Forschungshighlights des Fraunhofer IWS

© Fraunhofer IWS Dresden
Im Pulverbett generierte Raketendüse mit angepassten Kühlkanälen.

Flexible additive Fertigung funktionaler Bauteile

 

Die additiv Fertigung wird die Fertigungstechnik der Zukunft revolutionieren. Mit der Herstellung von Bauteilen und Werkzeugen durch einen schichtweise, 3-dimensionalen Auftrag von Werkstoffen werden bisherige Grenzen des Machbaren überwunden. Das Verfahren ermöglicht maximale Konstruktionsfreiheit und damit endlich auch die designgetriebene Fertigung komplexer, funktionaler Produkte. Gedruckte Turbinen und Schaltschränke, Zahn- und funktionsintegrierte Implantate, generierte Satelliten- und Flugzeugkomponenten werden Realität - neue Welten eröffnen sich - werkzeuglos, schnell und extrem wirtschaftlich.

Gemeinsam mit seinen Partnern setzt das Konsortium AGENT-3D in den kommenden Jahren zum Sprung an: die additive Fertigung soll zur »Schlüsseltechnologie« entwickelt werden, um damit echte Wettbewerbsvorteile für Unternehmen in der Zukunft zu erzielen.
 

 

 

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© Jürgen Jeibmann / Fraunhofer IWS Dresden
Neue Prozessketten für die Additive Fertigung.
© Frank Höhler/Fraunhofer IWS Dresden
Koaxial-Laser-Draht-Bearbeitungsoptik COAXwire am Roboter.
© Fraunhofer IWS Dresden
3D-generiertes Modell der Frauenkirche.
© Jürgen Jeibmann / Fraunhofer IWS Dresden
Elektrodenbeschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
© Fraunhofer IWS Dresden
Schema einer Lithium-Schwefel-Batterie.

Meilensteine in der Batterieforschung
 

Seit mehr als fünf Jahren arbeiten die Forscher am Fraunhofer IWS an der Entwicklung geeigneter Elektrodenmaterialien und Produktionsverfahren für eine kostengünstige Hochenergiezelle auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie. Während der Konferenz »Zukunft Energie« im November 2015 präsentieren die Forscher erstmals Lithium-Schwefel-Pouchzellen mit 4 Ah und spezifischen Energien jenseits von 300 Wh kg-1. Gegenüber der klassischen Lithium-Ionen-Technologie entspricht das einer Steigerung um etwa 25 Prozent. Im Hinblick auf den steigenden Bedarf an kostengünstigen stationären Energiespeichern erforscht das IWS auch Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Zellen. Statt wie bisher bei 300 °C Raumtemperatur lassen sich diese nun bei Raumtemperatur betreiben, indem die Wissenschaftler die voneinander abhängigen Elektrolyten, die Anode und die Kathode anpassen. Diese weisen Entladekapazitäten von bis zu 980 mAh pro Gramm Kathoden-Aktivmaterial sowie eine Ladeeffizienz von über 95 Prozent auf und können 1000 Mal reversibel geladen sowie entladen werden. Mit dem EU-Projekt »ALISE« startete im Juni 2015 ein weiteres Forschungsprojekt am IWS, das diese Entwicklungen adressiert. Das 2015 abgeschlossene BMBF-Projekt »DryLIZ« zeigte Wege zur Senkung der Prozesskosten und Reduzierung der Bearbeitungszeiten für die Elektrodenkonfektionierung auf.


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© Berthold Leibinger Stiftung
Dekorative Elemente durch DLIP-Nanostrukturen auf einer Nickeloberfläche.
© Berthold Leibinger Stiftung
Prof. Andrés F. Lasagni (links) und Prof. Frank Mücklich (rechts) mit einem strukturiertem Prägestempel (Nickelsleeve) vor einer am Fraunhofer IWS entwickelten DLIP μFAB-Anlage.
© Berthold Leibinger Stiftung
Berthold Leibinger Innovationspreis 2016 - Erfolgreiche Kooperationsforschung zur Oberflächenfunktionalisierung.

