SAB-Projekte

Der Freistaat Sachsen und die Europäische Union fördern gemeinsam Forschungsvorhaben von sächsischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Um die Innovationskraft der sächsischen Wirtschaft zu stärken, stehen den hiesigen Firmen und Forschungseinrichtungen zahlreiche unterschiedliche Förderinstrumente zur Verfügung.

In verschiedensten SAB-Projekten konnte das Fraunhofer IWS bereits sein fundiertes Know-How, innovative auf das Projekt abgestimmte Lösungen und langjährige Erfahrungen im Projektmanagement einbringen.

Thermal Barrier Coatings for greener heat-to-power applications (TBC4H2)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus
Förderkennzeichen:
 100688418
Laufzeit:
 01.10.2023–30.09.2026


Abstract

Die Entwicklung moderner Flugzeugtriebwerke steht im Zusammenhang mit der Steigerung der Effizienz, indem ihre Komponenten immer anspruchsvolleren Betriebsbedingungen ausgesetzt werden. Zusätzlich werden immer strengere Anforderungen zur Verringerung der Gas- und Lärmemissionen gestellt. Die Erfüllung dieser Erwartungen hängt mit der kontinuierlichen Erhöhung der Gastemperatur am Turbineneintritt zusammen und erfordert moderne Werkstoffe mit erhöhter Beständigkeit unter Oxidations- und Hochtemperaturkorrosionsbedingungen. Die Verwendung von wasserstoffbasierten Kraftstoffen wird zu neuen Degradations-/Abbaumechanismen der Werkstoffe führen, die mit der Anwesenheit von Wasserdampf in den Abgasen zusammenhängen.

Das Ziel des TBC4H2 Projekts ist es, neue Erkenntnisse über das Hochtemperaturverhalten von Wärmedämmschichten (engl. Thermal Barrier Coatings, TBC) für Flugzeugtriebwerksturbinen zu gewinnen, die  über den Möglichkeiten der derzeit verwendeten Superlegierungen arbeiten sollen, einschließlich erhöhter Wasserdampfgehalte in der Atmosphäre. Das Projekt bildet mit seiner Interdisziplinarität aufgestellten und wissenschaftlich exzellenten Partnern die gesamten Wissens- und Wertschöpfungskette ab. 

Die Teilziele des Projekts sind:

  • Entwicklung von Platin-reichen-Diffusionsschichten und thermisch gespritzten Nickel-basierten Haftschichten auf einkristallinen Nickel-Basis-Superlegierungen der 2. Generation 
  • Entwicklung von thermisch gespritzten einlagigen keramischen Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid (YSZ) und multilagigen YSZ/GSZ (Gadoliniumzirkonat) Deckschichten mit niedriger Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung des Suspensionsspritzens und deren Vergleich zu den Referenz-Schichten
  • Hochtemperaturoxidationstests in isothermen und thermo-zyklischen Bedingungen unter trockener Luft und wasserdampfhaltigen Atmosphären bei 1200 °C, die für die Wasserstoffverbrennung typisch sind
  • Untersuchung der Schichtmikrostruktur und -haftung, Grenzflächenzonen mittels laserbasierter LASAT-Methode
  • Entwicklung von numerischen Modellen und Zusammenhängen zwischen Schichtaufbau und deren Hochtemperaturverhalten
  • Herstellung und Demonstration der neu entwickelten TBC Schichtsystemen auf Turbinenschaufeln.

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Grüne Mobilität »made in Saxony« – Innovative Lösungen für zukunftsweisende Automobil- und Industrieanwendungen (Future Mobility)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Die Zuwendung wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes zur Verfügung gestellt.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben: 
Entwicklung einer optischen Hochvakuummesssonde für ein Partikelmesssystem in der Prozessüberwachung

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen:
 100687751
Laufzeit:
 01.07.2023–30.06.2026

 

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Lithium Metal Coating Technologies for Future Generation Batteries (LiMeCore)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus
Förderkennzeichen:
 100688425
Laufzeit:
 01.05.2023–30.06.2026


Abstract

Die saubere und kosteneffiziente Energiespeicherung ist eine der größten technologischen Herausforderungen für Europa in der nahen Zukunft. Es besteht ein dringender Bedarf an Hochleistungs-Energiespeichern, die über die derzeitige Lithium-Ionen-Batterie-Technologie hinausgehen. Lithium-Metall-Batterien haben sich als das vielversprechendste Konzept zur Verbesserung der Energiedichte und damit der autonomen Reichweite von Elektrofahrzeugen erwiesen. Folglich ist die Lithium-Metall-Anode eine Schlüsselkomponente für Batterien der nächsten Generation.

