Referenzprojekte des Fraunhofer IST

Im Projekt CirProTech werden nachhaltige, geschlossene Materialkreisläufe für Kunststoffe und CFK-Bauteile in der Mobilitätsbranche entwickelt. Das Ziel ist die Reduzierung von Primärressourcen und Abfall durch innovative Recyclinglösungen. Durch die Umstellung auf zirkuläre Produktionsprozesse soll der Bedarf an Primärressourcen verringert und Abfall reduziert werden. Dies verbessert die ökologische Bilanz und eröffnet wirtschaftliche Chancen für nachhaltige Unternehmen.

Das Demonstrator-Gewächshaus des Fraunhofer IST stellt eine Forschungsplattform für moderne Anbaumethoden wie Hydroponik bereit, um Systeme und Komponenten mit Schicht- und Oberflächentechniklösungen zu entwickeln und unter realen Bedingungen zu erproben. Damit können aktuelle Herausforderungen in Bezug auf Produktqualität, Schädlingsbekämpfung und Ressourcenminimierung angegangen werden.

Das Projekt SERPIC entwickelte mit europäischen und südafrikanischen Partnern eine integrierte Technologie zur Reduzierung der Spurenschadstoffe und Krankheitserreger im Abfluss von Kläranlagen. Dazu wurden Membran-Nanofilter sowie elektrochemische Zellen mit Diamantelektroden verwendet. Es wurde eine Prototypanlage in Spanien aufgebaut. Die Abbauziele für ausgewählte Zielschadstoffe wurden zu 92 % erreicht.

Im Graduiertenkolleg »RNApp« entwickeln Universitäten, Kliniken und Fraunhofer-Institute in insgesamt 12 Promotionsvorhaben wegweisende Innovationen in der Grundlagenforschung von RNA-basierten Therapeutika einschließlich smarter Primärpackmittel und erschließen deren Translation in die klinische Praxis. Zu den Herausforderungen therapeutischer RNA-Varianten gehören die Herstellung, Formulierung und Lagerstabilität sowie der Transport zu ihren Wirkorten im Körper.

In den 16 afrikanischen Sub-Sahara-Ländern haben 40 Prozent der Bevölkerung keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser. Das Ziel des SafeWaterAfrica-Projektes war es, autonome und dezentrale »Made in Africa« Trinkwasseraufbereitungsanlagen für ländliche Gebiete zu erforschen und zu entwickeln. Das Trinkwasseraufbereitungssystem beinhaltet die IST-Technologie der elektrochemischen Oxidation, basierend auf diamantbeschichteten Elektroden. Sie ermöglichen eine sehr energieeffiziente Beseitigung der Keime.

Die Partner im Projekt »Accellerating digital transformation in Europe by Intelligent NETwork automation – Automation of Network edge Infrastructure & Applications with aRtificiAl intelligence (AI-NET-ANIARA)« haben sich zum Ziel gesetzt, auf Basis konkreter Anwendungsszenarien aus dem Gebiet Sensoren und Fertigung, Lösungen für einen automatisierten, intelligenten und standortübergreifenden Datenaustausch zu entwickeln.

Festkörperbatterien sind ein aussichtsreiches Konzept zur Weiterentwicklung konventioneller Lithium-Ionen-Batterien. Durch den Einsatz von Festelektrolyten anstelle von Flüssigelektrolyten besteht das Potenzial, dass Festkörperbatterien langfristig höhere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten und mehr Sicherheit bieten können. Der Kompetenzcluster FestBatt arbeitet interdisziplinär an der Herstellung, Optimierung, Verarbeitung und Hochskalierung von Materialien für die Batterien der Zukunft.

Die Transformation zur Elektromobilität gilt als wichtiger Baustein zum Erreichen einer klimaneutralen Mobilität bis spätestens 2050. Für Elektrofahrzeuge ist die Karosserie nach der Batterie der größte Faktor für CO2-Emissionen. Das Konsortium des Leitprojektes »FutureCarProduction« entwickelt daher ganzheitliche Lösungsansätze für die Bewertung neuer Karosseriekonzepte der Automobilindustrie.