Laser stempelt Mikrostrukturen
 

Nano- oder Mikrostrukturen auf der Oberfläche können die Eigenschaften von Bauteilen oder Produkten erheblich verändern. Je nach Material und Anforderungen kommen in der Herstellung funktionaler Oberflächen unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz. Laser bieten dabei eine große Flexibilität. Um deren Leistung bei der Strukturierung zu erhöhen, nutzt das Forscherteam um Prof. Andrés Lasagni Interferenzmuster mehrerer Laserstrahlen. So lassen sich mit einem »Schuss« Millionen bis Milliarden kleiner Strukturen auf einmal erzeugen. Für dieses neuartige Verfahren erhielt Prof. Lasagni zusammen mit Prof. Frank Mücklich von der Universität des Saarlandes den 2. Preis des Berthold Leibinger Innovationspreises 2016.

Ideen und Anforderungen an funktionale Oberflächen bestehen zuhauf. Neben klassischen Anwendungen wie die Verschleißminderung geschmierter Oberflächen sind auch antibakterielle Eigenschaften gefragt oder Implantatoberflächen, die eine Zellanlagerung für besseres Einwachsen erleichtern. Die Effizienz von Solarzellen soll verbessert und elektrische Steckverbinder sollen in Zukunft noch zuverlässiger werden, damit Fahrassistenzsysteme oder das autonomen Fahren nicht unter Wackelkontakten leiden.

 

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© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Beschichtung von Getriebebauteilen mit Diamor®-Schichten.
© Dirk Mahler / Fraunhofer
Mit dem Laser-Arc-Verfahren gelingt es Dr. Volker Weihnacht, Prof. Andreas Leson und Dr. Hans-Joachim Scheibe, reibungsmindernde verschleißarme Schichten auf Bauteilen abzuscheiden (v.l.n.r.).
© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Diamor®-beschichtete Kolbenbolzen zur Reibungsreduzierung im Motorkolben.

Diamantartige Schichten sparen Treibstoff
 


Reibung wirkt in Motoren auf vielfältige Weise schädlich: Der Verschleiß reduziert die Lebensdauer, während der Kraftstoffverbrauch die Betriebskosten erhöht und die Umwelt belastet. Mithilfe des am Fraunhofer IWS Dresden entwickelten Laser-Arc-Verfahrens lassen sich superharte Kohlenstoffschichten auf bewegte Teile des Motors auftragen. Damit reduziert sich die Reibung erheblich.

Superharte ta-C-Kohlenstoffschichten (Diamor®) eignen sich aufgrund ihrer extrem hohen Verschleißfestigkeit und ihres Potenzials zur deutlichen Reduzierung von Reibungsverlusten für zahlreiche weitere industrielle Anwendungen. Mit dem Laser-Arc-Verfahren hat das IWS eine Technologie entwickelt, die in Bezug auf Produktivität und Reproduzierbarkeit einzigartig ist. Das Fraunhofer IWS erhielt dafür den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2015 sowie den EARTO Innovationspreis 2016.

 

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© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Lasergeschnittene Elektrobleche.
© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Laser-Remoteschneiden eines filigranen Bauteils.
© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Schneidbeispiele zum Remote-Laserschneiden.

Remote-Laserschneiden von Metallen
 

Beim Remote-Laserstrahlschneiden handelt es sich um ein Sublimationsschneidverfahren ohne zusätzliche Schneidgasunterstützung. Damit werden auch bei Metallen extrem hohe Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 800 Metern pro Minute erzielt. Das Fraunhofer IWS nutzt die hohen Laserleistungen der neuen Lasergeneration mit brillanten Strahleigenschaften, um über höchste Bearbeitungsgeschwindigkeiten kürzeste Wechselwirkungszeiten zu erzielen. Dadurch lassen sich Wärmeleitungsverluste minimieren und die Energie des Laserstrahles steht fast ausschließlich zur Verdampfung des Materials in der Schnittfuge zur Verfügung.

