Laufende Verbundprojekte

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.

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. 

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

Maßgeschneiderte Lasertechnik für den Einsatz im Orbit

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt seit vielen Jahren Technologien für raumfahrttaugliche Laser. Eine besondere Aufgabe liegt in der Entwicklung eines Lasersystems für die satellitengetragene Messung klimarelevanten Methans. Im Rahmen der deutsch-französischen Klimaforschungsmission »MERLIN« soll dazu ein Licht-Radar (LIDAR) eingesetzt werden, das mittels Laserpulsen die Konzentration des Methans in der Atmosphäre misst und dabei, anders als bisher, unabhängig von Sonnenlicht ist. Die Anforderungen an das Lasersystem sind hoch. Es muss trotz hoher Vibrationslasten und Temperaturschwankungen über Jahre wartungsfrei im All arbeiten. Hierzu entwickelten unsere Wissenschaftler im Rahmen des Projektes »Optomech II/III« (gefördert durch BMWi) eine neue optomechanische Aufbaumethode. So können notwendige Komponenten präzise und stabil in die LIDAR-Laserstrahlquelle integriert werden. Diese basiert auf einer Technologieplattform, die innerhalb des »FULAS« Projektes (gefördert durch ESA) entwickelt wurde. Erste Thermaltests unter realistischen MERLIN-Bedingungen hat das System erfolgreich abgeschlossen. Der Start der MERLIN-Mission ist für 2021 geplant. Der deutsche Teil des MERLIN-Projektes wird durch das BMWi gefördert.

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.

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 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.

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.

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.

Der BMBF-Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) ist die Keimzelle des Clusters Photonik auf dem RWTH Aachen Campus. Das Cluster Photonik, eines von sechs Startclustern auf dem RWTH Aachen Campus, ist spezialisiert auf die Erforschung und Entwicklung von Verfahren zu Erzeugung, Formung und Nutzung von Licht, insbesondere als Werkzeug für die industrielle Produktion.

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 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 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.

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.

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.

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

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.

LASHARE ist ein Projekt an dem mehr als 30 Klein- und Mittelständische Unternehmen aus ganz Europa, Industriepartner und sechs der bekanntesten Laserforschungseinrichtungen beteiligt sind. LASHARE wird durch das Fraunhofer ILT koordiniert und im Rahmen des »Seventh Framework Programme« der Europäischen Union unter dem Kennzeichen 609046 gefördert.

Das Hauptziel besteht in einem Wissensaustausch im Bereich der laserbasierten Fertigung und dessen Nutzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Als wichtiger Erfolgsfaktor für die europäische Fertigung steht der Transfer von innovativen Lösungen vom Labor in industriell robuste Produkte und deren Verbreitung im Mittelpunkt des Projekts.

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.

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.