Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Feststoffbatterien steht vor der Herausforderung, hochenergetische Lithium-Metall-Anoden erfolgreich in die industrielle Anwendung zu transferieren. Das Projekt »FB2-SiSuFest« untersucht Anodenmaterialien auf Basis von Siliziumnitrid (SiNx) als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lösungen. Dieses Material könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung leistungsstarker, sicherer und stabiler Batteriezellen leisten. Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Herstellung und Evaluierung von siliziumnitridbasierten Partikeln als Anodenmaterial in sulfidischen Festkörperbatterien. Das Projekt strebt eine wesentliche Verbesserung der Zyklenstabilität im Vergleich zu kommerziellen Anodenmaterialien an. Dabei wollen die Projektpartner die elektrochemischen und morphologischen Herausforderungen von Silizium durch den Einsatz amorpher Nanopartikel auf Basis von Siliziumnitrid überwinden.

Siliziumnitrid: Mögliche Alternative zur Lithium-Metall-Anode?

Die Forschung innerhalb des FestBatt-Clusters konzentriert sich auf verschiedene Varianten von unter anderem sulfidbasierten Feststoffbatterien als wegweisende Technologien. Trotz Fortschritten bleiben noch einige Fragen zur erfolgreichen Anwendung der hochenergetischen Lithium-Metall-Anode offen. Silizium könnte sich als legierungsbildendes Aktivmaterial anbieten. Allerdings bestehen weiterhin Herausforderungen durch elektrochemische und morphologische Instabilitäten. Diese könnten sich durch den Einsatz von Siliziumnitriden in Form amorpher Nanopartikel überwinden lassen, indem vorteilhafte Phasen während des Lade- und Entladevorgangs entstehen. Das Hauptziel des Forschungsverbunds besteht in der Weiterentwicklung innovativer SiNx-Aktivmaterialien und deren Evaluierung in Kompositanoden sowie sulfidischen Feststoffbatterien. Das Projektteam setzt dabei auf systematische Untersuchungen, tiefgehende Analytik sowie Material- und Prozessoptimierung, um insbesondere die Beladung und Zyklenstabilität im Vergleich zur Anwendung herkömmlicher Siliziumpartikel zu bewerten.

Die Erfahrung und Vernetzung der Partnerinstitutionen, darunter das Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, das Institut für Energie- und Material-Prozesse der Universität Duisburg-Essen sowie das Physikalisch-Chemische Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen, bilden das solide Fundament für das Projekt. Die Zusammenarbeit stärkt nicht nur den wissenschaftlichen Austausch, sondern auch die Integration mit den Plattformen Thiophosphate und Produktion im FestBatt-Cluster.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IWS richten ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit der Fertigungsanlage auf komplexe, großvolumige Bauteile wie beispielsweise Brennkammern für Wasserstoff-Energiesysteme, Schaufelradeinhausungen für Turbinen und andere komplexe Maschinen-Komponenten oder Werkzeuge. Gemeinsam mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) planen sie im Verbundvorhaben »SpreeTec neXt« unter anderem in der Lausitz neue Fertigungsprozesse und Wertschöpfungsketten für die Zeit »nach der Kohle« zu etablieren. Auch neue Geschäftsmodelle für die Reparatur schwer verfügbarer landwirtschaftlicher, energietechnischer oder industrieller Ersatzteile sind damit absehbar.

Alleinstellungsmerkmale für den regionalen Mittelstand

»Mit solcher Anlagentechnik kann sich der ostdeutsche Mittelstand mit Hilfe des Fraunhofer IWS besondere Alleinstellungsmerkmale erarbeiten«, betont Institutsleiter Prof. Christoph Leyens. »Vor allem in der Transformationsregion Lausitz geben Projekte wie »SpreeTec neXt« der regionalen Wirtschaft neue Impulse.« Zwar verfügen inzwischen bereits einige Betriebe über 3D-Drucker. Doch diese Geräte sind in ihren Fähigkeiten meist limitiert: Sie sind beispielsweise lediglich auf Kunststoff-Prototypen spezialisiert, können nur vergleichsweise kleine metallische Komponenten erzeugen oder zwar große, aber dafür eher weniger komplex geformte Bauteile mit anderen Fertigungsverfahren wie dem Auftragschweißen. Moderne 3D-Drucker wie die am Fraunhofer IWS mischen indes die Karten neu: Die neue AM-Anlage kann Bauteile generieren, die bis zu 62 mal 62 mal 110 Zentimeter messen.

»Damit bietet diese Anlage ganz neue Möglichkeiten, selbst sehr große Bauteile mit komplexer Geometrie in hoher Qualität additiv zu fertigen«, erklärt Dr. Lukas Stepien, der am Fraunhofer IWS die Gruppe für Pulverbettverfahren und Drucken leitet. »Damit eröffnet sie Einsatzchancen für den industriellen 3D-Druck in noch mehr Branchen und Anwendungen.«

Vorstellbar ist beispielsweise ein dezentrales Additive Manufacturing (AM) dort, wo permanent neue Komponenten und Werkzeuge für kleine Losgrößen gebraucht werden oder Ersatzkomponenten nur schwer zu beschaffen sind. Interessant ist das unter anderem für den Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt, die Energieanlagenwirtschaft und den Werkzeugbau. Derartige AM-Großanlagen können künftig auch die schnelle Ersatzteilbeschaffung für hochwertige Landmaschinen im Agrarsektor erleichtern.