Das Remote-Laserstrahlschneiden stellt eine Alternative für das Trennen von Bauteilen dar, die bisher vor allem durch Stanzen gefertigt wurden, beispielsweise Dichtungen für Motorkomponenten oder Elektroden für Lithium-Ionen-Zellen. Zudem ermöglicht das Verfahren die Verwendung höherfester Stähle bei Stanz- und Biegeteilen und mehr Freiheitsgrade bei der konstruktiven Gestaltung der Bauteile.

Für die Entwicklung des Remote-Laserstrahlschneidens erhielt Dr. Matthias Lütke vom Fraunhofer IWS im Jahr 2012 den Preis der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Lasertechnik e. V. (WLT). Seine Arbeiten hatten weltweit für Aufsehen und Anerkennung gesorgt.

 

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http://www.iws.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/abtragen_trennen/laserschneiden.html

© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
3D-Schweißköpfe für beidseitig-gleichzeitiges Laserstrahlschweißen von Flugzeugrumpfstrukturen mit integrierter mitlaufender Spannvorrichtung, Nahtverfolgung und Schweißzusatzdraht-Zufuhr.
© Fraunhofer IWS Dresden
Lasergeschweißte Al-Flugzeugrumpfstruktur mit Längs- (Stringer) und Umfangsversteifungen (Clips) sowie Verbindern.
© Fraunhofer IWS Dresden
Voll 3D-fähige Parallelkinematik zum Rührreiben und Fräsen an großen Bauteilen.

Fügen im Flugzeugbau – Mehr Effizienz durch Leichtbau
 

Für seine Partner in der Luft- und Raumfahrt sowie deren Zulieferer entwickelt und optimiert das Fraunhofer IWS unter anderem das Laserstrahlschweißen von luft- oder raumfahrttypischen Aluminium- und Titan-Legierungen an großformatigen oder formkomplizierten 3D-Bauteilen.

Das Laserstrahlschweißen von Versteifungselementen in Rumpfstrukturen leistet einen wesentlichen Beitrag dazu, das Strukturgewicht zu verringern und gleichzeitig die Fertigungskosten zu senken. Aufgrund der Nahtausbildung, der Belastbarkeit und des Verzuges erfolgt das Schweißen mittels zweier Laserstrahlen beidseitig-gleichzeitig. Mittels einer Laserstrahlschweißanlage lassen sich am IWS große Strukturelemente dreidimensional mit Schweißzusatzwerkstoff und mitlaufender Spanntechnik fügen.

Das Rührreibschweißen ist bekannt für die verbesserte Festigkeit und Schadenstoleranz der Fügezone. Dabei stellt das Schweißen von dreidimensionalen Konturen und biegeschlaffen Bauteilen eine besondere Herausforderung dar. Das Fraunhofer IWS setzt auf neuartige Maschinenkonzepte, um diese geometrischen Restriktionen zu bewältigen. Im Vergleich zu klassischen Anlagen sind die Maschineninvestitionskosten hier deutlich geringer. Die Technologie erlaubt es, Leichtbaupotenziale und neue Konstruktionsansätze des Rührreibschweißens zu erschließen.

 

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© Fraunhofer IWS Dresden
Mikrophysiologisches System als Ersatz für Tierversuche.
© Fraunhofer IWS Dresden
Mikrophysiologisches Basissystem.
© Fraunhofer IWS Dresden
Frank Sonntag entwickelt seit 2010 mikrophysiologische Systeme um Tierversuche zu ersetzen.

Künstliche Mini-Organismen statt Tierversuche
 


Die am Fraunhofer IWS entwickelten mikrophysiologischen Systeme sind miniaturisierte Zellkultursysteme in der Größe einer Visitenkarte, die pharmakologisch relevante Funktionsmechanismen des menschlichen Körpers nachbilden. Dazu zählen neben der Verteilung von Substanzen über ein Gefäßnetzwerk das mikrophysiologische Milieu der Körperzellen und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen. Damit lassen sich die biochemischen und zellulären Abläufe der Organe des menschlichen Körpers nachstellen. Das ist notwendig, um komplizierte pharmazeutische Tests zu ersetzen, die derzeit in Tierversuchen stattfinden.