PEM-Brennstoffzellen haben großes Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen, werden aber durch die unwirtschaftliche Massenproduktion eingeschränkt. Im Projekt »Entwicklung von Fertigungsprozessfolgen für beschichtete metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen höchster Qualität und Energieeffizienz« arbeitet das Fraunhofer IST gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten IWU und IWS an der Verbesserung der Eigenschaften, an der Erhöhung der Lebensdauer sowie an der Entwicklung und Erprobung neuer Herstellungsmethoden metallischer Biploarplatten. Dabei werden zwei Beschichtungsansätze und Umformverfahren kombiniert.

Eine flächendeckende medizinische Versorgung stellt vor allem in ländlichen Regionen Afrikas eine große Herausforderung dar. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt daher gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und der Universität Stellenbosch in Südafrika eine mobile Versorgungsplattform, mit der selbst entlegenste Gebiete erreicht werden können.

Papierbasierte Konstruktionsmaterialien sind in Form von Verpackungsmitteln ein fester Bestandteil unseres alltäglichen Lebens. Um Papier für diese und neuartige Anwendungsgebiete nutzbar zu machen, muss die Ausstattung des Werkstoffes mit hydrophoben und antimikrobiellen Eigenschaften verbessert werden. Im Gegensatz zu aktuell eingesetzten Prozessen für die Modifikation der Papiereigenschaften soll im Produktionsprozess die Plasmapolymerisation zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Projekts BioPlas4Paper wurde ein neuartiges Plasma­quellenkonzept entwickelt, mit dem unter Atmosphärendruck eine reproduzierbare Prozessumgebung geschaffen werden kann, die die Einflüsse der Umgebungsluft auf ein Minimum reduziert und so homogene, reproduzierbare Beschichtungs­ergebnisse erreicht.

Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff (CFK) ist in der Luft- und Raumfahrt ein Zaubermittel: Superleicht und mechanisch extrem belastbar. Leider ist es im Originalzustand weder elektrisch leitfähig noch lötbar. In einem gemeinsamen Projekt mit Airbus DS wurde ein Verfahren entwickelt, um CFK zu metallisieren und somit elektrisch leitend und lötbar zu machen. Damit wurden CFK-Hohlleiter beschichtet, die als Antennen für die ESA-Sentinel 1-Mission im erdnahen Orbit um die Erde fliegen.

Im Projekt SEMAKI soll das Gesamtkonzept eines Produktionssystems für die Beschichtungstechnik geplant werden. Essentiell für den Erfolg der Arbeit sind die Schnittstellen zu weiteren Fertigungstechnologien.

Metallisierte Kunststoffbauteile werden in der Automobilindustrie eingesetzt, um leichte und günstige Kunststoffe wie ABS mit einer hochwertigen Oberfläche zu versehen. Die galvanische Kunststoffmetallisierung erfordert allerdings eine chemische Vorbehandlung, die in naher Zukunft aufgrund der Gesundheitsgefährdung der eingesetzten Chrom(VI)-Verbindung verboten sein wird. In einem Fraunhofer-internen Projekt »REAKOLA« zusammen mit dem ILT wurde ein laserbasiertes Verfahren entwickelt, welches chemische Vorbehandlung der Kunststoffoberfläche auskommt und in Zukunft eine REACH-konforme galvanische Metallisierung ermöglicht.

Das Ziel des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften und die Produktentstehungskosten zu erforschen und zu verbessern sowie für neue Batteriegenerationen weiterzuentwickeln. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.

Die Corona-Pandemie stellt Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor große Herausforderungen. Gemeinsames Ziel ist es, so schnell wie möglich einen Weg aus der Krise zu finden, wobei der Schutz der Menschen die oberste Priorität hat. Auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST aus Braunschweig leisten mit ihren Entwicklungen einen wichtigen Beitrag, aktivieren ihre Netzwerke, entwickeln Projektideen und unterstützen Wirtschaft und Gesellschaft bei der Bewältigung direkter Auswirkungen und späterer Folgen. Einige Projekte werden dabei direkt von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des zentralen Aktionsprogramms »Fraunhofer vs. Corona« mit internen Mitteln gefördert.

Bei Atmosphärendruck lassen sich Plasmen bereits in sehr kleinen Volumina mit Abmessungen von wenigen Mikrometern erzeugen, so dass Oberflächen auch lokal funktionalisiert werden können. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts P3T wurde eine Prozesskette aufgebaut, die es ermöglicht, metallische Leiterbahnen für Sensoren oder RFID auf Kunststofffolien von Rolle-zu-Rolle in einem additiven Verfahren kostengünstig und ressourcenschonend herzustellen.

