken. Das Projekt mit einer Laufzeit von vier Jahren hat im März 2017 begonnen. Zusammengeschlossen haben sich dazu acht Partner aus Industrie und Forschung aus den Niederlanden, Deutschland, England, Irland, Frankreich und Belgien.

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 Vorhaben verfolgt das Ziel, ein künstliches Blutgefäßsystem für die Herstellung von biotechnologisch generiertem Herzmuskelgewebe zu entwickeln. Damit wird ein wichtiger Schritt in Richtung voll funktionsfähiger künstlicher Gewebe und Organe unternommen.

Nach heutigem Stand der Technik existieren nur unzureichende Ansätze und Verfahren, um dünne Keramiken mit hoher Transparenz, hoher Formgenauigkeit sowie Oberflächen- und Kantenqualität in einer durchgängigen Prozesskette herzustellen. Neben den transparenten, formflexiblen Keramiken fehlt es vor allem an geeigneten Bearbeitungstechnologien, mit denen 3D Bauteile mit den geforderten Qualitäten an Oberfläche und Kante erzeugt werden können. Des Weiteren stehen aktuell keine Verfahren zur Verfügung, mit denen die für ein funktionales Elektronik-Bauteil mit Schalt- und Display-Funktion nötigen Keramik-Dünnglas-Verbünde bearbeitet werden können. Im Fraunhofer-Verbundprojekt »CeGlaFlex« soll daher die Entwicklung von Verfahren und Prozessketten für die Bearbeitung formflexible keramische und glasbasierte Schalt- und Displayelemente untersucht werden.

Projektziele sind die Entwicklung von Verfahren und Prozessketten für die:

• Herstellung dünner und damit formflexibler transparenter Keramiken und Display-Laminate mit einer Dicke im Bereich von 100 μm
• Verarbeitung transparenter formflexibler Keramiken und Dünnglasverbünde bei hoher dreidimensionaler Geometrieflexibilität ohne Schädigung der Werkstofffunktionen
• Herstellung integrierter Schalt- und Displayelemente auf formflexiblen Substraten aus Keramik-Glasverbünden

Neben dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT sind an CeGlaFlex beteiligt:

• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik IPT
  
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
  
• Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
  
• Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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.

Produktionstechnik muss den zunehmend volatilen Bedarf nach variierenden Produkten (Werkstoff, Design, Funktion) bei höchstmöglicher Wirtschaftlichkeit und Flexibilität erfüllen. Lasermaschinen sind dafür prädestiniert. Aber auch sie erfordern für einen wirtschaftlichen Betrieb verstärkte Automatisierung. Der Lösungsansatz des vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT wissenschaftlich koordinierten Verbundprojektes DIPOOL zur Gewinnung von Autonomie und Agilität besteht in der Kombination der einzigartigen zeitlichen und räumlichen Programmier- und Kontrollierbarkeit von Laserwerkzeugen mit geeigneten Methoden maschinellen Lernens (ML).

Projektziel des Forschungsvorhabens EFFPROVIA ist die wesentliche Steigerung der Effizienz des LPBF-Verfahrens, einerseits durch die Reduzierung der Prozessnebenzeiten mittels vibrationsangeregtem und beschleunigtem Pulverauftragsprozess und andererseits durch die Verarbeitbarkeit von kostengünstigeren, wasserverdüsten Pulverwerkstoffen. Mit projektbegleitenden Analysen der mechanischen Eigenschaften von Probekörpern soll die Anwendbarkeit der im Projekt entwickelten Verfahrensmodifikationen abgesichert werden. So können die Ergebnisse auf konkrete Anwendungsbeispiele von KMU übertragen werden, ohne dass diese aufwendige Material- und Anlagenqualifizierungsprozesse durchführen müssen.

Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines energieeffizienten laserbasierten Produktionsverfahrens für tribologische Beschichtungen auf hochbelasteten Komponenten basierend auf dem Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK).

Das innovative Verfahren ermöglicht eine signifikante Steigerung der Energieeffizienz, eine nachhaltige Reduktion des Materialverlustes sowie die Vermeidung des Einsatzes von chemischen Reinigungsmitteln und Strahlmedien.

Im Projekt E-TEST werden Schlüsseltechnologien für einen Gravitationswellendetektor der dritten Generation, auch bekannt als Einstein-Teleskop, entwickelt. Gravitationswellendetektoren ermöglichen einen alternativen Zugang zu interstellaren Prozessen wie z. B. der Kollision von Sternen und schwarzen Löchern, sowie Supernovae, die sich durch spezifische Signaturen in Form von Gravitationswellen detektieren lassen, und bilden somit eine wichtige Ergänzung zu anderen etablierten Beobachtungsmethoden – wie den optischen Teleskopen oder Radioteleskopen – bei der Erforschung des Universums. Die Untersuchungen im Projekt umfassen eine große Bandbreite, beginnend bei geologischen Untersuchungen bis hin zu hochpräzisen optischen Komponenten und der Untersuchung des Betriebs bei kryogenen Temperaturen.

Um all dies zu erreichen, hat sich ein Konsortium von Partnern aus Belgien, den Niederlanden und Deutschland geformt. Das Projekt wird geleitet und koordiniert von der Universität Lüttich. Die Aufgabe des Fraunhofer ILT im Rahmen des Projekts ist die Entwicklung eines hochstabilen Lasers mit einer Wellenlänge von etwa 2 µm und einer extrem schmalen Linienbreite von weniger als 10 kHz, welcher innerhalb eines Interferometers zur Detektion kleinster, durch Gravitationswellen induzierte Längenänderungen genutzt werden soll.

Projektpartner: 

Hasselt University, KU Leuven University, Maastricht University, Nikhef – National Institute for Subatomic Physics, NMWP Management GmbH, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI), RWTH Aachen University, Université catholique de Louvain, University of Liège (Lead Partner).