Zukünftige Zellchemien erfordern sehr dünne Lithiumschichten, die direkt auf Stromabnehmerfolien aufgebracht werden. Darüber hinaus haben die Oberflächeneigenschaften der Lithiumfilme einen starken Einfluss auf ihre Verarbeitbarkeit bei der Zellmontage und auf die Zellleistungsfähigkeit (Zykluslebensdauer und Leistungsvermögen). Bisher gibt es kein Konzept für die Verarbeitung von metallischen Lithiumanoden (Schichtabscheidung und Oberflächenbehandlung), welches einen technischen Weg zu einer großtechnischen Produktion bietet.

Ziel von LiMeCore ist die Entwicklung stabiler Lithium-Metall-Anoden mit skalierbaren Fertigungsverfahren. Erreicht werden soll dies durch Innovationen im Bereich der Grenzflächentechnik und der Oberflächenmodifikation unter Beteiligung eines interdisziplinären Konsortiums entlang der Prozess- und Wertschöpfungskette, von Materialinnovationen und In-situ-Charakterisierung über Prozessentwicklung und Upscaling bis hin zur Technologiedemonstration in Prototypzellen. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Technologien werden eine generische Plattform für die Verarbeitung von Lithium-Metall-Anoden bilden, die sowohl für Flüssig- als auch für Festkörperbatterien geeignet ist.

Das LiMeCore-Konsortium mit fünf Partnern aus Belgien, Taiwan und Deutschland ist perfekt aufgestellt, um diese ehrgeizigen Ziele durch Materialinnovation und -charakterisierung, Beschichtungsprozessentwicklung und Schnittstellenuntersuchung und Technologiedemonstration zu erreichen. Die beteiligten Partner sind bereits für ihre wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Li-Metallanoden bekannt und bieten gleichzeitig durch ihr bestehendes Patentportfolio (Patente auf Li-Schmelzabscheidung und Plasmabehandlung) und die Beteiligung der MPG als industrieller (KMU-)Partner einen Weg zur kommerziellen Verwertung. Bei Erfolg wird LiMeCore eine Antwort auf die wichtigsten Herausforderungen künftiger Energiespeicher geben und die Mitglieder des Konsortiums als wachsende und wettbewerbsfähige Innovationsmotoren mit technologischer Führerschaft made in Europe etablieren.

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Gradient- and multi-matErial procEssing of Next-generation solid-state-lithium-Batteries using direct maTerial processing (GREEN-BAT)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100640833
Laufzeit:
 01.09.2022–31.08.2025


Abstract

Die rasante weltweite industrielle Entwicklung, das Bevölkerungswachstum und der damit verbundene Transportbedarf in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und vor allem im Automobilbau haben einen sprunghaften Anstieg des Verbrauchs an fossilen Brennstoffen verursacht. Weltweit wird nach alternativen Energiequellen bzw. Speichermöglichkeiten, mit besonderem Schwerpunkt auf Kraftfahrzeuge, gesucht. Unter den verschiedenen alternativen Energiequellen sind Festkörper-Lithium-Batterien (all-solid-state-lithium-batteries - ASSLBs) eine vielversprechende Speichermöglichkeit, die sich durch wesentlich verbesserte Sicherheit (z. B. Brandfall), vereinfachtes Batteriezelldesign und sehr hohe gravimetrische Energiedichte auszeichnet.

In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt der Forschung zu ASSLBs auf der Identifizierung von alternativen Materialien, der Zusammensetzung für Elektroden und insbesondere Feststoffelektrolyte, die das Herzstück von ASSLB bilden. Keramische Festkörperelektrolyte nach dem neuesten Stand der Technik, wie Granate und verschiedene Sulfide, sind inzwischen ausreichend leitfähig, so dass die Elektrolyte nicht mehr die größte Hürde für die Entwicklung von ASSLB sind. Ähnlich verhält es sich mit den Anoden- und Kathodenmaterialien, welche bereits heute geringe Kosten, bessere Umweltverträglichkeit und höhere Zyklenfestigkeit auch bei hohen Temperaturen bieten. Trotz der Existenz geeigneter Materialien für Elektroden und Elektrolyt ist die Akzeptanz von ASSLBs in verschiedenen Industrien immer noch begrenzt. Dies liegt beispielsweise an den aufwändig herzustellenden Elektroden sowie an den komplexen Technologien zur Verarbeitung von Feststoffelektrolyten wie Sol-Gel, Slurry-Beschichtung durch Rakelabscheidung, Funkenplasmasintern, lösungsbasierte Infiltrationsverfahren, Aufdampfen und Weitere. Alle diese Technologien haben einige gemeinsame Probleme wie hohe Kosten, hohe Ausschussrate, geringer Durchsatz bei hohem Energieeinsatz und vor allem die Skalierbarkeit für die Massenproduktion. Hinzu kommt, dass alle ASSLB-Bestandteile in einzelnen Prozessschritten hergestellt werden, was zusätzlichen Aufwand für Logistik und die Montage wie Pressen, Schweißen usw. bedeutet.