Parabolspiegel werden in der Raumfahrt vielfältig angewendet, z. B. als Antennen für Weltraumkommunikation oder als Teleskope. Da sie extrem stabil sein müssen, werden sie üblicherweise aus massiven, festen Materialien wie Glas oder Keramik gebaut. Das bedeutet ein hohes Gewicht. Eine Alternative wurde in dem von der DLR geförderten Projekt »OCULUS« entwickelt. Hier wurde ein Parabolspiegel aus CFK gebaut, der metallisiert und nachfolgend poliert wurde. Im Ergebnis entstand ein stabiler CFK-Spiegel mit einer extrem glatten Oberfläche, der um ein Vielfaches leichter ist, als herkömmliche Spiegel.

Menschliche Stammzellen sind ein großer Hoffnungsträger der modernen Medizin, z.B. in der regenerativen Medizin oder als Zellmodell für die Medikamentenentwicklung, denn humane pluripotente Stammzellen können alle im menschlichen Körper vorkommenden Zellen bilden. Im Rahmen des Fraunhofer-internen Projekts »LabBag®« hatten es sich die drei beteiligten Fraunhofer-Institute zum Ziel gesetzt, ein geschlossenes oberflächenbasiertes »Labor im Beutel« zur Kultivierung von Stammzellen zu entwickeln.

Am Fraunhofer IST werden Atmosphärendruck-Plasma­verfahren sowie entsprechende Anlagen entwickelt, die die Möglichkeit bieten, unter definierter Atmosphäre Kunststoffober­flächen zu funktionalisieren. Mit den zur Verfügung stehenden Anlagen ist es möglich, den Oberflächen gezielt chemische Funktionalisierungen zu verleihen. Dies können z. B. stickstoffhaltige Gruppen sein, die durch die Plasmabehandlung in Stickstoff-Wasserstoffgemischen oder Ammoniak erzeugt werden. Aber auch die Herstellung von Funktionalisierungen auf Basis von Schichten mit Carboxylat- oder Epoxidgruppen ist durch die Verwendung geeigneter Prekursoren wie z. B. Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat möglich.

Die Reduktion mechanischer Druckspannungen ist insbesondere für das in der Optik am meisten genutzte Material – SiO2 – ist bis heute ein Problem. Die Etablierung eines Beschichtungsprozesses zur Abscheidung spannungsfreier, aber zugleich optisch hochwertiger und dichter SiO2-Schichten mittels der Heißdraht CVD war Ziel diese Forschungsvorhabens.

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts FAST – Functionally Graded Additive Manufacturing Scaffolds by Hybrid Manufacturing (GA 685825) wurden Verfahren entwickelt, mit denen durch Kombination von additiver Fertigung und Plasmatechnologie sogenannte »Scaffolds« aus organisch-anorganischem Hybridmaterial als Knochenersatzprodukte für die regenerative Medizin hergestellt werden können. Durch den Einsatz von 3D-Druck ist eine patientenindividualisierte Fertigung möglich.

Das Projekt AMPFORS hat das Fraunhofer IST mit seinen Projektpartnern OHB System AG und Rauch CNC GmbH von 2017 bis 2019 durchgeführt. Ausgangssituation war, dass in der Raumfahrt viele Strukturbauteile aus Festigkeitsgründen aus Metall und subtraktiv (Drehen, Fräsen) hergestellt werden. Das macht sie unnötig schwer. Ziel des Projektes war, durch den Einsatz von Polymeren sowie additiver Verfahren die Bauteile erheblich leichter zu gestalten. Herausforderungen waren, dass es keine Einschränkungen bei Festigkeit sowie elektrischer Leitfähigkeit gab.

Dichtungslose Wälzlager, die unter Medienschmierung verwendet werden können, besitzen ein hohes Potential für den Einsatz in energieeffizienten und ressourcenschonenden Anwendungen. Standardwälzlagermaterialien sind unter diesen hohen tribokorrosiven Bedingungen nur sehr begrenzt einsetzbar. Im Rahmen des Projekts POSEIDON II werden kostengünstige neuartige Stähle durch Randschichtbehandlungen mittels angepasster Niedertemperatur-Plasmadiffusionsbehandlung optimiert.