Im Fokus von EVEREST steht die Entwicklung einer intelligenten Verfahrens- und Systemtechnik für das EHLA-Verfahren, um die Technologie der breiten industriellen Anwendung verfügbar zu machen. Neben robusten Prozessen für Walzen aus der Chemie- und Papierindustrie, sollen Systeme zur automatisierten Geometrieerfassung, zur Bahnplanung für intelligente Reparaturen und die hybrid-additive Fertigung sowie zur Prozessüberwachung entwickelt und in eine Demonstrationsanlage integriert werden.

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.

Im Rahmen des REACT-EU Förderprogramms soll eine neuartige Tauchsonde zur Messung von 2D-Fluoreszenzspektren für Anwendungen in der Wasser- und Abwassertechnik entwickelt werden. Die Fluoreszenzspektroskopie hat sich in Laboruntersuchungen als Messverfahren mit einer hohen Informationsdichte für die Analyse von Trink- und Abwasser erwiesen. Multivariate Auswerteverfahren ermöglichen die Ermittlung vielfältiger physikalisch-chemischer Informationen aus den spektroskopischen Daten.

Im Rahmen des REACT-EU Förderprogramms haben sich Experten aus den Bereichen Optik, Wasserwirtschaft und Analysegeräte zusammengeschlossen, um gemeinsam das Projekt »Fluo-Monitor« umzusetzen. Ziel dieses Projektes ist, das Potenzial und die technische Machbarkeit einer multidimensionalen Fluoreszenzsonde für die Flüssigkeitsanalyse zu evaluieren. Die Projektleitung sowie Kernaufgaben der Sonden-Entwicklung liegen beim Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Die spätere Vermarktung der Sonde übernimmt die Bühler Technologies GmbH (Ratingen). Das Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen University (FiW) übernimmt im Projekt die Rolle des Technologieanwenders und untersucht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der zu entwickelnde Sonde in Labor- und Feldmessungen. Als assoziierter Partner unterstützt der Wasserverband Eifel-Rur (WVER) das Projekt. Gefördert wird das Projekt durch das Wirtschaftsministerium NRW und den europäischen Fonds für Regionale Entwicklung der europäischen Union. Dieses Projekt wird als Teil der Reaktion der Europäischen Union auf die COVID-19-Pandemie gefördert.

Ziel des Projektes FOCUS ist die Entwicklung eines flexiblen Laserbearbeitungszentrums auf der Basis eines kommerziellen 6-Achs-Roboters. Mit Hilfe einer sensorgestützten Positionserfassung und –kontrolle sollen Genauigkeiten von <10 µm erreicht werden. Darüber hinaus sollen mit der Entwicklung eines fasergeführten Ultrakurzpulslasers neben der gesteigerten Präzision weitere Anwendungsbereiche hinsichtlich Oberflächenfunktionalisierung erschlossen werden. Im Gegensatz zu längeren Pulsdauern im Nanosekundenbereich wird unter gleichbleibender Produktivität eine deutlich gesteigerte Oberflächengüte erzielt.

Der Trend zum Leichtbau und Erhöhung der Funktionalität führt auch in lichttechnischen Anwendungen zur Notwendigkeit verschiedene artungleiche Werkstoffe miteinander zu verbinden. Durch die Kombination von Druckgießbauteilen mit guter Wärmeleitfähigkeit und der hohen Oberflächenqualität von Spritzgießbauteilen lassen sich die Anforderungen der LED-Technik begegnen.

Das Ziel dieses Kooperationsprojekts ist die Entwicklung eines hybriden amorphen Thermoplast/Leichtmetall-Werkstoffverbunds. Als Fügetechnologie wird eine quasivollflächige mikroskalige Laserstrukturierung auf der Leichtmetallkomponente eingesetzt. Durch das Hinterspritzen der strukturierten Oberfläche wird der Verbund bei der Kunststoffformgebung hergestellt. Mit diesem hochfesten und temperaturwechselbeständigen Werkstoffverbund, welcher auch auf seine Mediendichtigkeit optimiert werden soll, lassen sich funktionelle, tragende Komponenten mit dekorativen, abdeckenden Komponenten durch ein einziges Bauteil realisieren, womit Bauraum und Gewicht sowie Logistik- und Montagekosten durch verkürzte Prozessketten signifikant reduziert werden können.

Die Randzone eines Werkstücks ist ein stark beanspruchter Bereich, an dem Werkstoffschädigungen durch Verschleiß, Korrosion und Temperatur auftreten. Derzeit werden Hartchromschichten aus Chrom(VI) abgeschieden, um Bauteile zu schützen, was jedoch umwelt- und gesundheitsschädlich ist. Mit dem drohenden Verbot von Chrom(VI) steigt der Druck auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU), da diese oft nicht über die Ressourcen verfügen, um schnell auf alternative Beschichtungstechnologien umzusteigen. Der Bedarf an alternativen Beschichtungstechnologien wächst, wobei thermische Spritzverfahren und Plasma-Pulver-Auftragschweißen einige Lösungen bieten, jedoch mit Einschränkungen bezüglich der Schichtqualität. Ziel dieses Projektes ist es mit dem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen, einer vielversprechenden, umweltfreundlicheren Alternative, schmelzmetallurgisch verbundene Schichten auf Eisenbasis herzustellen, die vergleichbare Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften wie beim Hartverchromen erzielen. Dafür muss eine Legierung entwickelt werden, die geeignet ist, die Prozessbedingungen beim Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen auszunutzen. Modelltheoretische Berechnungen werden genutzt, um einerseits eine Ausgangslegierung so zu modifizieren, dass eine Härtesteigerung theoretisch möglich ist, und andererseits, um das Prozessverständnis zu verbessern, und so geeignete Prozessparameter und Legierungen auswählen zu können.

Der Schlussbericht zum Projekt wird in Kürze bei der FOSTA erhältlich sein.

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.

