Laufende Verbundprojekte

Mit dem Fokusprojekt 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 Fokusprojekt 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.

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

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

»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.

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

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

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.

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.

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.

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.
 

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.

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.

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.

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.