Dies sind einige der Hauptgründe, warum sich ASSLBs bisher nicht im größeren Maßstab etablieren konnten. Das Projekt GREEN-BAT wird einen Beitrag leisten, genau diese Probleme zu lösen, indem es eine neuartige Herstellungsroute für lithiumbasierte Festkörperbatterien unter Verwendung von etablierten und skalierbaren Multimaterialtechnologien untersucht. Angewendet werden soll das Laser-Auftragschweißen (L-DED) und das Plasmaspritzen, welche Pulver und Suspensionen als Ausgangsmaterial nutzen. Das Projekt zielt darauf ab, diese neuartige Idee von TRL2 (Technology Readyness Level) auf TRL3 zu entwickeln.

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On the fly laser beam shaping for Laser Metal Deposition of cracksensitive Al-Ti alloys (ShapeAM)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Additive Fertigung mittels LMD unter Verwendung CBC OPA Faserlaser von CIVAN mit unbegrenzten Strahlformen und Scanmuster + Simulation

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100582969
Laufzeit:
 01.06.2021–31.05.2023


Abstract

Das Ziel des M-ERA.NET-Projekts ShapeAM ist es, erstmals einen neuartigen CBC OPA Faserlaser für die Additive Fertigung einzusetzen. Die CBC OPA Faser wird von CIVAN Advanced Technologies aus Israel hergestellt und bietet einzigartige Möglichkeiten zur Erzeugung nahezu unbegrenzter Strahlformen und Scanmuster. Dieses schnelle Laserstrahlformungswerkzeug ermöglicht beispiellos modifizierbare Intensitätsverteilungen für eine verbesserte Kontrolle der Schmelzbadform, -größe und -dynamik, die dazu beitragen werden, den additiven (AM) Prozess signifikant zu verbessern: zu nennen sind hier die Reduzierung der Rissanfälligkeit, ein verzugsarmer und endkonturnaher Formaufbauprozess, reduzierte Bauteiloberflächenrauigkeit sowie die Fähigkeit, kritische und sogar völlig neue Materialien zu bearbeiten. Das Fraunhofer IWS aus Deutschland wird modellieren, wie diese schnellen Möglichkeiten der Laserstrahlformung in anspruchsvolle experimentelle Fertigungsstrategien für AM-Bauteile umgesetzt werden können.

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Laser cladding as resource efficient manufacturing route for high temperature corrosion and wear re-sistant coatings based on High Entropy Alloys (cladHEA+)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Project coordination; database for data exchange; in-situ alloying of HEA by laser cladding and upgrade of the existing system technology

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100515990
Laufzeit:
 01.07.2020–30.06.2023


Abstract

Gegenstand des (M-ERA.net) Vorhabens "cladHEA+" ist die Erforschung laserbasierter Auftragschweißprozesse als Tool für die Entwicklung von neuartigen Hochentropielegierungen für umweltfreundliche Verschleiß- und Korrosionsschichten. Nach wie vor fehlen  hochverschleißfeste Schichtsysteme im Hochtemperaturbereich. Die derzeit am häufigsten verwendeten Verschleißschutzschichten sind Kobaltbasislegierungen wie Stellit 6®. Obwohl sich diese Legierungen bewährt haben, muss das Element Kobalt aus verschiedensten Gründen ersetzt werden. Zum einen wurde das Kobaltelement von der Europäischen Kommission als kritische Ressource identifiziert und zum anderen sind die Kosten für Kobalt in den letzten Jahren stark gestiegen.
Im Mittelpunkt des internationalen Forschungsprojekts steht die neue Materialgruppe der Hochentropielegierungen (HEA) als alternatives Schichtsystem.
 In dem Projekt sollen folgende wissenschaftlichen und technischen Ziele untersucht werden:

  1. Beschleunigung und Erweiterung des Wissens in der Materialwissenschaft zu den Hochentropielegierungen (HEA) durch den Aufbau eines internationalen Netzwerks
  2. Schließen der Lücke zwischen simulations-/modellierungsbasierten Entwicklungsansätzen und Praxisergebnissen durch Vergleich und Modellierung der Ergebnisse
  3. Aufbau einer Open-Source-Datenbank zu HEAs für weitere Forschungsprojekte
  4. Entwicklung von innovativen Beschichtungen für stark verschleiß- und korrosionsbelastete Einsatzgebiete bei hohen Temperaturen in industriell relevanten Prozessen, vor allem in der low-carbon und alternativen Energieerzeugung.