Mit dem Leitprojekt futureAM hat die Fraunhofer-Gesellschaft eine neue Kooperationsplattform zur Weiterentwicklung der additiven Fertigung metallischer Bauteile ins Leben gerufen. Sechs Projektpartner, die Fraunhofer-Institute ILT, IWS, IWU, IGD und IFAM sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, wollen den technologischen Vorsprung Deutschlands im Bereich Additive Manufacturing sichern und dezentral verteilte Ressourcen besser nutzbar machen. Ein Ziel ist es, den 3D-Druck von Metallbauteilen signifikant zu beschleunigen und gleichzeitig die Herstellungskosten zu reduzieren. In der Zusammenarbeit sollen dabei neue digitale Prozessketten sowie skalierbare und robuste AM-Prozesse entstehen. Zudem werden die entsprechende Systemtechnik und Automatisierung entwickelt und die Palette an verarbeitbaren Werkstoffen wird erweitert.

In einem gemeinsamen »Virtual Lab« entwickeln die futureAM-Partner Demonstrator-Bauteile, die die Praxistauglichkeit und das Potential der entwickelten Technologien zeigen sollen. Reale Systeme und Prozesse werden dazu digital abgebildet und mittels Simulationstools optimiert – so können etwa Vorhersagen besser getroffen oder Fehler schneller erkannt und behoben werden.

Die Projektstruktur umfasst vier Handlungsfelder, durch die der technologische Vorsprung gesichert werden soll: 

• Industrie 4.0 und digitale Prozessketten
• Skalierbare und robuste AM-Prozesse
• Werkstoffe
• Systemtechnik und Automatisierung

Das Fraunhofer ILT in Aachen, das das Leitprojekt mit einer Laufzeit von drei Jahren koordiniert, ist federführend im zweiten Handlungsfeld. Die Aachener Wissenschaftler entwickeln robuste additive Fertigungsverfahren sowie neuartige Anlagenkonzepte mit großen Bauräumen für eine Steigerung der Prozess-Skalierbarkeit.

In dem Projekt soll erstmals ein hochentropischer Werkstoff für den Einsatz in hochbelasteten Umformwerkzeugen entwickelt werden. Ausgangspunkt sind Al_xCoCrFeNi-Legierungen, die auf legierungs- und prozesstechnischen Wegen optimiert werden sollen, so dass ein hochfester Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und exzellentem Verschleißverhalten entsteht. Als Fertigungstechnologien sollen die laserbasierten additiven Verfahren (Laser Additive Manufacturing, LAM) des pulverbett-basierten Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und des pulverdüse-basierten Laser Metal Deposition (LMD) eingesetzt werden. Mittels LAM können Werkzeugeinsätze konturnah und damit materialeffizient auf ein Substrat stoffschlüssig aufgebracht werden. Neben einer umfangreichen Analyse und Werkstoffprüfung der Legierungskonzepte erfolgt auch eine Praxiserprobung. Am Ende der Entwicklung soll erstmalig ein Demonstratorwerkzeug aus einem hochentropischen Werkstoff stehen, das im Feldversuch getestet wird und wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Eignung hochentropischer Werkstoffe für Werkzeuge liefern wird.

Die Herstellung von Großbauteilen, z.B. für Hydraulikkomponenten oder Bergbauzylinder, erfordert hohe Ressourcen und Kosten. Ökologische und ökonomische Aspekte erfordern somit eine längere Nutzungsdauer dieser Bauteile. Verschleiß und Korrosion verkürzen jedoch ihre Lebensdauer erheblich. Bisher wurden diese Bauteile mit metallischen Beschichtungen geschützt, die ökologische und technologische Nachteile aufweisen. Das Laser Material Deposition (LMD) Verfahren ermöglicht die Herstellung von metallisch dichten Schichten ohne umweltschädliche Chemikalien und Lärmemissionen. Dennoch wird aufgrund des Bedarfs an Expertenwissen und der geringen Produktivität im Verhältnis zu den Investitionskosten das LMD bisher nur begrenzt eingesetzt.

In dem Projekt HIP-LMD (High-power LMD) wird ein prädiktives Simulationsmodell entwickelt, um Prozessparameter und Schichtgeometrie vorherzusagen. Das Modell berücksichtigt Faktoren wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Die Daten für das Modell werden durch Experimente und Simulationen generiert. Das Modell identifiziert Ursache-Wirkungs-Beziehungen des LMD-Prozesses und überführt berechnete Prozessparameter in ein maschinenlesbares Format. Eine zerstörungsfreie Ultraschallmikroskopie-Prüfmethode qualifiziert die Schichten auf Poren und Bindefehler.

Das entwickelte Modell ermöglicht eine skalierbare Produktivität, um metallische Schichten mit einer Dicke von 500 μm und Beschichtungsraten von über 1 m²/h herzustellen. Dieser Ansatz ermöglicht eine "First-Time-Right" Produktion unabhängig von der Bedienererfahrung. Das System kann leicht in bestehende Produktionsumgebungen integriert werden und eröffnet Anwendungsmöglichkeiten für KMUs. Durch die Bereitstellung dieser umweltfreundlichen Technologie für den breiten Markt wird das Projekt dazu beitragen, Energie zu sparen und die Emission von Treibhausgasen zu verringern, da es Dienstleistern ermöglicht, die Lebensdauer von Komponenten in Massenmärkten zu verlängern.

Das Ziel des Projekts HoLiB ist die Produktivitätssteigerung in der Zellherstellung von LiB durch eine konsequente Integration bahngebundener, rotativer Verarbeitungsprozesse. Dazu werden der Batteriebranche derzeit fremde Fertigungsprinzipien auf die Anforderungen von LiB adaptiert und zu einem neuartigen Gesamtprozess der Zellherstellung kombiniert. Aus diesem übergeordneten Ziel leiten sich die nachfolgend genannten wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele für dieses Teilvorhaben ab, die im Projekt experimentell nachgewiesen und prozess- und systemtechnisch umgesetzt werden.