Neues Innovationszentrum soll auch regionalen Strukturwandel stärken

Im Zuge von »SpreeTec neXt« wollen die Projektpartner bis 2029 in der Lausitz ein Innovationszentrum etablieren, das den regionalen Strukturwandel stärkt. Dafür arbeiten BTU und Fraunhofer in der Additiven Fertigung zusammen. Das Fraunhofer IWS bringt hier seine besondere Expertise in der Additiven Fertigung, der Prozessentwicklung sowie der Werkstoff- und Bauteilanalytik ein. Die BTU widmet sich vor allem der Grundlagenforschung für die AM-Prozesse. Geplant ist, in der Lausitz dauerhaft ein gemeinsames Labor von Fraunhofer und BTU einzurichten, um eine nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung zu unterstützen. Das Team soll dann kleine und mittelständische Unternehmen aus der Transformationsregion beim Einsatz fortgeschrittener Technologien rund um die additive Fertigung beraten, Beschäftigte solcher Betriebe weiterbilden und das Wachstum eines AM-Clusters in der Lausitz unterstützen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wird diese konkreten Teilaufgaben von »SpreeTec neXt« mit je fünf Millionen Euro fördern.

Erste Einblicke in die daraus erwachsenden Möglichkeiten geben das Fraunhofer IWS und der Partner Farsoon auf der internationalen Fertigungsmesse formnext vom 7. bis 10. November 2023 in Frankfurt am Main. 

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Wie funktioniert die Additive Fertigung im Pulverbett?

Bei der laserbasierten Additiven Fertigung im Pulverbett schmilzt ein Laserstrahl in einer Gasumgebung feine Metallteilchen auf. Aus dieser Schmelze erzeugt die Anlage nach einem Computermodell Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil. So lassen sich Komponenten aus Titan, Kupfer und anderen Metallen beziehungsweise aus deren Legierungen generieren.

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Was ist SpreeTec neXt?

Das Verbundvorhaben »Neue Fertigungstechnologien für Komponenten und Systeme der dezentralen Energietechnik« (SpreeTec neXt) zielt darauf, neue ressourcensparende Fertigungstechnologien für Komponenten und Systeme in der Energieerzeugung, -wandlung und -speicherung zur Praxisreife zu führen. Das können beispielsweise wasserstoffbetriebene Turbinen und Brennstoffzellen, Wärmetauscher oder hybride Photovoltaik- und Solarthermieanlagen sein. Auch neue Werkstoffe, Digitalisierungsansätze und Kreislauf-Prinzipien für diese Anwendungen stehen auf der Projektagenda.

Die Federführung hat die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) übernommen. Als Partner sind das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP aus Potsdam und das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden dabei. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das auf sieben Jahre angelegte Vorgaben mit 52,44 Millionen Euro.

Das innovative Schutzkonzept der neuen Anzüge umfasst High-Materialien und intelligente Überwachung: Moderne Vliese als zentraler Bestandteil der Schutzanzüge verhindern wirkungsvoll den Kontakt der Haut mit den Schadstoffen. In die Gewebe werden außerdem Ultraviolett-Sensoren integriert, die feststellen, wann der textile Schutzschild mit PAK gesättigt ist und ausgetauscht werden muss. Das bedeutet eine doppelte Sicherheit für das Rettungspersonal. Die ersten Feuerproben in Brandcontainern hat die neue Schutzkleidung bereits bestanden.  

PAK-Anreicherung über ein ganzes Berufsleben hinweg erhöht Krebsrisiko

»Bei einem einzelnen Einsatz mögen es womöglich nur wenige Mikrogramm PAK sein, die durch Öffnungen im Schutzanzug auf die Haut gelangen«, erklärt Felix Spranger, Gruppenleiter Gas- und Partikelfiltration am Fraunhofer IWS. »Das Gefährliche an den PAK besteht darin, dass sie sich bei Feuerwehrleuten über ein ganzes Berufsleben hinweg immer weiter im Körper anreichern können. Studien aus Deutschland und den USA^[2] belegen verstärkt auftretende Krebserkrankungen in dieser Berufsgruppe. Daher war es so wichtig, Lösungen zu finden, die neue technologische Ansätze wie intelligente Textilien einbeziehen.« Dafür hat sich das Fraunhofer IWS im Jahr 2020 mit vier weiteren Partnern zum Projekt »3D-Funktionsvliesstoffe mit integrierter Gassensorik für die Schutzbekleidung von Einsatzkräften« (3D-PAKtex) zusammengetan. Um Feuerwehrleute künftig vor den schädlichen PAK in Rauchgasen und Rußwirbeln in brennenden Häusern zu schützen, verfolgten die Verbundpartner ein zweigleisiges Konzept: Einerseits stand die Entwicklung von vliesbasierten neuen Filtern im Fokus, andererseits ein Sensorkonzept, um deren Funktionsfähigkeit zu überwachen.

Aktivkohle-Vliese filtern Ringmoleküle aus dem Rauchgas

Das Fraunhofer IWS identifizierte zunächst passende poröse Aktivkohlen, die PAK besonders gut binden. Diese Adsorbentien fixierte der Projektpartner Norafin mit speziellen Bindern in für Brandeinsätze optimierte Vliesstoffe. Die neuen Zusatzvliese integrierte der Partner S-GARD in einen Demonstrationsanzug: An Ärmelöffnungen, Bünden und anderen Stellen ergänzte der Hersteller kleine Verschlusstaschen, die per Druckknopf die neuen Zusatzfilter an jenen Punkten aufnehmen können, an denen die Rauchgase im ungünstigsten Falle trotz aller Isolierungen dennoch in den Schutzanzug gelangen könnten. Strömt dort Rauchgas vorbei, bindet das Vlies die Giftstoffe.

