SAB-Projekte

Der Freistaat Sachsen und die Europäische Union fördern gemeinsam Forschungsvorhaben von sächsischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Um die Innovationskraft der sächsischen Wirtschaft zu stärken, stehen den hiesigen Firmen und Forschungseinrichtungen zahlreiche unterschiedliche Förderinstrumente zur Verfügung.

In verschiedensten SAB-Projekten konnte das Fraunhofer IWS bereits sein fundiertes Know-How, innovative auf das Projekt abgestimmte Lösungen und langjährige Erfahrungen im Projektmanagement einbringen.

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus
Förderkennzeichen: 100688418
Laufzeit: 01.10.2023–30.09.2026

Abstract

Die Entwicklung moderner Flugzeugtriebwerke steht im Zusammenhang mit der Steigerung der Effizienz, indem ihre Komponenten immer anspruchsvolleren Betriebsbedingungen ausgesetzt werden. Zusätzlich werden immer strengere Anforderungen zur Verringerung der Gas- und Lärmemissionen gestellt. Die Erfüllung dieser Erwartungen hängt mit der kontinuierlichen Erhöhung der Gastemperatur am Turbineneintritt zusammen und erfordert moderne Werkstoffe mit erhöhter Beständigkeit unter Oxidations- und Hochtemperaturkorrosionsbedingungen. Die Verwendung von wasserstoffbasierten Kraftstoffen wird zu neuen Degradations-/Abbaumechanismen der Werkstoffe führen, die mit der Anwesenheit von Wasserdampf in den Abgasen zusammenhängen.

Das Ziel des TBC4H2 Projekts ist es, neue Erkenntnisse über das Hochtemperaturverhalten von Wärmedämmschichten (engl. Thermal Barrier Coatings, TBC) für Flugzeugtriebwerksturbinen zu gewinnen, die  über den Möglichkeiten der derzeit verwendeten Superlegierungen arbeiten sollen, einschließlich erhöhter Wasserdampfgehalte in der Atmosphäre. Das Projekt bildet mit seiner Interdisziplinarität aufgestellten und wissenschaftlich exzellenten Partnern die gesamten Wissens- und Wertschöpfungskette ab. 

Die Teilziele des Projekts sind:

• Entwicklung von Platin-reichen-Diffusionsschichten und thermisch gespritzten Nickel-basierten Haftschichten auf einkristallinen Nickel-Basis-Superlegierungen der 2. Generation 
• Entwicklung von thermisch gespritzten einlagigen keramischen Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid (YSZ) und multilagigen YSZ/GSZ (Gadoliniumzirkonat) Deckschichten mit niedriger Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung des Suspensionsspritzens und deren Vergleich zu den Referenz-Schichten
• Hochtemperaturoxidationstests in isothermen und thermo-zyklischen Bedingungen unter trockener Luft und wasserdampfhaltigen Atmosphären bei 1200 °C, die für die Wasserstoffverbrennung typisch sind
• Untersuchung der Schichtmikrostruktur und -haftung, Grenzflächenzonen mittels laserbasierter LASAT-Methode
• Entwicklung von numerischen Modellen und Zusammenhängen zwischen Schichtaufbau und deren Hochtemperaturverhalten
• Herstellung und Demonstration der neu entwickelten TBC Schichtsystemen auf Turbinenschaufeln.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben: 
Entwicklung einer optischen Hochvakuummesssonde für ein Partikelmesssystem in der Prozessüberwachung

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100687751
Laufzeit: 01.07.2023–30.06.2026

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Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus
Förderkennzeichen: 100688425
Laufzeit: 01.05.2023–30.06.2026

Abstract

Die saubere und kosteneffiziente Energiespeicherung ist eine der größten technologischen Herausforderungen für Europa in der nahen Zukunft. Es besteht ein dringender Bedarf an Hochleistungs-Energiespeichern, die über die derzeitige Lithium-Ionen-Batterie-Technologie hinausgehen. Lithium-Metall-Batterien haben sich als das vielversprechendste Konzept zur Verbesserung der Energiedichte und damit der autonomen Reichweite von Elektrofahrzeugen erwiesen. Folglich ist die Lithium-Metall-Anode eine Schlüsselkomponente für Batterien der nächsten Generation.

Zukünftige Zellchemien erfordern sehr dünne Lithiumschichten, die direkt auf Stromabnehmerfolien aufgebracht werden. Darüber hinaus haben die Oberflächeneigenschaften der Lithiumfilme einen starken Einfluss auf ihre Verarbeitbarkeit bei der Zellmontage und auf die Zellleistungsfähigkeit (Zykluslebensdauer und Leistungsvermögen). Bisher gibt es kein Konzept für die Verarbeitung von metallischen Lithiumanoden (Schichtabscheidung und Oberflächenbehandlung), welches einen technischen Weg zu einer großtechnischen Produktion bietet.

Ziel von LiMeCore ist die Entwicklung stabiler Lithium-Metall-Anoden mit skalierbaren Fertigungsverfahren. Erreicht werden soll dies durch Innovationen im Bereich der Grenzflächentechnik und der Oberflächenmodifikation unter Beteiligung eines interdisziplinären Konsortiums entlang der Prozess- und Wertschöpfungskette, von Materialinnovationen und In-situ-Charakterisierung über Prozessentwicklung und Upscaling bis hin zur Technologiedemonstration in Prototypzellen. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Technologien werden eine generische Plattform für die Verarbeitung von Lithium-Metall-Anoden bilden, die sowohl für Flüssig- als auch für Festkörperbatterien geeignet ist.

Das LiMeCore-Konsortium mit fünf Partnern aus Belgien, Taiwan und Deutschland ist perfekt aufgestellt, um diese ehrgeizigen Ziele durch Materialinnovation und -charakterisierung, Beschichtungsprozessentwicklung und Schnittstellenuntersuchung und Technologiedemonstration zu erreichen. Die beteiligten Partner sind bereits für ihre wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Li-Metallanoden bekannt und bieten gleichzeitig durch ihr bestehendes Patentportfolio (Patente auf Li-Schmelzabscheidung und Plasmabehandlung) und die Beteiligung der MPG als industrieller (KMU-)Partner einen Weg zur kommerziellen Verwertung. Bei Erfolg wird LiMeCore eine Antwort auf die wichtigsten Herausforderungen künftiger Energiespeicher geben und die Mitglieder des Konsortiums als wachsende und wettbewerbsfähige Innovationsmotoren mit technologischer Führerschaft made in Europe etablieren.