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Simulation-aided design of solid lubricant coatings (LUBRICOAT)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Development of hard MoS2/carbon hybrid coatings with Laserarc

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100582372
Laufzeit:
 01.06.2021–31.05.2024


Abstract

Das Teilprojekt hat das Ziel die Eigenschaften von superharten amorphen Kohlenstoffschichten und reibungsarmen, aber sehr verschleißempfindlichen Festschmierstoffen zu vereinen. Die Entwicklung solcher neuartigen Hybridschichten, die gute Schmiereigenschaften und eine verschleißfeste Grundschicht  kombinieren, wird erstmals durch eine kontrollierte Vakuumbogen-Abscheidung zwei verschiedener Materialien ermöglicht. Grundlage hierfür ist eine neuartige Beschichtungsquelle, die eine kürzliche Weiterentwicklung des industriell erprobten LaserArc-Verfahrens ist. Die Aufgabe des Teilprojekts ist es durch Anpassung der Beschichtungsparameter neue Schichtsysteme zu entwickeln, die industriellen Grundanforderungen bezüglich Haftung, Mindesthärte und Mindestschichtdicke genügen, um im Rahmen des Verbundprojekts wissenschaftlich und industriell erprobt werden zu können. 

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Novel metallic materials, feedstock and fabrication processes for high-performance additive manufactured goods (NovMat-AM)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Project coordination, direct energy deposition (DED) and hybrid processes, post processing (Heat treatments)

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100582943
Laufzeit:
 01.07.2021–30.06.2024


Abstract

Das Vorhaben NovMat-AM verfolgt das Ziel die Prozesse für Synthese und Verarbeitung neuartiger metallischer, auf HEA basierender, Hochleistungswerkstoffe mittels moderner additiver Fertigungs-techniken zu entwickeln und das Eigenschaftspotential dieser so hergestellten Legierungen vergleichend zu erforschen. Damit soll ein wesentlicher Beitrag für den Übergang von der Grundlagenforschung zur angewandten HEA-Forschung geleistet werden und der zukünftige Einsatz der HEA in Hochtemperaturanwenden (T > 600°C) in der Luftfahrt und Energietechnik sowie im Werkzeugbau eingeleitet werden. Innerhalb des Projektes werden Beiträge zu folgenden Themen angestrebt:

  1. Verbesserung der Verfügbarkeit von neuartigen metallischen Hochleistungswerkstoffen auf der Basis von HEA für die additive Fertigung von hochwertigen Produkten in der Luft- und Raumfahrt, der Energietechnik und dem Werkzeugbau.
  2. Entwicklung und Bereitstellung von kostengünstigem und qualitativ hochwertigem Feed-stock (Pulver, Filament) für die additive Fertigung von HEA.
  3. Die Entwicklung von Technologien für die additive Fertigung von metallischen Komponenten bestehend aus HEA mit herausragenden mechanischen und korrosiven Eigenschaften.
  4. Die Realisierung einer ressourcen- und energieeffizienten Fertigung sowie die Entwicklung von Reparaturstrategien zur Lebensdauerverlängerung von Bauteilen im Einklang mit den europäischen Zielen von RRR (Reuse, Recycling, Reduce).
  5. Der Aufbau eines internationalen Netzwerks zur schnellen Erweiterung der Wissensbasis bezüglich der vielversprechenden neuen Werkstoffklasse der HEA unter Einbeziehung von Prozess- und Materialdatenbanken.

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Stable and safe lithium metal / sulfur batteries enabled by carbon felt current collectors and advanced interface technologies (SLIM-FIT)

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.
Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landestag beschlossenen Haushaltes.

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Entwicklung von Li-S-Battteriezellen auf Basis von CNT-Stromkollektoren

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Förderkennzeichen:
 100589068
Laufzeit:
 01.07.2022–30.06.2024


Abstract

Eine rasche Umsetzung der Elektrifizierung im Verkehrsbereich ist erforderlich, um die Luftverschmutzung und den CO2-Ausstoß deutlich zu reduzieren und damit den Point of no Return bezüglich des Klimawandels abzuwenden. Darüber hinaus ist ein schnelles Marktwachstum für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) zu beobachten und es wird erwartet, dass neue Marktchancen entstehen, wie z. B. die emissionsfreie Luftfahrt und andere mobile Anwendungen. Während Lithium-Ionen-Batterien die führende State-of-the-Art-Technologie sind, befinden sich neue Zellsysteme, Materialien und Produktionstechnologien in der Entwicklung. 