Zudem versah Projektpartner JLM Innovation die neuen Filtervliese mit eigens entwickelten Überwachungssensoren, die auf dem Prinzip der Fluoreszenz-Spektroskopie basieren. Diese Mini-Spektrometer senden Ultraviolettlicht einer genau definierten Wellenlänge aus. Treffen diese UV-Strahlen auf PAK, absorbieren die Ringmoleküle zunächst deren Energie und senden dann auf einer leicht veränderten Wellenlänge andere UV-Strahlen zurück. Die Sensoren messen das zurückgesandte Licht aus: Je intensiver es ist, umso höher ist die PAK-Konzentration im Vlies. Eine elektronische Kontrolleinheit in der Brusttasche der Feuerwehrkraft wertet diese Daten aus und sendet sie per Bluetooth-Funk an ein Smartphone. Die Entwicklung und Implementierung einer maßgeschneiderten Software übernahm ATS Elektronik. Damit können die Retter in Uniform in Echtzeit sehen, wie sich ihre PAK-Filter füllen und wann sie ausgetauscht werden müssen.

In Labortests haben die neuen Vlies-Aktivkohle-Filter die PAK-Last im Rauchgas bereits erheblich gesenkt. Daran schlossen sich praxisnahe Simulationen in Brandcontainern an: Erfahrene Tester streiften die Anzug-Prototypen über, zündeten in einem abgeschirmten Container zunächst Matratzen, dann Gummireifen und weitere Testobjekte an, um die neue Schutzkleidung in unterschiedlichen Brandszenarien auszuprobieren.

»Wir werden diese Befunde gründlich auswerten und weiter den Markt beobachten, um fundiert über eine mögliche Serienproduktion entscheiden zu können«, kündigte Jonas Kuschnir von S-GARD an. Freilich sei der neue Schutzansatz gegen PAK auch mit gewissen Mehrkosten verbunden, doch die Projektergebnisse seien vielversprechend.

Hohes Marktpotenzial für intelligente Textilien erwartet

Wie auch immer diese Entscheidung ausgehen wird, »3D-PAKtex« hat in jedem Fall zu einem erheblichen Expertise-Zugewinn der Verbundpartner geführt. Das Thema wird auch das Fraunhofer IWS weiter beschäftigen. Felix Spranger: »Wir sehen noch einige Ansätze, um beispielsweise die Sensoren und die Schnittstellen der neuen Schutztechnik weiter zu verbessern. Aus Rückmeldungen wissen wir, dass die Industriepartner noch großes Potenzial in derartigen smarten Textilien sehen, auch jenseits von Feuerwehrschutzkleidung.«

Das deckt sich auch mit den Befunden internationaler Beobachter. So gehen die Analysten des britischen Marktforschungs-Unternehmens »IDTechEx« davon aus, dass der Markt für elektronisch aufgewertete beziehungsweise »intelligente« Textilien bis 2033 auf umgerechnet rund 713 Millionen Euro wachsen wird.^[3] Zu erwarten seien jährliche Zuwachsraten von durchschnittlich 3,8 Prozent.  

Projektpartner »3D-PAKtex«

• Das Fraunhofer IWS bringt seine Expertise bei der Auswahl von Filtermaterialien und in der Analytik ein
• Norafin Industries aus Mildenau im Erzgebirge stellt technische Textilien her
• Die Hubert Schmitz GmbH (»S-GARD«) aus Heinsberg produziert Feuerwehr-Schutzkleidung
• Der Sensorik in den intelligenten Textilien widmete sich die JLM Innovation GmbH aus Tübingen
• Die benötigte Software entwickelt die ATS Elektronik aus Wunstorf  

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Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

PAK gelangen über die Haut in den Körper und lagern sich dort im Fettgewebe ab. Weil die menschlichen Abwehrsysteme die ringförmigen Kohlenstoffverbindungen nicht kennen, baut der Körper diese Schadstoffe nicht ab – sie akkumulieren und konzentrieren sich. Dadurch steigt über die Jahre hinweg die Karzinom-Gefahr. Bei korrekt angelegter Schutzkleidung ist dieses Risiko laut Untersuchungen der »Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung« (DGUV) zwar begrenzt. Wenn Feuerwehrkräfte jedoch über Jahrzehnte im Einsatz sind, können kleine Unachtsamkeiten zu problematischen Belastungen führen.

^[1] Umweltbundesamt: »Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)«, Stand: August 2021 (https://www.umweltbundesamt.de/themen/chemikalien/persistente-organische-schadstoffe-pop/polycyclische-aromatische-kohlenwasserstoffe-pak)

^[2] Fire Fighters, Combustion Products, and Urothelial Cancer: Journal of Toxicology and Environmental Health, Part B: Vol 11, No 1 (https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10937400701600396) und Risk assessment of soils identified on firefighter turnout gear: Journal of Occupational and Environmental Hygiene: Vol 13, No 9 (https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15459624.2016.1165823)

^[3] Dr. Matthew Dyson und Dr. Tess Skyrme: »Märkte für E-Textilien und intelligente Kleidung 2023–2033: Technologien, Akteure und Anwendungen«, IDTechEx, Stand: März 2023 (https://www.idtechex.com/en/research-report/e-textiles-and-smart-clothing-markets-2023-2033-technologies-players-and-applications/925)

^[4] DGUV: »Krebsrisiko im Feuerwehrdienst – Biomonitoring von Feuerwehreinsatzkräften bei Realbränden«, Stand: 2020 (https://www.dguv.de/ifa/forschung/projektverzeichnis/ff-fp0414.jsp) 

Um unterhalb der Wasseroberfläche Stahl und andere Metalle zu zerteilen, setzen die Fraunhofer-Forscher besonders kurzwellige, grüne Laser ein, deren Schneidfähigkeit auch im Wasser gegeben sind. Gleichzeitig dient das Wasser hier als Werkzeug, um die entstehende Schmelze mit Druck aus der Schnittfuge auszutreiben. Dadurch fallen unter anderem Kraftverluste, Extra-Gasleitungen und weitere Nachteile weg. Im Labor funktioniert dies bereits. Im September stellt das Fraunhofer IWS das innovative Verfahren auf der Messe »Schweißen & Schneiden« in Essen vor, um es gemeinsam mit Industriepartnern zur Einsatzreife zu führen. Der Zuschnitt von Metall mit Lasern ist zwar kein grundsätzlich neuer Ansatz. In der Regel geschieht dies jedoch in einer trockenen Umgebung. Dabei schneiden Infrarot- oder andere eher langwellige Laserstrahlung das Metall auf. Koaxial zum Strahl entfernen in diesem Zuge Hilfsgase die Metallschmelze. Im Meer herrschen andere Bedingungen: Wasser streut langwelliges Licht in alle Richtungen. Dadurch verpufft ein Großteil der Laserleistung nach kurzer Distanz. Auch sind für das Hilfsgas aufwendige Leitungssysteme nötig.