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Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100640833
Laufzeit: 01.09.2022–31.08.2025

Abstract

Die rasante weltweite industrielle Entwicklung, das Bevölkerungswachstum und der damit verbundene Transportbedarf in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und vor allem im Automobilbau haben einen sprunghaften Anstieg des Verbrauchs an fossilen Brennstoffen verursacht. Weltweit wird nach alternativen Energiequellen bzw. Speichermöglichkeiten, mit besonderem Schwerpunkt auf Kraftfahrzeuge, gesucht. Unter den verschiedenen alternativen Energiequellen sind Festkörper-Lithium-Batterien (all-solid-state-lithium-batteries - ASSLBs) eine vielversprechende Speichermöglichkeit, die sich durch wesentlich verbesserte Sicherheit (z. B. Brandfall), vereinfachtes Batteriezelldesign und sehr hohe gravimetrische Energiedichte auszeichnet.

In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt der Forschung zu ASSLBs auf der Identifizierung von alternativen Materialien, der Zusammensetzung für Elektroden und insbesondere Feststoffelektrolyte, die das Herzstück von ASSLB bilden. Keramische Festkörperelektrolyte nach dem neuesten Stand der Technik, wie Granate und verschiedene Sulfide, sind inzwischen ausreichend leitfähig, so dass die Elektrolyte nicht mehr die größte Hürde für die Entwicklung von ASSLB sind. Ähnlich verhält es sich mit den Anoden- und Kathodenmaterialien, welche bereits heute geringe Kosten, bessere Umweltverträglichkeit und höhere Zyklenfestigkeit auch bei hohen Temperaturen bieten. Trotz der Existenz geeigneter Materialien für Elektroden und Elektrolyt ist die Akzeptanz von ASSLBs in verschiedenen Industrien immer noch begrenzt. Dies liegt beispielsweise an den aufwändig herzustellenden Elektroden sowie an den komplexen Technologien zur Verarbeitung von Feststoffelektrolyten wie Sol-Gel, Slurry-Beschichtung durch Rakelabscheidung, Funkenplasmasintern, lösungsbasierte Infiltrationsverfahren, Aufdampfen und Weitere. Alle diese Technologien haben einige gemeinsame Probleme wie hohe Kosten, hohe Ausschussrate, geringer Durchsatz bei hohem Energieeinsatz und vor allem die Skalierbarkeit für die Massenproduktion. Hinzu kommt, dass alle ASSLB-Bestandteile in einzelnen Prozessschritten hergestellt werden, was zusätzlichen Aufwand für Logistik und die Montage wie Pressen, Schweißen usw. bedeutet.

Dies sind einige der Hauptgründe, warum sich ASSLBs bisher nicht im größeren Maßstab etablieren konnten. Das Projekt GREEN-BAT wird einen Beitrag leisten, genau diese Probleme zu lösen, indem es eine neuartige Herstellungsroute für lithiumbasierte Festkörperbatterien unter Verwendung von etablierten und skalierbaren Multimaterialtechnologien untersucht. Angewendet werden soll das Laser-Auftragschweißen (L-DED) und das Plasmaspritzen, welche Pulver und Suspensionen als Ausgangsmaterial nutzen. Das Projekt zielt darauf ab, diese neuartige Idee von TRL2 (Technology Readyness Level) auf TRL3 zu entwickeln.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Additive Fertigung mittels LMD unter Verwendung CBC OPA Faserlaser von CIVAN mit unbegrenzten Strahlformen und Scanmuster + Simulation

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100582969
Laufzeit: 01.06.2021–31.05.2023

Abstract

Das Ziel des M-ERA.NET-Projekts ShapeAM ist es, erstmals einen neuartigen CBC OPA Faserlaser für die Additive Fertigung einzusetzen. Die CBC OPA Faser wird von CIVAN Advanced Technologies aus Israel hergestellt und bietet einzigartige Möglichkeiten zur Erzeugung nahezu unbegrenzter Strahlformen und Scanmuster. Dieses schnelle Laserstrahlformungswerkzeug ermöglicht beispiellos modifizierbare Intensitätsverteilungen für eine verbesserte Kontrolle der Schmelzbadform, -größe und -dynamik, die dazu beitragen werden, den additiven (AM) Prozess signifikant zu verbessern: zu nennen sind hier die Reduzierung der Rissanfälligkeit, ein verzugsarmer und endkonturnaher Formaufbauprozess, reduzierte Bauteiloberflächenrauigkeit sowie die Fähigkeit, kritische und sogar völlig neue Materialien zu bearbeiten. Das Fraunhofer IWS aus Deutschland wird modellieren, wie diese schnellen Möglichkeiten der Laserstrahlformung in anspruchsvolle experimentelle Fertigungsstrategien für AM-Bauteile umgesetzt werden können.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Project coordination; database for data exchange; in-situ alloying of HEA by laser cladding and upgrade of the existing system technology

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100515990
Laufzeit: 01.07.2020–30.06.2023

Abstract

Gegenstand des (M-ERA.net) Vorhabens "cladHEA+" ist die Erforschung laserbasierter Auftragschweißprozesse als Tool für die Entwicklung von neuartigen Hochentropielegierungen für umweltfreundliche Verschleiß- und Korrosionsschichten. Nach wie vor fehlen  hochverschleißfeste Schichtsysteme im Hochtemperaturbereich. Die derzeit am häufigsten verwendeten Verschleißschutzschichten sind Kobaltbasislegierungen wie Stellit 6®. Obwohl sich diese Legierungen bewährt haben, muss das Element Kobalt aus verschiedensten Gründen ersetzt werden. Zum einen wurde das Kobaltelement von der Europäischen Kommission als kritische Ressource identifiziert und zum anderen sind die Kosten für Kobalt in den letzten Jahren stark gestiegen.
Im Mittelpunkt des internationalen Forschungsprojekts steht die neue Materialgruppe der Hochentropielegierungen (HEA) als alternatives Schichtsystem.
 In dem Projekt sollen folgende wissenschaftlichen und technischen Ziele untersucht werden:

1. Beschleunigung und Erweiterung des Wissens in der Materialwissenschaft zu den Hochentropielegierungen (HEA) durch den Aufbau eines internationalen Netzwerks
2. Schließen der Lücke zwischen simulations-/modellierungsbasierten Entwicklungsansätzen und Praxisergebnissen durch Vergleich und Modellierung der Ergebnisse
3. Aufbau einer Open-Source-Datenbank zu HEAs für weitere Forschungsprojekte
4. Entwicklung von innovativen Beschichtungen für stark verschleiß- und korrosionsbelastete Einsatzgebiete bei hohen Temperaturen in industriell relevanten Prozessen, vor allem in der low-carbon und alternativen Energieerzeugung.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Development of hard MoS2/carbon hybrid coatings with Laserarc

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100582372
Laufzeit: 01.06.2021–31.05.2024

Abstract

Das Teilprojekt hat das Ziel die Eigenschaften von superharten amorphen Kohlenstoffschichten und reibungsarmen, aber sehr verschleißempfindlichen Festschmierstoffen zu vereinen. Die Entwicklung solcher neuartigen Hybridschichten, die gute Schmiereigenschaften und eine verschleißfeste Grundschicht  kombinieren, wird erstmals durch eine kontrollierte Vakuumbogen-Abscheidung zwei verschiedener Materialien ermöglicht. Grundlage hierfür ist eine neuartige Beschichtungsquelle, die eine kürzliche Weiterentwicklung des industriell erprobten LaserArc-Verfahrens ist. Die Aufgabe des Teilprojekts ist es durch Anpassung der Beschichtungsparameter neue Schichtsysteme zu entwickeln, die industriellen Grundanforderungen bezüglich Haftung, Mindesthärte und Mindestschichtdicke genügen, um im Rahmen des Verbundprojekts wissenschaftlich und industriell erprobt werden zu können. 

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Project coordination, direct energy deposition (DED) and hybrid processes, post processing (Heat treatments)

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100582943
Laufzeit: 01.07.2021–30.06.2024

Abstract

Das Vorhaben NovMat-AM verfolgt das Ziel die Prozesse für Synthese und Verarbeitung neuartiger metallischer, auf HEA basierender, Hochleistungswerkstoffe mittels moderner additiver Fertigungs-techniken zu entwickeln und das Eigenschaftspotential dieser so hergestellten Legierungen vergleichend zu erforschen. Damit soll ein wesentlicher Beitrag für den Übergang von der Grundlagenforschung zur angewandten HEA-Forschung geleistet werden und der zukünftige Einsatz der HEA in Hochtemperaturanwenden (T > 600°C) in der Luftfahrt und Energietechnik sowie im Werkzeugbau eingeleitet werden. Innerhalb des Projektes werden Beiträge zu folgenden Themen angestrebt:

1. Verbesserung der Verfügbarkeit von neuartigen metallischen Hochleistungswerkstoffen auf der Basis von HEA für die additive Fertigung von hochwertigen Produkten in der Luft- und Raumfahrt, der Energietechnik und dem Werkzeugbau.
2. Entwicklung und Bereitstellung von kostengünstigem und qualitativ hochwertigem Feed-stock (Pulver, Filament) für die additive Fertigung von HEA.
3. Die Entwicklung von Technologien für die additive Fertigung von metallischen Komponenten bestehend aus HEA mit herausragenden mechanischen und korrosiven Eigenschaften.
4. Die Realisierung einer ressourcen- und energieeffizienten Fertigung sowie die Entwicklung von Reparaturstrategien zur Lebensdauerverlängerung von Bauteilen im Einklang mit den europäischen Zielen von RRR (Reuse, Recycling, Reduce).
5. Der Aufbau eines internationalen Netzwerks zur schnellen Erweiterung der Wissensbasis bezüglich der vielversprechenden neuen Werkstoffklasse der HEA unter Einbeziehung von Prozess- und Materialdatenbanken.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Entwicklung von Li-S-Battteriezellen auf Basis von CNT-Stromkollektoren

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100589068
Laufzeit: 01.07.2022–30.06.2024

Abstract

Eine rasche Umsetzung der Elektrifizierung im Verkehrsbereich ist erforderlich, um die Luftverschmutzung und den CO2-Ausstoß deutlich zu reduzieren und damit den Point of no Return bezüglich des Klimawandels abzuwenden. Darüber hinaus ist ein schnelles Marktwachstum für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) zu beobachten und es wird erwartet, dass neue Marktchancen entstehen, wie z. B. die emissionsfreie Luftfahrt und andere mobile Anwendungen. Während Lithium-Ionen-Batterien die führende State-of-the-Art-Technologie sind, befinden sich neue Zellsysteme, Materialien und Produktionstechnologien in der Entwicklung. 

Die Übertragung bestehender Verarbeitungstechnologien und Konstruktionsregeln aus der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien auf Batterien der nächsten Generation führt jedoch häufig zu Leistungseinschränkungen. So wird das volle Potenzial neuer Zellsysteme noch nicht ausgeschöpft. Für Lithium-Schwefel-Batterien als Beispiel wurde bisher nur ~1/6 der theoretischen Energiedichte in Prototypzellen nachgewiesen. Die Entwicklung von Batterietechnologien und disruptiven Zelldesigns, die an die spezifische Zellchemie angepasst sind, ist eine Möglichkeit, bestehende Einschränkungen zu überwinden und verbesserte Energiespeicher für neue Anwendungen bereitzustellen.

Hauptziel von "SLIM-FIT" ist es daher, ein fortschrittliches Batteriezellendesign zu etablieren, das auf innovativen, ein poröses Substrat durchdringenden Elektroden- und Separatorbeschichtungen basiert und auf stabile und sichere Lithium-Schwefel-Batterien (als vielversprechende "Post-Li-Ion"-Technologie) für mobile Anwendungen abzielt. Am Fraunhofer IWS werden die Batteriezellen entwickelt und bewertet.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Systemtechnik- und Prozessentwicklung für neuartige Hochleistungsverbundschichten

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100552824/4114
Laufzeit: 15.05.2021–30.11.2022

Abstract

Die neuen Mobilitätskonzepte des 21. Jahrhunderts, bei denen Elektrofahrzeuge eine dominierende Rolle spielen, erfordern radikale Änderungen im technischen Aufbau aller Komponenten eines zeitgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Bremsen zählen hierbei unverändert zu den zentralen und ultimativen Sicherheitssystemen eines jeden Fahrzeugs. Sie genügen in der heute noch üblichen konventionellen Art nicht mehr den technischen, ökologischen und insbesondere auch gesetzlichen Vorgaben.