Das Gesamtprojekt sieht die Entwicklung eines Stapelrades zum Ablegen der Elektroden vor. Die angestrebte Taktzeit beträgt 0,1s. Die einzelnen Elektroden erfordern eine elektrische Kontaktierung, welche in diesem Teilvorhaben mittels Laserstrahlschweißen durchgeführt wird. Dafür werden zwei verschiedene Ansätze zur Kontaktierung verfolgt, um die im Stapelprozess erreichte Lage zu sichern und gleichzeitig eine Kontaktierung unter Hochgeschwindigkeit zu erreichen. Zum einen sollen die einzelnen Folien gleich bei der Ablage an die vorhergehende angeschweißt werden. Zum anderen werden die Folien nur geheftet und in einem nachfolgenden Schritt vollständig mit dem Zellableiter verschweißt. Zur Verbindung der Aluminium und Kupfer Folien werden Strahlquellen mit verschiedenen Wellenlängen eingesetzt, um den die Absorptionseigenschaften der Werkstoffe für einen effizienten Schweißprozess zu nutzen. Ergebnis des Teilvorhabens ist somit die Bereitstellung von Prozessparametern und Konzepten für die Umsetzung der Laserschweißkontaktierung in einer Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinie.

Zusammengefasst werden im Rahmen des Teilvorhabens die folgenden Ziele verfolgt:

• Realisierung eines Heftkonzeptes der einzelnen Folien in Bezug auf Geschwindigkeit (Taktzeit < 0,1 s) und Handhabbarkeit
• Entwicklung einer positionshaltenden Andruckvorrichtung für die Ableiterfahnen zur Generierung eines Nullspalts
• Entwicklung eines Laserstrahl-Mikroschweißprozesses der Elektrodenfolien mit einer geringen Nahtoberflächenrauheit (Ra < 0,5 µm und Rmax < 30 µm)
• Integrierung einer Prozesskontrolle und Prozesssicherung zur Aufnahme der rückreflektierten Strahlung, des Plasmaleuchtens und der thermischen Strahlung

Projektpartner sind, neben dem Fraunhofer ILT,  das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik als Projektkoordinator und das Institut für Füge- und Schweißtechnik, beide TU Braunschweig, sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin.

Die Multiphotonenpolymerisation (MPP) erlaubt die Herstellung von präzisen Bauteilen mit einer Auflösung < 1 µm durch Photovernetzung. Bedingt  durch die hohe Auflösung sind die Bauraten aber so klein, dass eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen kaum möglich ist. 

Durch Kombination von MPP mit einem Projektionsverfahren zur Vernetzung großer Flächen (DLP) kann die Baurate für ein typisches Mikrofluidikbauteil so gesteigert werden, dass wirtschaftliche Lösungen möglich werden.

Durch die Entwicklung einer neuartigen laserbasierten Verbindungstechnik, bei der durch eine mikro- und nanoskalige Laserstrukturierung eine Oberflächenmodifikation von Glaskomponenten erzeugt wird, lassen sich durch nachfolgendes Laserdurchstrahlschweißen oder Hinterspritzen mittels thermoplastischen Kunststoffen hochfeste und temperaturwechselbeständige Kunststoff-Glas-Verbunde herstellen.  Durch die neue Füge- und Montagetechnik werden Prozessketten signifikant verkürzt, Zusatzwerkstoffe und Prozessschritte eliminiert und die Designmöglichkeiten für Funktionsbauteile erweitert.

Generative Fertigungsverfahren bieten das Potenzial, die industrielle Produktion flexibler zu gestalten und zu vernetzen Kunden und Geschäftspartner stärker in den Produktionsprozess einzubinden. Mit additiven Laser- oder Elektronenstrahlverfahren lassen sich selbst sehr komplexe Strukturen ohne großen Mehraufwand herstellen. Dies öffnet die Tür zu einer Massenfertigung individualisierter Produkte. Doch die Fertigungsprozesse für additiv gefertigte Bauteile sind noch sehr zeitintensiv und kostspielig, da die einzelnen Prozessschritte größtenteils isoliert voneinander ablaufen und mit vielen manuellen Eingriffen verbunden sind. Die Verknüpfung der Prozessschritte bei der additiven Fertigung birgt deshalb großes Potenzial zur Einsparung von Zeit und Fertigungskosten.

Generative Fertigungsverfahren bieten das Potenzial, die industrielle Produktion flexibler zu gestalten und zu vernetzen Kunden und Geschäftspartner stärker in den Produktionsprozess einzubinden. Mit additiven Laser- oder Elektronenstrahlverfahren lassen sich selbst sehr komplexe Strukturen ohne großen Mehraufwand herstellen. Dies öffnet die Tür zu einer Massenfertigung individualisierter Produkte. Doch die Fertigungsprozesse für additiv gefertigte Bauteile sind noch sehr zeitintensiv und kostspielig, da die einzelnen Prozessschritte größtenteils isoliert voneinander ablaufen und mit vielen manuellen Eingriffen verbunden sind. Die Verknüpfung der Prozessschritte bei der additiven Fertigung birgt deshalb großes Potenzial zur Einsparung von Zeit und Fertigungskosten.

Ziel von »INSPIRE« ist eine absolut messende interferometrischen Abstandssensorik, die gleichzeitig makroskopische und mikroskopische geometrische Werkstückeigenschaften von metallischen Halbzeugen direkt im Fertigungsprozess detektiert.

i-Recycle ist an das ADIR-Projekt angekoppelt. In ADIR werden neue Wege bei der Gewinnung seltener Rohstoffe erforscht.Da diese Rohstoffe vor allen Dingen in elektronischen Geräten verwendet werden, werden im Rahmen von i-Recycle gebrauchte dienstliche Mobiltelefone der Mitarbeiter der Fraunhofer-Institute und der Fraunhofer-Zentralverwaltung gesammelt, um die in ADIR erforschten Technologien in praktischen Versuchsreihen testen zu können.

