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.