Das Vorhaben zielt deshalb auf ein innovatives laser- und oberflächentechnisches Konzept für eine neue Generation von Bremsscheiben, dessen Realisierung gleichermaßen das erforderliche Bremsvermögen, aktive und passive Sicherheit von Fahrzeug, Insassen und Verkehrsteilnehmern sowie eine drastische Verringerung der Feinstaubemission bei Millionenstückzahlen dieser Bauteile wirtschaftlich gewährleistet.

Die ambitionierten Ziele des Vorhabens sollen durch die Erarbeitung einer durchgängigen Fertigungskette auf der Basis neuer karbidischer Werkstoffe zum Herstellen innovativer Verbund-Bremsscheiben erreicht werden. Im Zentrum steht eine fortgeschrittene Hochleistungs-Variante des Laser-Auftragschweißens, mittels derer funktionsoptimiert entwickelte Karbide in einer Metallmatrix auf die Scheiben-Grundkörper aus Gusseisen aufgetragen werden. Neben dem hohen werkstoffwissenschaftlichen Anspruch dieser Lösung bestehen weitere Herausforderungen in der Erarbeitung der für die spätere Massenproduktion qualifizierten Laser-Systemtechnik sowie im Erreichen eines sicheren und stabilen Laserprozesses mit höchster Produktivität. Final gefertigte Demonstratoren sollen die Eignung der neuen Verbundscheiben für die industrielle Serienfertigung nachweisen.

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Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

Förderkennzeichen: 100539703
Laufzeit: 01.01.2021–31.12.2021

Abstract

Der Einsatz von Laserstrahlung als photonisches Werkzeug in der Produktion ist industriell etabliert und hat zu einem Wandel geführt, bei dem klassische Fertigungsverfahren durch laserbasierte Prozesse zunehmend ersetzt werden. An dieser Entwicklung ist das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahlentechnik IWS maßgeblich beteiligt. Aufgrund des digitalen Wandels in den konventionellen Technologien der Oberflächenbearbeitung kommt dem Fraunhofer IWS Dresden mit seinen Erfahrungen in der Lasertechnik und dem KI-basierten “Predictive Modelling” eine wichtige Rolle zu.

Dieser vielseitige Einsatz photonischer Produktionstechnologien in der Lasermikrobearbeitung erfordert jedoch eine enorme Variation der Prozessbedingungen, so dass bisher ein erheblicher Teil der Aufwände auf die iterative Identifizierung prozessstabiler Parameter und geschwindigkeitsoptimierter Prozessstrategien entfällt. Insbesondere das Auswerten von Topographien mit Merkmalen im Nano- und Mikrometerbereich ist oftmals sehr zeitaufwendig und prozessseitig wenig automatisiert, insbesondere beim Nutzen disruptiver laserinterferenzbasierter Technologieansätze wie der Direkten Laserinterferenzstrukturierung zur Funktionalisierung von Oberflächen mit biomimetischen Strukturen. In diesem Bereich konnte bereits erfolgreich gezeigt werden, dass KI-basierte Ansätze die Prozessentwicklung und die technologische Nutzbarmachung funktionalisierter Oberflächen (z.B. selbstreinigende Oberflächen nach Vorbild des Lotuseffektes) deutlich beschleunigen können. Die während des Laserfertigungsprozesses anfallenden Datenmengen können insbesondere auch für vorausschauende Analysen genutzt werden, so dass Minderqualitäten und Maschinenstillstände frühzeitig erkannt werden können. Dies ist allerdings nur in einer ganzheitlichen Lösung mit prozessintegrierter Datenerhebung zu erwarten, in der sich das selbstlernende Produktionssteuerungssystem automatisch an den sich verändernden Kontext anpassen kann, um stets das Optimum im Produktionsprozess zu erzielen.

Das Ziel der beantragten strategischen Investition am Fraunhofer IWS ist der Aufbau eines disruptiven Laser-Experimentalsystems, das mit einer KI-basierten, lernenden Expertenplattform gekoppelt ist. Dies soll eine vollständige Vorhersage der Ergebnisse des Laserprozesses inklusive der Strahl- und Optikparameter mit Hilfe von KI-basierten Modellen im Kontext einer lernenden Plattform ermöglichen. Die Anlage adressiert dabei die Entwicklung eines ”Photonic Predictive Manufacturing Systems” basierend auf mehreren gekoppelten KI-gestützten Vorhersagemodellen. Die IoT-Systeme und die Sensor-Subsysteme, welche die photonischen Prozesse, die Sicherheit, den Zustand der Maschine, die Metrologie der zu erzeugenden Oberflächen überwachen und kontrollieren, bilden die Gemeinschaft der Sensoren und somit das Herz des digitalen Wandels in einer Laseranlage. Diese eingebettete Photonik bildet die Basis für den virtuellen Zwilling eines gesamtheitlich zu betrachtenden Systems.

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Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

Förderkennzeichen: 100538826
Laufzeit: 18.12.2020–28.02.2022

Abstract

Das Kernziel des beantragten Investvorhabens ist die Erweiterung bzw. flankierende Ergänzung der bisher am Fraunhofer IWS verfügbaren Verfahren der Präzisionsbeschichtung sowie der zugehörigen Methoden der Schichtcharakterisierung.

Dafür soll zum einen eine spezialisierte Ionenstrahlbearbeitungsanlage konzipiert und beschafft werden, zum anderen ist die Entwicklung und der Aufbau einer in-situ-Ultraschallermüdungs-Rasterelektronenmikroskopie-Anlage geplant, welche eine ortsaufgelöste Untersuchung von Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelationen erlaubt.