Die Fertigung von Hochleistungsbauteilen gelingt zunehmend durch Kombination verschiedenster Werkstoffe in Form von Multimaterialien und Hybridwerkstoffe. Geeignete Fügetechnologien sind dabei oftmals der Schlüssel zum Erfolg, denn der Einsatz neuer innovativer Werkstoffe scheitert häufig an mangelnden Möglichkeiten zur Herstellung einer zuverlässigen Fügeverbindung besonders zwischen artfremden Werkstoffen. Hierzu zählen Keramiken (z.B. SiC) sowie Metalle und Leichtmetalle (z.B. Al, Cu, Ti). Mit speziellen Aktivloten bei Temperaturen ab 850°C gelingt es im Vakuum oder Schutzgas, Werkstoffe mit schwer benetzbaren Oberflächen mit einer metallischen Schicht zu versehen. Die Erwärmung der kompletten Bauteile führt jedoch oft zu hohen Spannungen und damit Rissbildung. In LaMeta wird das Ziel gesetzt, Lote aus Suspensionen mit Mikropartikeln zu entwickeln, die eine um bis zu 50% geringere Metallisierungstemperatur aufweisen als bisherige, und diese auf Bauteile lokal dort aufzutragen, wo eine Metallisierung nötig ist. Anschließend wird die Suspension mit Laserstrahlung selektiv erhitzt, sodass eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Grundwerkstoff als dünne Metallisierungsschicht entsteht. In weiteren Schritten kann so konventionelles Fügen spannungsarm durchgeführt werden.

Durch die im Forschungsvorhaben zu entwickelnde Systemtechnik soll die effiziente Herstellung von Druck- und Prägewalzen mit einer Strukturauflösung von unter 1 µm ermöglicht werden. Mithilfe solcher laserstrukturierten Walzen soll die Grundlage für die Massenproduktion gedruckter Elektronik im Rolle-zu-Rolle-Verfahren geschaffen werden. Zur Realisierung größtmöglicher Präzision und Strukturauflösung wird eine ultrakurz gepulste UV-Laserstrahlquelle eingesetzt, während die Effizienz über einen Multistrahlaufbau gesteigert werden soll.

Eine starke Fokussierung des Laserstrahls führt jedoch zu einer sehr geringen Tiefenschärfe im Mikrometerbereich. Dies ist insofern problematisch, da der Rundlauf eines Zylinders während des Strukturierungssprozesses nicht beliebig präzise eingestellt werden kann und extrem hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden. Innovative Lösungsansätze zur Vergrößerung der Tiefenschärfe oder zur Regelung der Fokuslage müssen daher im Rahmen des Projektes evaluiert werden.

LEMON wird ein neues, vielseitiges DIAL-Sensorkonzept (Differential Absorption Lidar) zur Messung von Treibhausgasen und Wasserdampf aus dem Weltraum zur Verfügung stellen.

Auf der Klimakonferenz in Paris im Dezember 2015 wurden Klima-Warngrenzen diskutiert und vereinbart. In diesem Zusammenhang wurde der Bedarf an einem europäischen satellitengestützten Beobachtungssystem zur Überwachung der CO₂-Emissionen auf globaler, europäischer und länderspezifischer Ebene ermittelt, wie im Kopernikus-Bericht »Towards European operational observing system monitor fossil CO₂ emissions« festgehalten.

Neue Raumfahrtmissionen für die Messung von CO₂ und/oder CH₄ werden nun geplant (OCO, IASI-NG, MicroCarb, MERLIN,...) oder sind bereits im Einsatz (GOSAT, AIRS, IASI,...). Angesichts der technischen Herausforderungen basieren sie bisher hauptsächlich auf passiven Instrumenten (hochauflösenden Spektrometern). Derzeit ist in Europa die Lidar-basierte Mission MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission) in Entwicklung, im Rahmen derer die Methangaskonzentration der Atmosphäre vermessen und kartiert werden soll.

Das Hauptziel von LEMON ist es, ein vielseitiges Instrument zu entwickeln, das in der Lage ist, CO₂, CH₄ sowie Wasserdampf-Isotope (H₂¹⁶O und HDO) mit einem einzigen Laseremitter zu erfassen.

Die Partner des Konsortiums sind ONERA (FR), Fraunhofer (DE), CNRS (FR), KTH (SE), SpaceTech (DE), UiB (NO), InnoLas (DE) und L-UP (FR). Sie verfügen über umfassende Expertise im Bereich der Erdbeobachtungstechnologien – von Empfänger-Technologien über die Datenerfassung und die Gerätesteuerung bis hin zu vielseitig einsetzbaren Sendern – und sind daher in der Lage, die anvisierten Vorteile vollständig zu erforschen, zu verstehen und zu validieren. Das Konsortium visiert an, Demonstrationen für alle technischen Level der Instrumente aufzubauen und durchzuführen, um die Projektergebnisse zu präsentieren. Dazu gehören der Instrumentenaufbau, die TRL6-Gerätevalidierung, flugzeuggestützte Demonstrationen und Messungen von CO₂, CH₄ und H₂O-Isotopen sowie Roadmaps und Vorversuche zum Weltraumbetrieb.

Die Fördersumme der Europäischen Kommission für das gesamte LEMON-Konsortium beträgt 3 374 725 €. Das Projekt wird innerhalb von 48 Monaten durchgeführt.

Wenn es in der industriellen Fertigung um Ressourcen- und Energieeffizienz geht, spielen sie eine entscheidende Rolle: innovative Werkstoffe machen Produktionsprozesse wirtschaftlicher, robuster oder umweltfreundlicher. Ziel des vom BMBF geförderten Projekts LextrA ist die Entwicklung von additiven Verarbeitungstechnologien für spezielle intermetallische Legierungen (z. B. Molybdän- und Vanadiumsilizide sowie Eisenaluminide), die sich für Hochtemperaturanwendungen in Luft- und Raumfahrt, in der Energieerzeugung oder im Werkzeugbau eignen. Zum Einsatz kommen dabei etwa das Pulverdüse-basierte Laser Material Deposition (LMD) und das Pulverbett-basierte Selective Laser Melting (SLM), auch bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF). Die Projektpartner haben bereits Mo-Si-B-Legierungen für den Turbinenbau, die sich für den Betrieb bei hohen Heißgastemperaturen eignen und Wirkungsgrad sowie Effizienz bestehender Turbinen deutlich steigern können, erfolgreich in Pulverform hergestellt und verarbeitet. Durch das Vorhaben wird mit erfolgreicher Entwicklung der additiven Prozesse die Herstellung gerichtet erstarrter, defektarmer Strukturen und damit insgesamt größere Flexibilität bei der Bauteilkonstruktion im Vergleich zu etablierten Fertigungstechniken ermöglicht.