Konkret ahmen Forscher die Funktion von Organen oder Organteilen nach, indem sie mehrere menschlicher Zelltypen im mikrophysiologischen System gemeinsam kultivieren. Wie auch im menschlichen Körper benötigen verschiedene Zelltypen unterschiedliche Bedingungen um ihren spezifischen Funktionen nachzukommen. Die Entwickler des Fraunhofer IWS haben es sich zur Aufgabe gemacht, maßgeschneiderte mikrophysiologische Systeme für verschiedene Organe auf dem Chip zu entwickeln. Das Besondere an den am Fraunhofer IWS entwickelten mikrophysiologischen Systemen stellt eine miniaturisierte Pumpe dar, die dem menschlichen Herz nachempfunden ist. Angetrieben durch einen speziellen Controller lässt sie blutähnliches Zellkulturmedium im künstlichen Gefäßnetzwerk zirkulieren und sorgt so für die optimale Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen. Die Größe des Gefäßnetzwerkes lässt sich mithilfe mathematischer Modelle berechnen.

Angewendet werden die entwickelten mikrophysiologischen Systeme in der Forschung und Industrie. Die Applikationen reichen von einzelnen Organstrukturen in einem mikrophysiologischen System bis zu vielen Organen auf einem sogenannten »Multi-Organ-Chip«. Am Universitätsklinikum in Dresden etablierten die Forscher vom Fraunhofer IWS ein mikrophysiologisches Modell der Nierenkapillaren. Damit lassen sich wichtige Krankheitsprozesse der Niere ohne den Einsatz von Labormäusen nachstellen und somit Tierversuche in der Grundlagenforschung reduzieren. Aktuell entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS ein komplettes zelluläres Modell der Niere.

 

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© Jürgen Jeibmann, bearbeitet von Fa. Breitband
Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln (Collage).
© Fraunhofer IWS Dresden
Beidseitig gleichzeitiges Laserstrahllösungsglühen der Eintrittskante einer Dampfturbinenschaufel.
© Frank Höhler / Fraunhofer IWS Dresden
Unterschiedliche Laufschaufeln von Dampfturbinen mit laserstrahlgehärteten Schaufeleintrittskanten.

Lebensdauersteigerung von Turbinenschaufeln mit dem Laser
 


Das Fraunhofer IWS rückt seit mehr als 30 Jahren mit lasergestützten Randschichtveredlungsverfahren den Verschleißschäden zu Leibe, die kondensierte Wassertröpfchen bei Niederdruck-Laufschaufeln von Dampfturbinen verursachen. Diese zerstören die Eintrittskanten der Turbinenschaufeln, die auf einen Jahrzehnte dauernden Gebrauch ausgelegt sind. Die Folge ist ein beträchtlicher wirtschaftlicher Schaden.

Mit dem Laserstrahlhärten mit flexibler Strahlformung haben die Wissenschaftler eine Lösung für Turbinenschaufeln aus martensitisch härtenden Stählen gefunden, die auch die sich ständig ändernde Schaufelgeometrie bewältigt. Das Ergebnis ist eine signifikant erhöhte Verschleißbeständigkeit und eine deutlich höhere Lebensdauer dank einer Härtezonenausbildung, die der starken Beanspruchung gerecht wird.

Das lasergestützte Verfahren zur lokalen Randschichtaushärtung wurde 2006 mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis prämiert. Nach dem Sammeln überzeugender Laufzeiterfahrungen bewähren sich etwa 34 000 laserstrahl- und -ausscheidungsgehärtete Turbinenschaufeln in mehr als 180 Kraftwerken weltweit. Die so ausgerüsteten Turbinenläufer haben eine längere Lebensdauer und weisen einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf.

 

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