Mit der Ionenstrahlbearbeitungsanlage werden neue Möglichkeiten bei der Herstellung von Hochleistungsoptiken mit präzisen, dielektrischen Nanometerbeschichtungen geschaffen und das aktuelle Betätigungsfeld des Antragstellers um neue Anwendungsgebiete, z. B. das der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) erweitert. Ein wesentliches Ergebnis dieser Investition wird weiterhin sein, dass zukünftig alle Technologieschritte von der Formfehlerkorrektur von Spiegelsubstraten, über die Glättung und Reinigung, bis zu deren Beschichtung vollständig mit Ionenstrahlprozessen abgedeckt werden können. Das geplante optische in-situ-Monitoring reaktiver Prozesse ist hierbei ebenso wesentlich wie zusätzliche Freiheitsgrade in der Bewegung der bearbeitenden Ionenquelle. Von den neuen technologischen Möglichkeiten erwarten wir deutliche Effizienz- und Genauigkeitsgewinne bei den Beschichtungsprozessen und verbesserte optische Eigenschaften der ionenprozessierten Bauteile. Auch für die Herstellung piezoelektrischer Beschichtungen z.B. aus AlN haben sich Verfahren auf Basis des reaktiven Sputterns als besonders geeignet herausgestellt, da es niedrige Abscheidungstemperaturen und eine Feinanpassung der Beschichtungseigenschaften erlaubt.

Mit der neu aufzubauenden in-situ-Ultraschallermüdungs-Prüfeinheit sollen die bereits bestehenden Möglichkeiten zur Schichtcharakterisierung und die Expertise auf dem Gebiet der Werkstoffermüdung, also der Charakterisierung des zyklisch-mechanischen Verformungsverhaltens, zusammengeführt werden. Das Kompetenzfeld des Antragstellers auf dem Gebiet der Werkstoffcharakterisierung und -prüfung wird damit um ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal erweitert. So wird die hochauflösende Schichtcharakterisierung mittels Elektronenmikroskopie und die in-situ-Beobachtung der Schädigungsentwicklung zu einem neuartigen Verfahren verknüpft, wobei die zu betrachtenden Beanspruchungsszenarien deutlich über die bisher üblichen statischen oder niederzyklischen Belastungen hinausgehen.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Entwickeln von Mikrofluidik und Funktionalisierung für universelle Biosensorplattform

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100375311
Laufzeit: 05.11.2020–30.06.2022

Abstract

Smarte, portable, universelle Biosensoren besitzen großes Potential für unterschiedliche Anwendungen. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der individualisierten Humanmedizin über die Veterinärmedizin, die Medikamentenentwicklung und das Umweltmonitoring bis zur Grundlagenforschung. Ausgangsbasis des Projektes bilden moderne Hochfrequenzbauteile für akustische Oberflächenwellen (engl. SAW für surface acoustic wave). Diese sind die in der Mobilfunkkommunikation erfolgreich etabliert und heutzutage in jedem Mobiltelefon verbaut. Eine neue, innovative Anwendung dieser Hochfrequenzbauteile ist die Verwendung als Sensor zum Erfassen von biochemischen Reaktionen auf Oberflächen (SAW-Sensoren).

Im Rahmen des Projektes entwickelt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in enger Kooperation mit der SAW COMPONENTS Dresden GmbH eine smarte, portable und universelle Biosensorplattform. Dafür werden die SAW-Sensoren in Mikrofluidiksysteme integriert und ihre Oberflächen biologisch funktionalisiert. Für das Realisieren der Mikrofluidiksysteme wird die am IWS etablierte Multilagentechnologie weiterentwickelt und um eine innovative Technologie zum Fügen von Polymer und SAW-Sensoren erweitert. Für das automatisierte Funktionalisieren der Biosensoren erfolgt parallel das Weiterentwickeln und Erweitern der am IWS etablierten Laborautomationsplattform. Dazu werden neue anwendungsspezifische Werkzeuge entwickelt und etabliert. Für das Demonstrieren der Leistungsfähigkeit der neuen Biosensorplattform wird ein Assay zum Nachweis von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 in Serum entwickelt und etabliert (Nachweis überstandener Infektionen).

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Fraunofer IWS Teilvorhaben:
Herstellung von laseradditiv aufgebauten Ti-6Al-4V-Strukturen und experimentelle 3D-Charakterisierung zur ortsaufgelösten Eigenschaftsanalyse

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100373343
Laufzeit: 23.12.2019–30.06.2022

Abstract

Additive Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing - AM) bieten das Potential, lastpfad- und materialgerecht optimierte Bauteile mit hohem Leichtbaugrad zu fertigen. Dabei ermöglicht AM völlig neuartige Bauteilkonzepte. Es wird erwartet, dass in den nächsten Jahren weitaus größere Stückzahlen von AM-Bauteilen für Automotive- und Luftfahrtanwendungen benötigt werden.

Eine grundlegende Herausforderung bei der Überführung der AM in die ressourceneffiziente, wirtschaftliche und zuverlässige industrielle Anwendung ist in einem unzureichenden und bisher zu wenig systematisierten Wissen zu Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu sehen. Daher ist eine Weiterentwicklung der Methoden zur Materialqualifizierung, Struktur- und Prozesssimulation sowie Bauteilkonstruktion und Qualitätssicherung notwendig. Die rasant voranschreitende Digitalisierung in der Werkstoff- und Produktionstechnik ermöglicht in diesem Zusammenhang vollkommen neue Ansätze zur Untersuchung der Zusammenhänge von Prozessparametern, Mikrostruktur und Bauteileigenschaften.

Das Kernziel des Vorhabens AMTwin besteht in der Entwicklung von digitalen Engineering-Methoden für die additive Fertigung insbesondere von Metallbauteilen. Dabei wird ein experimentell-numerischer Ansatz zur Erforschung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen verfolgt. Durch die konsequente Akquise von Werkstoff, Prozess- und Bauteildaten entsteht ein sogenannter Digitaler Zwilling, d.h. ein digitales Abbild des AM-Prozesses. Weiterhin werden Simulationsmethoden zur Auslegung von sowohl AM-Fertigungsprozessen als auch von AM-Bauteilen bereitgestellt. Zugleich werden Prüfmethoden für AM-Bauteile entwickelt, die für die Qualitätsprüfung und für die Validierung der Simulationen benötigt werden.

Aufgrund der Komplexität des Fertigungsverfahrens werden in AMTwin modellbasierte Simulationsansätze mit Methoden des maschinellen Lernens zur Analyse der umfangreichen werkstoff-, prozess- und bauteilbezogenen Daten, die in den Bau- und Prüfprozessen sowie in der simulationsbasierten Auslegung generiert werden, kombiniert. Dies ermöglicht einen systematischen Wissensaufbau. Die Methoden werden zu Beginn des Vorhabens grundlagenorientiert entwickelt und sind so auf andere Prozesse übertragbar.