Grüne Laser der Kilowattklasse als Schlüssel zum Unterwasserschneiden

Diese Nachteile erledigen sich mit der neuen Lösung aus dem Fraunhofer IWS. Die Dresdner Ingenieure setzen grüne Laser mit weit kürzeren Wellenlängen ein als die meisten heute üblichen Industrielaser. Möglich ist dies allerdings erst, seitdem grüne Laser in der Klasse mit mehr als einem Kilowatt Leistung verfügbar sind, um die nötigen Schneidleistung zu erzielen. Perspektivisch sind noch kurzwelligere Varianten mit blauen Lasern denkbar. Solche Kurzwellenlaser durchdringen selbst Wasser ohne große Verluste und lassen sich somit auch in Gewässern einsetzen. Das in trockener Umgebung notwendige Schneidgas lässt sich durch das im Meer reichlich vorhandene Medium ersetzen: Wasser. So fallen unter anderem die bisher nötigen Gasleitungen weg. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich Gase und Gasgemische wie Luft bis zu einem gewissen Punkt zusammenpressen lassen, bevor sie in die eigentliche Anwendung kommen. Wasser hingegen lässt sich kaum komprimieren. Daher beseitigt dieses als Schneidmedium die Schmelzreste an der Schnittstelle mit weniger Kraftaufwand und Zeitverlusten.

Wenig Energieverlust und mehr Kraft

Gegenüber heute üblichen Trennverfahren mit Sägen, Sägeseilautomaten und Plasmaschneidern soll das Unterwasserlaserschneiden einige Vorteile erzielen: »Das Verfahren benötigt vergleichsweise wenig Energie und die Kraftübertragung ist effizienter«, betont Projektleiter Dr. Patrick Herwig, der am Fraunhofer IWS die Gruppe Laserschneiden leitet. Dieser Ansatz erlaube zudem die Konstruktion besonders kompakter Unterwasserroboter mit Laseraufsatz. Weil sich diese kleiner und effizienter als heutige Sägeautomaten umsetzen lassen könnten, lassen sich bisher schwer zugängliche Stellen von Unterwasserstrukturen leichter erreichen. Anders als etwa beim Sägen müssten Demontageteams künftige Schneidlaser nicht fortlaufend mit neuen Blättern oder anderen Verbrauchsmaterialien bestücken. Zudem erzeugt solch ein System keine Abfälle und entlässt keine gefährlichen Stoffe in die Atmosphäre. Dieser Vorteil fällt besonders beim Abriss alter Kernkraftwerke ins Gewicht. Denn auch dort sind oft stählerne Bauteile zunächst unter Wasser zu zerlegen. Würde man hier mit Schneidgas arbeiten, könnten mit den Blasen radioaktive Abfälle an die Wasseroberfläche gelangen. Auch dieses Problem erübrigt sich beim Laser-Unterwasserschneiden.

Wasser: Freund statt Feind

Die wirtschaftliche und gesellschaftliche Relevanz der innovativen Technologie beschreibt Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS: »70 Prozent der Erde bestehen aus Wasser. Diese Offshore-Reserven muss die Menschheit künftig verstärkt nutzen, um umweltfreundliche Energiequellen zu erschließen und auszubauen. Dafür brauchen wir neue Unterwasser-Fertigungstechnologien wie unsere Laserschneidlösungen. Bisher wurde das Wasser dabei als ›Feind‹ verstanden. Wir kehren das um und verstehen es als ›Freund‹.« Im nächsten Schritt wollen die Forschenden ihr im Labormaßstab bewährtes Konzept nun zu praktisch einsetzbaren Systemen weiterentwickeln. Das Fraunhofer IWS bringt dabei seine Expertise in der Lasertechnologie, System- und Analysetechnik und für den Entwurf kompletter Anlagen ein. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen aktuell nach Industriepartnern, die konkrete Einsatzszenarien, Erfahrungen und Herausforderungen skizzieren sowie die konkrete Technologieentwicklung begleiten.

Für die Vernetzung stellt das Forscherteam das Unterwasserlaserschneiden vom 11. bis 15. September 2023 auf der Messe »Schweißen & Schneiden« in Essen in Halle 6, Stand 6D29, vor.

Als Theodore Maiman im Mai 1960 den ersten Laser fertigstellte, ahnte er noch nicht, welchen Siegeszug dieser auf der »Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation« (kurz: »LASER«) beruhende Effekt nehmen würde. Der Laser ist heute aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken. Als Laserpointer erzeugt er einen gut fokussierten intensiven Lichtstrahl, in der Medizin hilft er bei Augenoperationen und in der industriellen Produktion ermöglicht er die Bearbeitung fast aller Werkstoffe sowie die Herstellung von Bauteilen unter geringstem Materialeinsatz. Das nahezu unerschöpfliche Einsatzspektrum heute verfügbarer und neuer Laserquellen bekräftigt den wichtigen Stellenwert des Lasers für die industrielle Wertschöpfung und bildet das Fundament für neue Laseranwendungen.