Neben dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT sind an LextrA beteiligt:

• Siemens AG, Berlin
• NANOVAL GmbH & Co. KG, Berlin
  
• Institut für Korrosions- und Schadensanalyse, Magdeburg
• Dr. Kochanek Entwicklungsgesellschaft, Neustadt a.d. Weinstraße
• citim Oerlikon
• Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik

Im BMBF-geförderten Projekt MeKuMed entwickeln sieben Partner aus Industrie und Wissenschaft eine verkürzte und automatisierte Fertigungskette für hybride Medizintechnikprodukte. Durch die Kombination von Technologien aus der Laser- und Kunststoffbearbeitung und die Zusammenlegung herkömmlicher Prozessschritte lassen sich Produktionszeiten verkürzen und Produktqualitäten gleichzeitig verbessern.

Anhand der effizienten Herstellung von pharmazeutischen Bördelkappen werden die Projektpartner das Potential der neuen Fertigungskette demonstrieren, bei der u. a. die laserbasierte Mikrostrukturierung von Aluminium zum Einsatz kommt. Durch Hinterspritzen werden nach der Laserbearbeitung formschlüssige Kunststoff-Metall Verbindungen erzeugt.

Ziel des Vorhabens MultiPROmobil ist die Erforschung einer integrierten Fertigungs- und Systemtechnik, mit der ohne Wechsel der Fertigungsausrüstung bionisch basierte Leichtbaustrukturen mit mehreren Fertigungsverfahren in einer einzigen Vorrichtung effizient hergestellt werden können. Dazu soll eine flexible und rekonfigurierbare Laserrobotertechnologie für das integrierte Schneiden, Schweißen und Generieren mit einem Bearbeitungskopf erforscht und demonstriert werden. Diese integrierte Prozesskette soll die Anbieter und Anwender der von KMUs geprägten Laserbranche in NRW maßgeblich stärken und insbesondere der aufstrebenden E-Mobil-Produktion in NRW nachhaltige Agilität verschaffen.

Im Verbundprojekt NADEA, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, haben Projektpartner aus Wissenschaft und Industrie NADEA^AM entwickelt, eine kobaltfreie hochentropische Legierung für das Laserauftragschweißen (auch Laser Material Deposition, LMD). Durch die Widmanstätten-Mikrostruktur ist es ein Duplex-Werkstoff, der sich besonders für den Einsatz in korrosiven Umgebungen eignet, wo hohe Festigkeit und Verschleißresistenz erforderlich sind.

Die Mikrostruktur besteht aus Austenit (fcc) und Ferrit (bcc), jedoch ist im Gegensatz zu Duplex-Stählen der größte Teil der bcc-Phase geordnet (bcc-B2). Das Verhältnis fcc:bcc kann durch Wärmebehandlung in einem Bereich von 55:45 bis 65:35 eingestellt werden.

Die rissfreie Verarbeitung von NADEA^AM zu einem endkonturnahen Bauteil mit einer Dichte > 99,5 % wurde im Verbundprojekt NADEA am Fraunhofer ILT erreicht. Untersuchungen des Projektpartners Access e.V. zeigen, dass nach Lösungsglühen und Auslagern ein superfeines fcc-bcc-Duplex-Gefüge mit einer Festigkeit Rp0,2 von 600 MPa erreicht wird. Die Zugfestigkeit Rm beträgt 1100 MPa bei einer Gesamtdehnung von 27 %. Ein vergleichbarer Duplexstahl erreicht Rm ≈ 900 MPa im Zugversuch mit Rp0,2 ≈ 640 MPa und A ≈ 20 %.

Links:

• NADEA Präsentation
• Wissenschaftliches Paper
  

Das Ziel von NeuGenWälz ist die generative Fertigung von Wälzlagern mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Hierzu ist eine ganzheitliche und aufeinander abgestimmte Entwicklung von Werkstoff und LPBF-Anlagentechnik erforderlich. Die zentrale Herausforderung liegt hierbei in der Entwicklung eines Werkstoffs, der sowohl die Anforderungen des Wälzlagers erfüllt (große Härte, um der mechanischen Belastung standzuhalten) und gleichzeitig mittels LPBF rissfrei verarbeitet werden kann. Die rissfreie Verarbeitung soll durch Verwendung einer Hochtemperaturvorheizung von ca. 500 °C unterstützt werden.

NRW ist in den Bereichen der Entwicklung von Grundlagen, Zellkonzepten und Batteriesystemtechnik für die aktuellen Generationen von Lithium-Ionen-Batterien bereits gut aufgestellt. Entscheidende Verbesserungen und Innovationen in der Batterietechnologie werden in Zukunft besonders auf der Batteriezellebene durch den Einsatz von neuen Materialien und Konzepten stattfinden. Mit dem hier geplanten Investitionsprojekt soll die bereits vorhandene Infrastruktur so ergänzt und ausgebaut werden, dass insbesondere die Unternehmen in NRW für die Entwicklung von Batteriematerialien und Batteriesystemen der nächsten Generation eine optimale Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur vorfinden. Die Beteiligung aller führenden Batterieforschungsinstitute aus NRW stellt dabei die Abdeckung aller wesentlicher Batterie-Kompetenzen sowie Batterieentwicklungs- und Batterieproduktionsinfrastrukturen für Batterien der nächsten Generationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Materialsynthese bis zum Recycling sicher und ermöglicht somit die Entwicklung sowie vollständige Erprobung neuer Batteriezellgenerationen.