Experimentelle Untersuchungen und virtueller Entwicklungsprozess liefern wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Interaktion zwischen Prozessführung, resultierender Werkstoffstruktur und Bauteileigenschaften. Mit AMTwin wird die fachübergreifende Kooperation verschiedener Institute der Technischen Universität Dresden mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen nachhaltig intensiviert. Durch die Ausbildung exzellenter Fachkräfte an einem zukunftsorientierten, wirtschaftlich essenziellen und interdisziplinären Thema wird die Innovationskraft Sachsens gestärkt.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Entwickeln einer mikrofluidischen Kartusche

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100367055
Laufzeit: 15.07.2019–31.05.2022

Abstract

Das Ziel der Personalisierten Medizin ist die individuelle, zielgerichtete Diagnostik für den Patienten. Sie führt zu einer Unterscheidung, welche Therapie für welche Patientengruppen ausgewählt werden sollte – vergleichbar mit Konfektionsgrößen statt „Einheitsgrößen“. Die Personalisierte Medizin nutzt dazu vorgeschaltete diagnostische Tests, die Patienten-individuelle, z.B. zelluläre Merkmale, mit Hilfe geeigneter Biomarker beschreibt. Für viele Erkrankungen können jedoch keine der Biomarker für die klinische Praxis genutzt werden.

Neue Analyseverfahren ermöglichen aber durch Einzelzellanalyse Einblicke in die Diversität der Zellpopulationen, z.B. mechanische und optische Zelleigenschaften mittels eines biophysikalischen Blutbilds. Diese Methodik ermöglicht neue Analysen von Blutproben, die diagnostische und therapeutische Relevanz bei immunologischen als auch onkologischen Erkrankungen haben können.

Eine weitere technische Herausforderung besteht im Erfassen, Verarbeiten und Auswerten der während des Behandlungsprozesses generierten Daten. In der Praxis erfüllen Laboranten die Dokumentationspflicht oft durch ein manuelles Laborbuch, welches bisher aber nicht digital mit den Messdaten und Patienteninformationen verknüpft ist.

Für eine zukunftsträchtige Lösung dieser Herausforderungen kooperieren Uniklinik Dresden, Fraunhofer IWS und HTW Dresden mit den Firmen qualitype GmbH, MedicalSyn GmbH und Zellmechanik Dresden GmbH im Projekt „Translation innovativer zellulärer Biophysik in die personalisierte Medizin (TrioMed)“. Sie haben es sich zum Ziel gesetzt, das Verfahren des Biophysikalischen Blutbildes in der klinischen Praxis zu etablieren, um neuartige Biomarker nutzbar zu machen. Weiterhin soll den Vorgaben der Zulassungsbehörden zur guten Dokumentationspraxis durch Umsetzen eines „intelligenten Dialoges“ zwischen Klinik und Labor Sorge getragen werden, indem das in Dresden entwickelte System für Multiple Sklerose (MSDS3D) eine multidimensionale Datenintegration mit einem LIMS und Analysegeräten ermöglicht.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Systemerweiterung des mikrophysiologischen Systems durch Sensorik und Optimierung der Steuerung

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100325949
Laufzeit: 01.06.2019–30.06.2022

Abstract

Ziel des Projektes ist das Entwickeln eines innovativen automatisierten Messsystems zum Bestimmen der Vitalität von Herzmuskelzellen durch optische Analyse der Bewegungsmuster. Das angestrebte cyber-physische System besteht aus den Modulen:

• Mikrophysiologische Systeme (MPS) sowie Protokolle für das Kultivieren von Herzmuskelzellen unter definierten Bedingungen,
• Herzmuskelzell-Aktivitätsmesssystem mit integrierten Modulen zum Steuern und Regeln von mikrophysiologischen Systemen (Echtzeit),
• Datenanalyse-Cloud (nicht Echtzeit).

Innerhalb des angestrebten cyber-physischen Systems werden komplexe Analyseaufgaben und große Datensätze in die Cloud verlagert. Weiterhin können mit anderen Geräten (Analyseautomaten zum Bestimmen von Biomarkern), Labor-Informations- und Management-Systemen (LIMS), Experten-Systemen sowie Datenbanken Informationen über Services ausgetauscht werden, ohne dass neue Hardwareschnittstellen erforderlich sind. Diese Plattform bildet die Grundlage dafür, dass die Herzmuskelzell-Aktivitätsmesssysteme wandelbar sind und lernend auf Umfeld und Bediener reagieren können. Sie können sich schneller und selbstständig an sich ändernde Einflüsse von außen anpassen, ohne manuell durch neue Hardwareverbindungen rekonfiguriert werden zu müssen. Die lokale Aktorik, Sensorik und Auswertung (Echtzeit) ist über eine „Aktive Netzwerkbrücke“ mit der Cloud (nicht Echtzeit) verbunden. Hauptaufgaben des IWS sind:

• Weiterentwickeln und Optimieren der MPS (Integrieren von Stimulationselektroden und optischen Sensoren),
• Weiterentwickeln der MPS-Steuerung (gezielte Stimulation, geschlossene Regelkreise),
• Entwickeln und Optimieren eines IP-Cores für die Stimulation,
• Erstellen einer Toolchain zum Generieren von Betriebssystem und Kernel für das Herzmuskelzell-Aktivitätsmesssystem,
• Systemadministration des Herzmuskelzell-Aktivitätsmesssystems.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Forschung und Simulation

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100390823
Laufzeit: 30.12.2019–31.03.2022

Abstract

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung industriell nutzbarer Lasermaterialbearbeitungsprozesse, bei denen optimale Bearbeitungsergebnisse infolge eines zeitlich und räumlich kontrollier- und steuerbaren Energieeintrages durch Anwendung einer zweidimensionalen dynamischen Strahlmodulation erreicht werden sollen. Die Neuartigkeit des in diesem Forschungsvorhaben verfolgten Ansatzes besteht darin, erstmalig die Möglichkeiten einer Einspiegellösung zur schnellen 2D-Strahloszillation bei der Lasermaterialbearbeitung zu erforschen. Prozessseitig werden sowohl Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen insbesondere zur Charakterisierung der lokal induzierten und zeitlich variierenden Temperaturfelder durchgeführt und miteinander abgeglichen. Dadurch soll ein umfassendes Prozessverständnis für die beiden im Fokus des Vorhabens stehenden Materialbearbeitungsverfahren, Laserschneiden und Laserhärten, erreicht werden. Durch die involvierten Industriepartner soll das Anwendungspotenzial der untersuchten Technologien anhand praxisnaher Aufgabenstellungen erforscht und bewertet werden. 