Die Laserwelt fokussiert sich im November auf Dresden

Über die neuesten Entwicklungen, Perspektiven und Anwendungen der Lasertechnik, unter anderem in der Additiven Fertigung, berichten Fachexperten aus aller Welt auf der kombinierten Fachkonferenz Laser Symposium und ISAM 2023. Von Ende November bis Anfang Dezember richtet sich ihr Blick im Deutschen Hygiene-Museum Dresden auf die Nutzung von Lasern in der industriellen Produktion und die Steigerung der Wertschöpfung. Veranstalter des Branchentreffs für Laseranwender ist das Fraunhofer IWS, das mit jahrzehntelanger Erfahrung als Innovationstreiber Kunden und Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft unterstützt und für den Transfer von Forschungsergebnissen im Labormaßstab in die industrielle Anwendung sorgt.

Erfindergeist als Treiber für fundierte Laserforschung

Aufbauend auf erfolgreichen Industrieüberführungen der Vergangenheit erarbeiten die Forschenden des Fraunhofer IWS aktuell zum Beispiel Lösungen für die Energiewende, bei denen mehrere Laserverfahren in eine Prozesskette eingebunden sind. »Mit Hilfe eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens wollen wir die Produktion von Bipolarplatten für Brennstoffzellen revolutionieren«, betont Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Dresdner Instituts. »Unser erklärtes Ziel ist es, fertig konfektionierte Bipolarplatten innerhalb von einer Sekunde im Durchlauf zu produzieren. Das geht nur mittels schneller, flexibler und hochgenauer Prozessschritte. Das laserbasierte Fügen und Trennen liefert dabei wichtige Beiträge für die Produktivität.« Viel Erfindergeist beweisen die Dresdner Forschenden auch in der anwendungsorientierten Weiterentwicklung der dynamischen Strahlformung beim Schweißen und Trennen. Präzise eingebrachte Energie kann die Qualität von Schweißnähten und Schnittkanten deutlich verbessern. Diese Fähigkeit stellt auch beim Laserhärten Grundlage für einen robusten Industrieprozess dar. Mit Hilfe eines am Fraunhofer IWS entwickelten Wärmefeldreglers lässt sich sogar bei komplexen Bauteilgeometrien ein gleichmäßiges Härteergebnis erzielen. »Alle unsere Laserprozesse erzeugen in zunehmendem Maße hohe Datenmengen, die wir zur Qualitätskontrolle im Nachgang oder zur Prozesskontrolle und -steuerung online aufnehmen und verarbeiten wollen. Das erfordert eine Datenvereinzelung und deren schnelle Verarbeitung«, erläutert Leyens. »Wir wenden daher Methoden der Künstlichen Intelligenz an, um das Potenzial bestmöglich nutzen zu können, das in unserem Datenschatz steckt.«

Laser sorgt für industrietaugliche Produkte mit Additiver Fertigung

Auch in der Additiven Fertigung kommen Laser als Energiequelle für industrietaugliche Produkte zum Einsatz: sowohl bei der Herstellung filigraner Strukturen als auch bei großvolumigen Bauteilen. ISAM 2023 zeigt neueste Forschungs- und Entwicklungsergebnisse für Erzeugnisse, die sich mit hoher Qualität und Zuverlässigkeit nur dank einer engmaschigen Prozesskontrolle herstellen lassen. »Ob im Pulverbett oder bei pulver- und drahtdüsebasierten Prozessen: Eine zuverlässige Information über den aktuellen Zustand von Hardwarekomponenten und die herrschenden Prozessbedingungen stellen aktuell noch große Herausforderungen dar. Sie bieten aber auch eine riesige Chance, die additiven Fertigungsverfahren auf die nächste Stufe zu heben«, schätzt Prof. Frank Brückner ein, Technologiefeldleiter Additive Fertigung und Oberflächentechnik am Fraunhofer IWS. Auf der Konferenz ISAM 2023 werden spannende Beiträge aus unterschiedlichen Branchen wie der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik sowie des Maschinenbaus vorgestellt. So ermöglichen beispielsweise biomimetische Ansätze den Transfer naturinspirierter Funktionsweisen in die technische Anwendung. Diversifizierte Prozessketten erlauben die Anpassung an wirtschaftliche, agile und resiliente Produktionskapazitäten. Die kombinierte Fachkonferenz Laser Symposium und ISAM 2023 bietet einem breit diversifizierten internationalen Publikum eine hochaktuelle Themenauswahl der Additiven Fertigung im Kontext der Dekarbonisierung, neuartiger Werkstoffkonzepte, Prozessqualifizierungen und Digitalisierung entlang der gesamten Prozesskette und eine Vielzahl weiterer Themen.

Open Lab @Fraunhofer IWS

Am Vorabend der kombinierten Konferenz Laser Symposium und ISAM öffnet das veranstaltende Institut seine Türen zum »Open Lab @Fraunhofer IWS«. Den Konferenzteilnehmenden bieten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am 29. November 2023 tiefe Einblicke in ihre neuesten Forschungsaktivitäten. Während individueller Führungen durch die Labore erleben sie Live-Demonstrationen von neuester Laser-, Material- und Systemtechnologie, können in den Technika, Laboren und an den gezeigten Laseranlagen aktuelle Fragestellungen mit Fachexperten des Instituts diskutieren sowie persönliche Eindrücke von der Arbeit am Fraunhofer IWS sammeln.

Über Laser Symposium und ISAM

Die Kombination von Lasersymposium und ISAM in einer gemeinsamen Konferenz bietet eine einzigartige Plattform für den Gedankenaustausch und die Vernetzung der Wissenschaft mit der Industrie.