Alle Investitionen haben das Ziel, Industrieunternehmen in NRW bei ihren Entwicklungsarbeiten direkt durch die gezielte Generation von Erkenntnissen und Know-How als verwertbare IP zu unterstützen. Die neuen Generationen von Batteriezellen, welche als Schlüsselkomponente für die Elektromobilität und stationäre Energieversorgung gelten, sollen so schneller in die gesamte Wertschöpfungskette integriert werden können. Damit wird Unternehmen in NRW ein zeitlicher Vorsprung verschafft, um eine lückenlose Besetzung der zukünftigen Wertschöpfungskette zu erreichen. Produktions- und Recyclingtechniken sollen parallel mit der eigentlichen Materialerprobung entwickelt werden, denn nur so kann es gelingen mit neuen Materialien die Dominanz der asiatischen Batteriehersteller zu durchbrechen.

Das Projekt wird in Kooperation mit der RWTH Aachen University und dem Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Die Gesamtkoordination wird vom Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) übernommen. 

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

POX ist ein ZIM-FuE-Projekt zwischen einem KMU, der xolo GmbH und zwei Forschungspartnern, dem Fraunhofer ILT und dem Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme (TOS) der RWTH Aachen. In diesem Projekt soll das von der xolo GmbH entwickelte volumetrische 3D-Druck-Verfahren der xolographie weiterentwickelt werden. Das Ziel ist die Herstellung polymerer Prototypoptiken und durch den volumetrischen Ansatz sollen Aufbauraten zwischen 500 und 1000 mm/h erreicht werden. Am Fraunhofer ILT wird hierbei die Monomerbasis der verwendeten Photoharze entwickelt, mit dem besonderen Ziel, eine stützstrukturfreie Fertigung möglich zu machen. Am Lehrstuhl TOS sollen vor allem optische Komponenten der Anlage weiterentwickelt werden, um eine möglichst hohe und auch homogene Auflösung des Prozesses zu gewährleisten. Die Entwicklungen laufen bei der xolo GmbH zusammen und werden ergänzt um eine Weiterentwicklung des speziellen xolocure-Photoinitiatorsystems, das entscheidenden Einfluss auf Prozessgeschwindigkeit, Auflösung und Bauteileigenschaften hat. 

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.

The laser welding of polymers became over the last decade a strong competitor for the conventional joining technologies and significantly raised the industrial interest for this technique. Main factors contributing to the successful evolution of the laser welding of polymers lay within the process related benefits such as: contactless processing, high flexibility in time and product, high automation degree and precisely controlled and localized energy input.

Bauteile und daraus entstehende Produkte werden zunehmend komplexer und individueller. Unternehmen müssen den Zeitraum, den ein neues Produkt von der Idee bis zur Auslieferung benötigt, auch zukünftig weiter verkürzen, um erfolgreich am Markt bestehen zu können. Etablierte Fertigungsverfahren kommen hier teilweise an ihre Grenzen. Die additive Fertigung verspricht erhebliche Zeiteinsparungen und Prozessinnovationen für die Wertschöpfung in produzierenden Unternehmen sowie die Realisierung vollkommen neuer Produkteigenschaften. Produkt-, Prozess- und Werkstoffdaten zu additiven Fertigungsprozessen sowie innovative Materialien und neuartige Produktionsausrüstungen müssen dazu frühzeitig in der Produktentstehung zur Verfügung gestellt werden.

Im Rahmen des Verbundprojekts REMULAN entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern aus der Industrie ein laserbasiertes Beschichtungsverfahren zur Herstellung Sol-Gel-basierter Anti-Haft-Schichten und die dafür notwendigen Materialien. Das Verfahren soll zur nachhaltigen Reduzierung des Materialeinsatzes, des Energieverbrauchs und der damit verbundenen klimaschädlichen Emissionen sowohl in der Herstellung als auch in der Anwendung von mit Anti-Haft-Schichten versehenen Maschinenkomponenten führen.

Im Rahmen des Verbundprojektes ScanCut wird ein hybrides Fertigungsverfahren zum hochpräzisen Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt. Hierzu wird eine Wendelstrahloptik mit einem Multistrahlmodul kombiniert. Die Laserstrahlleistung stellt eine Hochleistungs-UKP-Strahlquelle zur Verfügung.

ScanCut ist ein gemeinschaftliches Vorhaben der Unternehmen KOSTAL Kontakt Systeme GmbH Lüdenscheid, des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Aachen, der Pulsar Photonics GmbH Herzogenrath und der Amphos GmbH Herzogenrath.

Bei der konventionellen Verarbeitung von Werkzeugstählen mittels dem additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) neigen diese aufgrund innerer Spannungen (Analogie zum Schweißen) zur Rissbildung. Dies gilt insbesondere für hochlegierte, karbidhaltige, abrasionsbeständige Werkzeugstähle. Durch Anpassungen von Verfahrensprozessparametern wie der Vorheiztemperatur oder der Scanstrategie kann die Rissbildung bei kleinen simplen Bauteilen noch vermieden werden. Mit der Bauteilgröße und ‑komplexität steigt jedoch die Höhe der inneren Spannungen, womit technisch relevante Werkzeuge aus Werkzeugstählen gegenwärtig nicht mittels LPBF hergestellt werden können. Ein nachgeschaltetes Heißisostatisches Nachverdichten (HIP) reduziert zwar Poren und innere Mikrorisse, jedoch keine makroskopischen Risse.

In diesem Vorhaben sollen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie für zwei modifizierte Schnellarbeitsstähle der Nachweis erbracht werden, dass diese mit LPBF rissfrei zu Bauteilen verarbeitet werden können. Das Ziel ist hierbei die Erarbeitung einer angepassten LPBF-Prozessführung für komplexe Strukturen und der Nachbearbeitungs-Prozesskette „Heißisostatisches Nachverdichten (HIP) – Zerspanung – Vergütung“ sowie der Nachweis einer hohen Schwing-, Wälz- und abrasiven Verschleißbeständigkeit. Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung komplexer Bauteile mittels LPBF und HIP-Vergütung sowie die Angaben mechanischer Kennwerte in Datenblättern sollen KMU dazu befähigen, die LPBF-Verarbeitung von Schnellarbeitsstählen in ihren eigenen Geschäftsbereichen mit minimalen betriebswirtschaftlichen Risiken zu integrieren.