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Fraunhofer Teilvorhaben IWS:
Biofunktionalisierung von SLM-Prozessierten Formkörpern mittels Direkter Laserinterferenzstrukturierung

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100382988
Laufzeit: 23.12.2019–31.03.2022

Abstract

In der Implantatfertigung gewinnen Laser-basierte Verfahren an rasant zunehmender Bedeutung. Additive Verfahren, vor allem selektives Laserschmelzen (SLM), werden als DIE Schlüsseltechnologien für Metallimplantate angesehen. Neben dem Potenzial zur Patienten-individualisierten Implantatfertigung zeichnen sich diese materialeffizienten Verfahren durch einen hohen Designfreiheitsgrad sowie der Möglichkeit einer endkonturnahen Produktherstellung aus. Die topographische Beschaffenheit der Implantatoberfläche ist einer der wichtigsten Faktoren für das Anwachsen von Knochengewebe (Osseointegration) und ist maßgeblich für die Biokompatibilität bzw. Körperverträglichkeit des Implantates verantwortlich. Das gezielte Funktionalisieren der Oberfläche kann mit einer weiteren Schlüsseltechnologie der Zukunft - der direkten Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct Laser Interference Patterning) – realisiert werden. Maßgeschneiderte hierarchische Oberflächentopographien mit Mikro- und Nanometerauflösung können zu einer verbesserten Knochenzellaktivität führen. Infolge kann so die Stabilität der Implantat/Knochen-Verbindung gezielt gesteuert und das Einheilverhalten signifikant verbessert werden.

Ziel des beantragten Vorhabens ist die materialspezifische Entwicklung einer ganzheitlichen Laserverfahrensbasierten Prozesskette zum Herstellen von orthopädischen Formkörpern mit maßgeschneiderten Material- und Oberflächeneigenschaften. Dabei soll der Einfluss von SLM-Prozessparametern auf die Morphologie und das Gefüge von massiven Formkörpern und daraus resultierender mechanischer Eigenschaften im Detail untersucht werden. Durch Anwenden des DLIP-Verfahrens werden maßgeschneiderte Oberflächenstrukturen auf komplexen Formkörpern realisiert. Dabei wird im Wesentlichen zwischen Oberflächen mit verschiedenen Rauigkeiten unterschieden, auf denen mittels DLIP-Verfahren hierarchische Strukturen (Mikro- und Nanostruktur) aufgebracht werden. Deren Biokompatibilität wird im Hinblick auf die Stimulation von Knochenzellwachstum durch begleitende zellbiologische Studien evaluiert. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse werden mit optimalen Parametersätzen Demonstratoren, d.h. komplexe Implantatgeometrien (Osteosynthesematerial) realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet.

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Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Beanspruchungsgerechte Laserstrukturierung von Faser-Kunststoff-Verbunden hinsichtlich metallischer Beschichtung sowie nachfolgender Fügeprozesse

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen: 100343527
Laufzeit: 01.04.2019–31.12.2021

Abstract

Das Hauptziel des Vorhabens besteht in einer fügetechnischen Verbindung faserverstärkter, laserstrukturierter und durch thermisches Beschichten funktionalisierter Kunststoffe mit metallischen Gegenkörpern. Der Fokus des Forschungsprojektes liegt dabei auf drei Hauptsäulen: der Laserstrukturierung, dem thermischen Beschichten und dem Fügen durch Löten.

Dabei übernimmt das Fraunhofer-IWS die Entwicklungsarbeiten im Bereich der Lasertechnik und Substratoptimierung. Die TU Chemnitz widmet sich dem thermischen Beschichten der vorbereiteten Substrate und den nachgelagerten Fügeversuchen. Die wissenschaftlich-technischen Herausforderungen liegen in einer beschichtungs- und lötgerechten Strukturierung der Oberfläche, ohne die dort eingelagerten Faseranteile zu beschädigen, um eine Kerbwirkung und den damit verbundenen Festigkeitsverlust auszuschließen. Für die Beschichtungsversuche der Laminatstrukturen kommt ein speziell auf diese Werkstoffgruppe abgestimmtes Drahtlichtbogenspritzsystem zum Einsatz, welches es ermöglicht temperatursensible Materialien mit metallischen Schichtsystemen zu funktionalisieren. Für die Fügeversuche werden vorrangig Weichlotsysteme zur Anwendung kommen, die in ihrer Legierungszusammensetzung an die thermische Beschichtung angepasst werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden im Verlauf des Projektes auf reale 3D-Geometrien übertragen und für die Anwendung im Bereich der E-Mobilität qualifiziert.

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Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100343240
Laufzeit: 01.12.2018–30.11.2020
 

Abstract

Im Mittelpunkt des beantragten Forschungsprojekts steht die Entwicklung von individuell an bestehende Fenster anpassbaren gerahmten Fensterfolien mit Wärmespeicher und Verschattungselementen WEMS++.

Ziel des Teilprojektes 1 „Fertigungsstrategien für Montagerahmen, Speicherelemente und Verschattung“ ist die Entwicklung einer wirtschaftlichen Prozesskette zur Fertigung von kundenangepassten Fenstereinheiten mit Zusatzkomponenten zur Wärmespeicherung und Verschattung bis zu einer Größe von 0,6 m x 1,2 m. Die vom IWS adressierten Teilprojekte 2 und 3 „Additive Fertigung von Extrusionswerkzeugen mittels Laserschmelzen / Fused Filament Fabrication“ widmen sich der Entwicklung von innovativen Extrusionswerkzeugen mit integriertem Thermomanagement zur schnellen Fertigung von Montagerahmen und Befestigungsmitteln. Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IWS bringen hier ihre Kompetenzen in den Bereichen additive Fertigung, Simulation und Modellierung ein und erarbeiten Prozessketten zur reproduzierbaren Fertigung von Extrusionswerkzeugen für unterschiedliche WEMS-Montagerahmen.

