Referenzprojekte des Fraunhofer IST

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.

Schmiedewerkzeuge sind einem komplexen Belastungskollektiv ausgesetzt, welches zu erhöhtem Verschleiß und damit zu einer Abnahme der Bauteilungenauigkeit sowie geringeren Lebensdauer der Umformwerkzeuge führt. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Verschleißes bildet die (Plasma-)Nitrierung. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein grundlegendes Verständnis über die Wirkzusammenhänge geschaffen.

Mit der Beschreibung des nachfolgenden Referenzprojekts möchten wir Ihnen die Möglichkeit geben, sich selbst einen Eindruck über das Potenzial der verschiedenen Diffusionsbehandlungen zu machen. Dabei erhalten Sie ein Einblick in die Problemstellung und die aufgetretenen Herausforderungen, die verfolgten Lösungsansätze des Fraunhofer IST sowie die gewonnen Erkenntnisse und den daraus resultieren Benefit aus und über das Projekt hinaus.

Transparente optische Gläser mit hohem Kratzschutz werden heutzutage in vielen Branchen benötigt: von Sichtscheiben für Smartphones und Uhren über optische Instrumente und Sensorsysteme bis hin zu Anwendungen in der Medizintechnik.. Das Ziel des Forschungsvorhabens ULTRAHARD ist die Entwicklung einer ultraharten optischen Diamantschicht für die Anwendung in Antireflexionsschichten (AR-Schichten). Es sollen hiermit transparente, kratzfreie Oberflächen und hohe Bauteil-Lebensdauern ermöglicht werden.

Das steigende Umweltbewusstsein der Bevölkerung erfordert zur Erreichung zukünftiger Klimaziele eine stetige Reduktion von CO2 über die gesamte Wertschöpfungskette und über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Innovative Leichtbaumaterialien, -materialkombinationen, Fertigungstechnologien und multifunktionale Strukturen können hierfür einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Ziele und Stärkung des Innovationsstandorts Deutschland leisten. Im Fokus des Projekts stehen die Entwicklung, Optimierung und Skalierung von Leichtbaumaterialien und -technologien. Um die einzelnen Entwicklungen zusammenzuführen und hinsichtlich Ressourceneffizienz und Leichtbau zu bewerten, wird das Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs als Anwendungsbeispiel und Demonstrator gewählt. Diese Batteriesysteme stellen eine zentrale Innovationskomponente nachhaltiger Mobilität dar und sind entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit elektrisch angetriebener Fahrzeuge Made in Germany.

Die Digitalisierung von Produktionsprozessen erfordert neuartige Sensoren zur direkten Messung in Aktivzonen. Durch Dünnschichtsensorik sollen auf Basis der angestrebten Echtzeit-Verschleißindikation die notwendigen Bedingungen zur Realisierung bedarfsgerechter Werkzeugwechsel geschaffen werden. Dadurch können Material-, Energie- und Standzeitverluste, die derzeit durch die Ausschussproduktion entstehen, minimiert werden.

Im Begleitforschungsprojekt HySecunda bündeln neun Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen und arbeiten an praxisrelevanten, skalierbaren technologischen und kapazitiven Lösungen für einen Markthochlauf von grünem Wasserstoff in der gesamten SADC-Region (South Africa Development Community). Dabei liegt der Fokus auf den drei Schlüsselbereichen »Aus- und Weiterbildung«, »Zertifizierung und Markt für grünen Wasserstoff und Marktentwicklung« sowie »Technologien zur Grundlagenforschung«.

Ziel des Fraunhofer Projektzentrums ZESS ist es, mobile und stationäre Energiespeichersysteme der nächsten Generation an die industrielle Reife heranzuführen. Im Bereich mobiler Lithium-Festkörperbatterien wird das ZESS zu einem einzigartigen nationalen Kompetenzzentrum entwickelt werden. Das Fraunhofer IST unterstützt durch seine Beteiligung die Weiterentwicklung von Energiespeichertechnologien durch interdisziplinäre Lösungsansätze unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette.

Die Software MOCCA+® (Modular Optical Coating Control Application) kann auf Basis von optischen Spektren die Schichtdicke während einer laufenden Beschichtung eines Interferenzfilters berechnen und durch die Verknüpfung mit der Anlagensteuerung einen vollständig automatisierten Prozess realisieren. Sie wurde aus der institutionellen Forschungsumgebung auf Produktionsanlagen übertragen und hinsichtlich der damit verbundenen Anforderungen erweitert.

Das Anlagenkonzept EOSS® für die Beschichtung optischer Interferenzfilter wurde auf Basis von Lizenzvergabe an Anlagenbauer in die Industrie transferiert. Die Tauglichkeit als Produktionsanlage außerhalb des IST konnte nachgewiesen werden.

Eine zusätzliche Komponente wurde in die Breitband-Monitoring-Software MOCCA+® (Modular Optical Coating Control Application) als auswählbare Option zur Schichtdickenkontrolle während der Abscheidung von optischen Interferenzfiltern eingebunden. Die in-situ gemessenen Transmissionsspektren einer EOSS® -Maschine (Enhanced Optical Sputtering System) in Produktionsumgebung konnten erfolgreich genutzt werden.