Das Laser Symposium bringt die weltweit führenden Laserexperten, Endanwender und Neueinsteiger aus Industrie und Wissenschaft zusammen. Mit dem Schwerpunkt auf den neuesten Laserentwicklungen und deren Eignung für industrielle Anwendungen bietet es eine ideale Plattform für den wissenschaftlichen und technischen Austausch über verschiedene Aspekte der Lasermaterialbearbeitung.

Das International Symposium on Additive Manufacturing (ISAM) beleuchtet die neuesten Entwicklungen und Herausforderungen in der Additiven Fertigung. Denn diese gewinnt für industrielle Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Faszinierende technische Lösungen gepaart mit spannenden wirtschaftlichen Vorteilen bilden starke Triebfedern für die weltweite Forschung und Entwicklung.

Mehr Informationen: https://www.lasersymposium.de/

Ultra-leicht, ultra-dünn, besonders zuverlässig – und trotzdem schnell produziert. Dr. Christopher Taudt, Gruppenleiter Oberflächenmesstechnik im Zwickauer Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien (AZOM) des Fraunhofer IWS, sorgt mit seinem Team dafür, dass Produktversprechen wie diese in die Tat umgesetzt werden. Gemeinsam haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein System entwickelt, das Oberflächenfehler, Artefakte und Texturänderungen detektiert und unterstützt von Künstlicher Intelligenz auswertet.

Das Verfahren ist in der Lage, Oberflächen schnell in hoher Auflösung dreidimensional zu erfassen und aus diesen Messdaten weiterführende Informationen in-line zur laufenden Produktion zu generieren. »Fehler werden nicht nur als solche erkannt. Das System klassifiziert sie zugleich und schafft somit direkt einen weiterführenden Kontext. Unsere Kunden erhalten Informationen über die Art des Fehlers und zahlreiche weitere Parameter wie unter anderem die Defektdichte, die geometrischen Abmessungen des Fehlers oder die Fehlerhäufigkeit«, präzisiert Taudt. »Das stellt einen erheblichen Mehrwert gegenüber herkömmlichen Systemen dar.«

Höhere Genauigkeit bei höherer Geschwindigkeit

Das Messsystem ist seit über einem Jahr erfolgreich in der Anwendung und analysiert auf einer Breite von 70 Zentimetern ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Um weiteres Optimierungspotenzial zu heben, trainieren Christopher Taudt und sein Team SURFinpro bei laufender Produktion. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten dabei mit einem Fehlerkatalog. Mit den gemeldeten Fehlern speisen sie ein neuronales Netz und präzisieren so die Detektion von Anomalien. Die Forschenden überprüfen anhand der Messinformationen etwa, ob es sich um neue Defekte handelt oder ob sich die Fehler verändern. Das System muss entsprechend dynamisch reagieren. »Wir arbeiten einerseits daran, bessere neuronale Netze zu entwickeln, die mit weniger Daten auskommen«, erläutert der Wissenschaftler, »darüber hinaus entwickeln wir neue Trainingsstrategien im laufenden Betrieb.«

Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer AZOM adaptieren ihre Technologie aktuell für zusätzliche Anwendungsfelder, etwa kontinuierliche Fertigungsverfahren von Faserverbundwerkstoffen. »Auf diesem Gebiet geht es unseren Partnern nicht nur um das Vermeiden oberflächennaher Fehler – es geht auch um mehrdimensionales Erkennen und die Beurteilung von Bauteilen«, verdeutlicht Taudt. Eine weitere Zielgruppe, die Zugang zu den Algorithmen und dem System zur Fehlerklassifikation erhalten soll, ist die Halbleiterindustrie, zum Beispiel für die Produktion von flexiblem Halbleitermaterial.

Derzeit kommen bei der Lösung des Fraunhofer AZOM maximal vier Kameras zum Einsatz. In einem weiteren Schritt möchten die Forschenden sie nun um weitere Kamerasysteme ergänzen. Das ist verfahrensunabhängig interessant – ob für Faserverbundwerkstoffe mit sehr großen Bauteilen oder bei klassischen Rolle-zu-Rolle-Verfahren, etwa in der Photovoltaik-Industrie.

Ein weiterer Ansatzpunkt der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Geschwindigkeit der Lösung. Gerade hinsichtlich faserverstärkter Kunststoffe, aber auch in der Textilverarbeitung sind besonders hohe Taktzeiten gefordert. »Geschwindigkeitssteigerung ist in diesem Kontext ein wichtiges Thema und wir haben das Know-how, um diesen Anforderungen zu entsprechen. Bei unserer Lösung nutzen wir Techniken des maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz zum einen für die Auswertung, aber auch zur Beschleunigung von Auswerteschritten«, erläutert der Gruppenleiter und präzisiert: »Eine entsprechende Messauswertung besteht aus einer überschaubaren Anzahl einzelner Schritte, bei denen Daten gefiltert und reduziert werden. Hier entwickeln wir kontinuierlich neue Technologien, um noch schneller zu werden und zum Beispiel aus weniger Daten denselben Informationsgehalt extrahieren zu können.«

Intelligent und ausgefeilt modular

Einen zentralen Aspekt seiner Lösung sieht der Wissenschaftler in deren Modularität. Denn dank eines ausgeklügelten Baukastenprinzips mit erprobt-effizienten Komponenten ist SURFinpro breit einsetzbar und leicht zu adaptieren: »Eine Vielzahl der Technologien, die wir in unserem System einsetzen, wurde als einzelne Bausteine so entwickelt, dass sie sich in verschiedenen anderen Kontexten und Projekten ebenfalls effektiv einbringen lassen.« Das Projekt der Forschenden des Fraunhofer AZOM ist ein Paradebeispiel für den Erfolg und die Praxistauglichkeit dieses modularen Ansatzes.