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Fördergeber:
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100345772
Laufzeit: 01.09.2018–28.02.2022

Abstract

Im Rahmen von "SimPerm" wird ein Permeationsmessgerät entwickelt, welches simultan sowohl die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) als auch die Sauerstoffdurchlässigkeiten (OTR) von Hochbarrierefolien zuverlässig und mit einer hohen Nachweisempfindlichkeit messen kann. Das System markiert eine völlig neue Geräteklasse in der Permeationsmesstechnik und soll insbesondere in den Bereichen Organische Elektronik aber auch in der Prüfung von Lebensmittel- und Pharmaverpackungen Einsatz finden.

Die Technologiegrundlage des Vorhabens stellt die Laserdiodenspektroskopie zur Detektion geringster Wasserdampf- und Sauerstoffspuren dar. Die im Projekt adressierte Herausforderung liegt dabei insbesondere in der simultanen Realisierung einer sehr hohen Nachweisempfindlichkeit des Systems hinsichtlich beider Permeaten, die (mindestens) der Performance der am Markt verfügbaren Messtechniken beider Einzelpermeaten entspricht. Neben hard- und softwarebasierten Lösungsansätzen werden diesbezüglich insbesondere spezifisch auf die Messaufgabe abgestimmte Spiegelsysteme entwickelt und in das Messsystem integriert. Die Leistungsfähigkeit des im "SimPerm" aufgebauten Demonstrators wird anhand relevanter Hochbarriereproben getestet und bewertet.

Das Ziel des "SimPerm"-Kooperationsverbundes, bestehend aus einem Hersteller von Permeationsmesstechnik und Reinstgasmedien-Engineering (SEMPA Systems GmbH), einem Spiegelbeschichter (CREAVAC - Creative Vakuumbeschichtung GmbH) und einem F&E-Partner im Bereich Permeationsmesstechnik (Fraunhofer IWS) ist die projektnachgelagerte Vermarktung der "SimPerm"-Ergebnisse in Form des dann bis zur Industriereife weiterentwickelten Simultan-WVTR-OTR-Messsystems als auch der optischen Spiegel bzw. deren Fertigungstechnologie.

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Fördergeber:
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100284836
Laufzeit: 14.08.2017–29.02.2020

Abstract

Im beantragten Projekt VE-MES  „Verzugs- und Energiearmes Laser-Mehrlagen-Engspalt-Schweißen zur Herstellung großformatiger, dickwandiger Stahlbaustrukturen – VE-MES“ wird eine neuartige, weitgehend automatisierte Laserstrahl-Mehrlagenschweißtechnologie zur Herstellung dickwandiger (15 bis 100 mm) Großbaugruppen für den Kran- und schweren Stahlbau unter Verwendung eines Hochleistungsdiodenlasers entwickelt. Inhalte der Entwicklung sind sowohl die verzugsarme Schweißkonstruktion, die wärmeminimierte Schweißtechnologie, eine industrietaugliche Schweißoptik und eine prozess- und bauteilangepasste Laserschutzeinrichtung.

Das Fraunhofer IWS liefert dazu FE-basierte Analysen für die lasergerechte Schweißkonstruktion und eine verzugsminimierte Schweißfolge. Darauf aufbauend werden am IWS die schweißtechnologischen Entwicklungen zur Adaptierung und Optimierung des Laser-Mehrlagen-Engspaltschweißprozesses für die spezifischen Anforderungen des Dickblechschweißens im Kran- und Stahlbau durchgeführt. Außerdem erfolgt am IWS der versuchsweise Aufbau der Schweiß-Systemtechnik und die schweißtechnische Herstellung eines branchentypischen Demonstrators.

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Fördergeber:
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100316468
Laufzeit: 01.04.2017–31.12.2020

Abstract

Schalter aus Leistungshalbleitern sind entscheidende Beiträge zu immer effizienteren elektrischen Antrieben und zur CO2-neutralen Energieerzeugung. Ziel dieses Vorhabens ist es, neue Plattformen von Superjunction-Technologien, IGBT-Transistoren sowie Leistungs-MOSFETs zum Einsatz in elektrischen Antrieben sowie Photovoltaikwechselrichtern zu erforschen. Um mit dem hier beschriebenen Forschungsvorhaben nachhaltige und langfristig verwertbare Ergebnisse zu erzielen, werden neben den Arbeiten zu den Transistortechnologien Grundlagen neuartiger Waferbearbeitungsmethoden erforscht werden, unter anderem  maskenlose Strukturierungsverfahren und revolutionäre Konditionierungsverfahren für Prozesskammern.

Im Rahmen des Gesamtvorhabens wird das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien am Fraunhofer IWS Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der laser-basierten Oberflächenanalyse und -modifikation im Bereich der Prozesstechnik durchführen.

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Fördergeber:
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100234957
Laufzeit: 01.09.2016–31.12.2019

Abstract

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung großflächiger und konturkonformer thermoelektrischer Generatoren (TEG) zur Rückgewinnung von Abwärme. Die geometrische Flexibilität dieser TEG ermöglicht den direkten Einsatz an Rohren und gekrümmten Oberflächen, was mit kommerziell verfügbaren TEG bisher nicht möglich ist. Innovative Druck- und Beschichtungstechniken erlauben die ressourceneffiziente und automatisierbare Herstellung großflächiger TEG, um auch größere Anlagen und Oberflächen mit kostengünstigen thermoelektrischen Energierückgewinnungssystemen auszustatten.

Herausforderungen des Vorhabens sind:

• die Entwicklung ausreichend verfügbarer thermoelektrischer Materialien, die ökonomisch interessante Wirkungsgrade erlauben
• die geometrische Anpassung  der thermoelektrischer Generatoren an mehrfach gekrümmte Bauteile
• die Entwicklung ressourcensparender kontinuierlicher und automatisierbarer Fertigungsprozesse,
  
• das simulationsbasierte Design und der Aufbau eines großflächigen Generators mittels Druck- und Beschichtungstechniken
• die Minimierung thermischer und elektrischer Kontakte der TEGs.

Dieses Projekt liefert durch grundlagenorientierte Materialforschung und die Entwicklung innovativer Fertigungsprozesse einen wesentlichen Beitrag zur weiteren Stärkung des Standorts Sachsen im Bereich Thermoelektrik.

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