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.

Mikroplastik gelangt tagtäglich in unser Abwasser und in die Umwelt. Kläranlagen sind bislang kaum in der Lage Mikroplastik im Abwasser ausreichend zu reduzieren. Aus diesem Grund fokussieren sich die SimConDrill-Projektpartner auf die Entwicklung eines serienreifen Filters, der die Filtration von Mikroplastikpartikeln bis 0,01mm (dies entspricht ca. der Dicke von Küchenalufolie) auf Basis des patentierten Zyklonfilters ermöglicht. Durch seine spezielle Technik ist dieser verstopfungs- und wartungsfrei und kein Wegwerffilter. Nach erfolgreichem Aufbau wird der Zyklonfilter in einer Kläranlage an realem Abwasser getestet.

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.

Im Forschungsvorhaben »TaCoMA« werden die Grundlagen zur Herstellung additiv gefertigter Fräswerkzeuggrundkörper systematisch erforscht. Die übergeordneten Projektziele sind die Herstellung verbesserter Fräswerkzeuge aus einem maßgeschneiderten bainitischen Stahl mittels dem additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) sowie die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien zur Umsetzung in der Industrie. In jüngsten Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass durch die zielgerichtete Kühlschmierstoffzufuhr die Produktivität von Walzenstirnfräsern um 50 Prozent gesteigert werden kann. Jedoch ist die Fertigung der dafür notwendigen komplexen Kühlkanäle zeit- und kostenintensiv.

Die zentrale Innovation des Vorhabens besteht neben der Qualifizierung eines neuen Werkstoffs darin, die erhöhten Freiheitsgrade der additiven Fertigung für die Herstellung leistungsfähiger Fräswerkzeuge nutzbar zu machen. In zerspantechnologischen Untersuchungen wird die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge validiert.

Zur Auslegung additiv gefertigter Zerspanwerkzeuge werden allgemein anwendbare Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung und Nachbearbeitung entwickelt. Außerdem steht die Qualifizierung eines bainitischen Werkstoffs für die additive Fertigung von Werkzeuggrundkörpern im Vordergrund, welche durch die im Vorhaben erarbeiteten Methoden auf die Qualifizierung weiterer Stähle übertragbar ist.

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.

Ziel des DBU-Projekts 3KLANK ist die Bereitstellung eines robusten, effizienten und flexiblen Vorbehandlungsverfahrens für Faserverbundmaterialien, welches im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Im Projekt entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit der cleanLASER GmbH ein industrietaugliches Funktionsmuster eines frequenzkonvertierten, fasergekoppelten Lasersystems mit einer Emissionswellenlänge von 3 µm. Dieses ermöglicht die Reinigung von Faserverbundwerkstoffoberflächen durch einen schonenden und gezielten Laserabtrag der Kunststoffmatrix ohne die für die Materialfestigkeit wichtigen Fasern zu schädigen. Durch die angepasste Wellenlänge und die Faserführung ermöglicht das System einen hohen Automatisierungsgrad des Gesamtprozesses. Weiterhin stellt die neu entwickelte Strahlquelle die Basis für die vom Fraunhofer IFAM im Projekt durchgeführte Entwicklung und Optimierung neuer Prozesse zur Laservorbehandlung von Oberflächen zur Optimierung von Lackier- und Klebprozessen von Faserverbundmaterialien dar.

Im Rahmen des Klimawandels und der Energiewende steigt das Interesse an der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. Entscheidend dafür ist die gesamte Kette von der Erzeugung, der Speicherung und Verteilung bis zur Rückwandlung in Nutzenergie durch unterschiedliche Technologien. Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf Basis von oxidkeramischen Werkstoffen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) zeigen den besten Wirkungsgrad aller zur Verfügung stehenden Brennstoffzellen. Allerdings unterliegt diese Technologie heute noch Einschränkungen, wie z.B. unzureichender Zyklenfestigkeit, langer Startzeit und hohen Fertigungskosten. Dadurch ist ihre Verbreitung limitiert. Im Rahmen des Vorhabens des Zentrums für Brennstoffzellentechnik (ZBT), des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 der RWTH Aachen (IWE) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) sollen wesentliche Grundlagen geschaffen werden, um diese Restriktionen zu beseitigen. Durch Nutzung eines Dünnschicht-Protonenleiters als Elektrolytmaterial soll die Zyklenfestigkeit im Vergleich zum Stand der Technik signifikant gesteigert werden. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung leistungsfähiger Materialsysteme sowie geeigneter Produktionsverfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) für die nächste Generation der SOFC. Materialien und Produktionsverfahren sollen dabei mit besonderem Fokus auf Inline-Fähigkeit und Skalierbarkeit ausgelegt werden, um eine zielgerichtete, massenproduktionstaugliche Produktion durch KMUs zu gewährleisten. Angesprochen werden vor allem Unternehmen, die unter Nutzung neuer Materialien und moderner Verfahrenstechnik maßgeblich an der zukunftsfähigen Technik „Brennstoffzelle“ teilhaben können: Materialherstellung, Skalierung der Präkursorensynthese, Herstellung der porösen Metallträger, Depositionstechnik, Sonderanlagenbau, Laser- und Prozessüberwachungstechnik, und Lasersystemintegratoren.

Die deutsche Leuchtenindustrie steht heute in einem globalen Wettbewerb und verlangt deshalb nach Technologien, mit denen sich Leuchtpaneele ressourcen- und kosteneffizienter als bisher herstellen lassen. Im Projekt »KonFutius« wird gemeinsam mit sechs Partnern eine neue Paneelleuchte entwickelt, in der Faserverbundkunststoffe und elektronische Komponenten integriert werden. Die Leuchte verbraucht im Vergleich zu konventionellen Halogenlampen nicht nur weniger Energie, auch die Herstellungskosten sind bis zu 60 Prozent geringer.