Auf der diesjährigen Laser World of Photonics präsentieren Christopher Taudt und sein Team ihre Lösung an einem Anwendungsbeispiel für flexible Solarzellen, die in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert werden. Datenaufzeichnung und -auswertung in Prozess-Echtzeit erleben Besucherinnen und Besucher der Messe vom 27. bis 30. Juni am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand 441 in Halle A3.

Feststoffbatterien auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolgetechnologie für heutige Lithium-Ionen-Batterien und versprechen durch Ihre hohe Energiedichte und Stabilität eine größere Reichweite sowie Sicherheit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Als besonders vielversprechend gilt die Kombination mit Schwefel als Kathodenaktivmaterial. Ohne die kritischen Elemente Kobalt und Nickel, die in der Lithium-Ionen-Technik zum Einsatz kommen, erreicht Schwefel in Feststoffbatterien sehr hohe Energiedichten. Große Herausforderungen bringt jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb der Batterie mit sich. Ziel der aktuellen Forschungsarbeiten ist es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoffbatterien einzusetzen. Die hohe Reaktivität des Lithiums begrenzt jedoch die Stabilität und Sicherheit solcher Zellsysteme. Im Rahmen des BMBF-Projekts »MaSSiF« setzen die Projektpartner daher auf ein Anodenmaterial, das sich in aktuellen Forschungsarbeiten auch im Einsatz in Feststoffbatterien als vielversprechende Alternative bewährt hat: Silizium. In der Kombination von Schwefel (bzw. Lithiumsulfid), einem Festelektrolyten und Silizium soll ein innovatives Zellkonzept entstehen, das geringe Materialkosten und hohe Energiedichte vereint.

Effizienzvorteile im Verbund erzielen

Das Projekt »MaSSiF« involviert Forschungseinrichtungen und industrielle Hersteller aller notwendigen Schlüsselkomponenten zur Untersuchung der grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie zur Verarbeitung und Auslegung von Komponenten und Zellen. Auf diese Weise sollen Batteriezellen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer Lebensdauer von mehr als 300 Zyklen entstehen. Neben der hohen spezifischen Energie sollen sich dank günstiger, nachhaltiger Rohstoffe und einer kurzen, lokalen Lieferkette deutliche Kostenvorteile gegenüber heutigen Li-Ionen-Batterien ergeben.

• Das Fraunhofer IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein
• Das Fraunhofer IFAM entwickelt optimierte Separatoren für die Lithium-Schwefel Batteriezelle auf Basis der erforschten Festelektrolyte
• Forschende der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster untersuchen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp
• Die AMG Lithium GmbH entwickelt und produziert sulfidische Festkörperelektrolyte und neue Kathoden-Aktivmaterialien basierend auf Lithiumsulfid
• Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien

Die neue, laserbasierte »Sandwichplattierung« bietet viel technologisches, wirtschaftliches wie auch ökologisches Potenzial für die Industrie: »Mit dieser Technologie lassen sich Leichtbauplatten und -profile deutlich schneller und kostengünstiger herstellen als mit herkömmlichen Methoden wie dem Strangpressen«, betont Andrea Berger, Forscherin am Fraunhofer IWS. »Zudem kommt das neue Verfahren ohne Klebstoffe und andere Zusatzmaterialien aus. Dies erleichtert das Recycling der damit produzierten Leichtbaustrukturen.«

Statt zentimeterdicker schwerer Stahlplatten setzen viele Leichtbauer häufig Sandwichplatten ein. Diese sind trotz ihres bedeutend geringeren Gewichts im Vergleich zu massivem Stahl belastbar genug für Zwischenwände und -decken in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Hallen. Solche Sandwichplatten und Profile bestehen aus waben-, trapez-, steg- oder kugelartigen Hohlkammerstrukturen. Typische Ausgangsmaterialien sind dünner Stahl, Aluminium, Kunststoffe oder andere Werkstoffe. Auf diese Innenstrukturen schweißen oder kleben die Hersteller beidseitig dünne Bleche.

Klassisches Strangpressen stößt an Grenzen

Ausgangspunkt für das neue Laser-Walz-Verfahren war eine Herausforderung, mit der ein großes Waggonbau-Unternehmen an das Fraunhofer IWS herangetreten war: Der Konzern verwendete zwar bereits Leichtbauprofile aus Aluminium für seine Fahrzeugtechnik. Das verwendete Strangpressverfahren ermöglichte aber keine beliebig dünnen Innenstege. Etwa 1,5 Millimeter galten hier als technologisch bedingte Untergrenze. Dem stand und steht der Wunsch gegenüber, möglichst viel Material und Gewicht einzusparen beziehungsweise filigrane Innenstrukturen zu verwenden.

Die Forschenden des Fraunhofer IWS lösten diese Herausforderung mit einer Laserschweiß-Walzanlage. Durch diese Anlage führen sie eine flexible Kernlage aus sehr leichten Innenstrukturen zwischen zwei Walzen, über die sich je ein Deckblech oben und unten abrollt. Dabei zielen Scanner-gesteuerte Laser schräg von beiden Seiten in die dünne Spalte zwischen Kernlage und Deckblech. Dort erhitzen sie die Metalloberflächen punktgenau. Dabei entstehen lokal – abhängig vom gewählten Blechmaterial – Temperaturen zwischen 660 und über 1400 Grad. Die Walzen pressen dann die leicht aufgeschmolzenen Oberflächen von Kernlage und Decke so fest zusammen, dass sie sich dauerhaft verbinden.