Der Energieimport nach Deutschland deckte 2019 ca. 74 % des deutschen Primärenergieverbrauchs und wird durch fossile Energieträger wie Steinkohle dominiert. Durch die Energie­wende wird der Seehafenstandort Wilhelmshaven in Rekordzeit einen Transformationsprozess durchlaufen und sich zu einem Hub für kohlenstoffarme und erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff entwickeln müssen (Energy Hub). »Transformation Wilhelmshaven« soll dabei helfen, den lokalen Wandel in der Industriestruktur und der Energiewirtschaft zu stärken, um die Wertschöpfung in der Region zu steigern und damit die Lebensqualität nachhaltig zu verbessern. Dabei begleitet das Fraunhofer IST diesen Prozess mit seiner Expertise im Bereich der Energiespeicher und -systeme als wissenschaftlicher Partner.

Für die Mission Mars2020 wurden Bandpassfilter bei 950 nm in der EOSS® in Kombination mit der Steuersoftware MOCCA+® beschichtet. Die Beschichtungsmaterialien mussten dafür stabil gegenüber Strahlung sein und der Filter vielen Zyklen im Thermal-Vacuum-Test zur Simulation der Tage und Jahre auf dem Mars standhalten. Sie wurden auf ein Quarzglas beschichtet, welches zugeschnitten und anschließend auf den Sensor geklebt wurde.

Aluminiumoberflächen erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Auch auf Materialien anderer Art wie Kunststoffen oder anderen Metallen. Leider sind galvanische Verfahren, wie man sie von Kupfer, Nickel oder Gold kennt bei Aluminium nicht möglich. In einem vom BMBF geförderten Projekt »GALACTIF« wurde ein Verfahren entwickelt, um Aluminium galvanisch aus so genannten ionischen Flüssigkeiten abzuscheiden. Dabei ist es erstmalig gelungen, den Prozess aus der schützenden Glovebox in ein offenes System zu überführen, welches industriell weiterentwickelt werden kann.

Die Effizienzsteigerung kostengünstiger Solarzellen ist eine zentrale Herausforderung im Rahmen des Ausbaus der Photovoltaik als wesentliche Säule der Energiewende. Im Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« entwickelt das Fraunhofer IST gemeinsam mit fünf weiteren Fraunhofer-Einrichtungen Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz. Basierend auf kostengünstigen Siliziumsolarzellen liegt der Fokus auf der Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen der nächsten Generation. Ziele sind die Erreichung deutlich höherer Wirkungsgrade sowie die Etablierung industriefähiger Großflächen-Beschichtungssysteme und -prozesse. Neben der Erforschung und Anwendung von Beschichtungsprozessen liegen die Schwerpunkte des Fraunhofer IST auf deren Nachhaltigkeitsbewertung sowie der Optimierung von Energie- und Stoffströmen.

Die Integration von Solarzellen mit hoher Leistung direkt in das Fahrzeugdach ermöglicht sowohl das Laden der Batterie beim abgestellten Fahrzeug als auch die signifikante Entlastung des Bordnetzes im Fahrbetrieb. Aufgrund der nur begrenzt verfügbaren Fläche werden für diese Anwendung Solarmodule mit möglichst hohem Wirkungsgrad benötigt, die sich zudem noch kostengünstig herstellen lassen und Anforderungen an die optische Gestaltung und geometrische Formgebung der Module erfüllen müssen.

Plasmanitrieren ist ein etabliertes Verfahren zur Randschichthärtung von Stählen, das bei einer Vielzahl von Werkzeugen und Bauteilen angewendet wird. Das Nitrierergebnis hängt dabei maßgeblich von den verwendeten Stahlwerkstoffen und Prozessparametern ab. Das Wissen über die Prozessführung beruht größtenteils auf Erfahrungswerten mit häufig verwendeten Werkstoffen. Um einen idealen Plasmanitrierprozess für neue Werkstoffe und Anwendungen auszuwählen, sind in der Regel aufwändige Vorversuche erforderlich. Am Fraunhofer IST wurde daher ein Prognosetool entwickelt, mit dem Ergebnisse von Plasmanitrierprozessen vorhergesagt und damit die Qualität behandelter Bauteile verbessert werden können.