Laser-Verfahren drückt Energieverbrauch und erleichtert Recycling

Solche besonders leichten Platten lassen sich im rollenden Verfahren in einem Durchlauf herstellen. Im Vergleich zu klassischen Methoden wie etwa dem Strangpressen bei hohen Temperaturen spart das Laserschweißen viel Energie, da das energiereiche Licht die Metalloberflächen nur hauchdünn lokal aufschmelzen muss. Auch eignet es sich für die preisgünstige Massenproduktion. Schon der Laborprototyp kommt auf ein hohes Fertigungstempo. Zum industriellen Maßstab weiterentwickelt, könnten derartige Anlagen mehr als zehn laufende Meter Leichtbaublech pro Minute schaffen, schätzt Andrea Berger. Zudem lassen sich solche Maschinen schnell auf neue Profil- oder Plattenstrukturen umrüsten. Strangpressen hingegen benötigen bei jeder Anwendung ein anderes Werkzeug, wenn der Kunde ein neues Plattenmodell bestellt.

Per Laser-Sandwichplattierung lassen sich zudem nur noch wenige Zehntel Millimeter dünne, stabile Strukturen erzeugen. Dies entschärft zum Beispiel das erwähnte Dilemma beim Waggonbau. Da das Laserwalzplattieren preiswerte Leichtbaulösungen aus purem, hitzeresistentem Stahl ermöglicht, lassen sich derartige Platten auch überall dort verbauen, wo viele konventionelle Leichtbaukonstruktionen aus Brandschutzgründen bisher tabu waren – zum Beispiel an bestimmten Stellen im Schiffbau. Solch ein breiterer Leichtbaueinsatz wiederum reduziert den Materialverbrauch in der Zulieferindustrie, kann das Gewicht von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen senken und dadurch fossile Brennstoffe oder Strom sparen. Ein weiterer ökologischer Nutzen ergibt sich am Ende des Bauteillebenszyklus: Lasergefügte Sandwichplatten enthalten weder Klebstoff noch Lötmittel oder andere Fremdstoffe, die später in Recyclinganlagen mühsam wieder getrennt werden müssten.

Anwendungen im Schiffs-, Hallen- und Fahrzeugbau absehbar

Marko Seifert, Abteilungsleiter Wärmebehandeln und Plattieren am Fraunhofer IWS, sieht als mögliche frühe Anwender des neuen Verfahrens unter anderem Zulieferbetriebe für Werften und Fahrzeugbauer. Erste Einsatzszenarien könnten zum Beispiel leichte Treppen oder auch Schiffszwischenwände sein, in denen sich dank der hohlen Innenstrukturen der Platten gleich zum Beispiel Stromkabel unsichtbar verlegen lassen. Auch für Lkw-Anhänger und den Hallenbau könnte sich die neue Technologie rasch durchsetzen. Für die nächsten Schritte suchen die Fraunhofer-Forschenden nach Partnern, um die Idee in die Anwendung zu bringen.

Seit Anfang 2023 forscht der ukrainische Robotik-Spezialist Oleksandr Proskurin als Gastwissenschaftler mit Forschenden am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Zusammen entwickeln sie Rückbaumethoden zerstörter und durch nukleare Strahlung kontaminierter Infrastruktur mit Hilfe von Lasertechnik. Proskurin ist Robotik-Experte am Institute for Safety Problems of Nuclear Powerplants (ISP NPP), das zur Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine gehört. »Während des sechsmonatigen Aufenthalts in Dresden werden wir am Beispiel des havarierten Atomkraftwerks in Tschernobyl prüfen, mit welchen innovativen Methoden sich radioaktives Material aus dem Tschernobyl-Sarkophag sicher zerlegen und bergen lässt«, beschreibt Dr. Andreas Wetzig, Technologiefeldleiter für Trennen und Fügen am Fraunhofer IWS in Dresden, das Vorhaben. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sollen später auf den Umgang mit anderen zerstörten und radioaktiv belasteten Infrastrukturen übertragen werden.

Die Fraunhofer-Zukunftsstiftung fördert mit ihrer Initiative, dass schon bei der Beseitigung der Kriegsschäden und besonders beim Wiederaufbau der Ukraine neueste Erkenntnisse der anwendungsorientierten Forschung berücksichtigt werden können. Schwerpunkte des Engagements liegen daher in den Bereichen nachhaltiges Bauen, klimafreundliche Energien, ressourcenschonende Güterproduktion sowie sichere und widerstandfähige Versorgungsstrukturen. »Der Wiederaufbau eines Landes ist eine große Chance, die Infrastrukturen von Grund auf neu zu gestalten. Wir möchten die Ukrainerinnen und Ukrainer dabei unterstützen, ihr Land so aufzubauen, dass es den Ansprüchen einer zukunftsfähigen Entwicklung genügt: ökologisch intakt, sozial ausgewogen und ökonomisch nachhaltig«, erläutert der Vorstandsvorsitzende Prof. Dr. Hans-Jörg Bullinger die Motivation der Stiftung.

Für ihre Initiative kann die Fraunhofer-Zukunftsstiftung auf die Kompetenzen der 76 Institute und Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft an Standorten in ganz Deutschland zurückgreifen. An diesen sollen perspektivisch weitere Forschungsvorhaben mit ukrainischen Expertinnen und Experten in Kooperation mit Unternehmen und der öffentlichen Hand beider Länder gemeinsam entwickelt und umgesetzt werden.

Über die Fraunhofer-Zukunftsstiftung

Die Fraunhofer-Zukunftsstiftung unterstützt und gestaltet die Transformation zu einer nachhaltigen Wirtschafts- und Lebensweise. Ihre Förderung ermöglicht die Entwicklung von Produkten, Dienstleistungen und Geschäftsmodellen, die einen wichtigen Beitrag zur Lösung globaler Herausforderungen leisten. Sie wurde im Jahr 2008 gegründet und fördert gemäß ihrer Satzung ausschließlich Projekte an den Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft.

Weitere Informationen:
www.fraunhofer-zukunftsstiftung.de

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