Die Übertragung bestehender Verarbeitungstechnologien und Konstruktionsregeln aus der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien auf Batterien der nächsten Generation führt jedoch häufig zu Leistungseinschränkungen. So wird das volle Potenzial neuer Zellsysteme noch nicht ausgeschöpft. Für Lithium-Schwefel-Batterien als Beispiel wurde bisher nur ~1/6 der theoretischen Energiedichte in Prototypzellen nachgewiesen. Die Entwicklung von Batterietechnologien und disruptiven Zelldesigns, die an die spezifische Zellchemie angepasst sind, ist eine Möglichkeit, bestehende Einschränkungen zu überwinden und verbesserte Energiespeicher für neue Anwendungen bereitzustellen.

Hauptziel von "SLIM-FIT" ist es daher, ein fortschrittliches Batteriezellendesign zu etablieren, das auf innovativen, ein poröses Substrat durchdringenden Elektroden- und Separatorbeschichtungen basiert und auf stabile und sichere Lithium-Schwefel-Batterien (als vielversprechende "Post-Li-Ion"-Technologie) für mobile Anwendungen abzielt. Am Fraunhofer IWS werden die Batteriezellen entwickelt und bewertet.

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Senkung der Feinstaubemissionen durch Antriebssysteme Entwicklung einer kostengünstigen Oberflächenlösung (BREMSclad)

Fraunhofer IWS Teilvorhaben:
Systemtechnik- und Prozessentwicklung für neuartige Hochleistungsverbundschichten

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen:
 100552824/4114
Laufzeit:
 15.05.2021–30.11.2022


Abstract

Die neuen Mobilitätskonzepte des 21. Jahrhunderts, bei denen Elektrofahrzeuge eine dominierende Rolle spielen, erfordern radikale Änderungen im technischen Aufbau aller Komponenten eines zeitgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Bremsen zählen hierbei unverändert zu den zentralen und ultimativen Sicherheitssystemen eines jeden Fahrzeugs. Sie genügen in der heute noch üblichen konventionellen Art nicht mehr den technischen, ökologischen und insbesondere auch gesetzlichen Vorgaben.

Das Vorhaben zielt deshalb auf ein innovatives laser- und oberflächentechnisches Konzept für eine neue Generation von Bremsscheiben, dessen Realisierung gleichermaßen das erforderliche Bremsvermögen, aktive und passive Sicherheit von Fahrzeug, Insassen und Verkehrsteilnehmern sowie eine drastische Verringerung der Feinstaubemission bei Millionenstückzahlen dieser Bauteile wirtschaftlich gewährleistet.

Die ambitionierten Ziele des Vorhabens sollen durch die Erarbeitung einer durchgängigen Fertigungskette auf der Basis neuer karbidischer Werkstoffe zum Herstellen innovativer Verbund-Bremsscheiben erreicht werden. Im Zentrum steht eine fortgeschrittene Hochleistungs-Variante des Laser-Auftragschweißens, mittels derer funktionsoptimiert entwickelte Karbide in einer Metallmatrix auf die Scheiben-Grundkörper aus Gusseisen aufgetragen werden. Neben dem hohen werkstoffwissenschaftlichen Anspruch dieser Lösung bestehen weitere Herausforderungen in der Erarbeitung der für die spätere Massenproduktion qualifizierten Laser-Systemtechnik sowie im Erreichen eines sicheren und stabilen Laserprozesses mit höchster Produktivität. Final gefertigte Demonstratoren sollen die Eignung der neuen Verbundscheiben für die industrielle Serienfertigung nachweisen.

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AI-TestBench: KI-Algorithmen für Laser-Oberflächenstrukturierung

Fördergeber: Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

Förderkennzeichen: 100539703
Laufzeit:
01.01.2021–31.12.2021


Abstract

Der Einsatz von Laserstrahlung als photonisches Werkzeug in der Produktion ist industriell etabliert und hat zu einem Wandel geführt, bei dem klassische Fertigungsverfahren durch laserbasierte Prozesse zunehmend ersetzt werden. An dieser Entwicklung ist das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahlentechnik IWS maßgeblich beteiligt. Aufgrund des digitalen Wandels in den konventionellen Technologien der Oberflächenbearbeitung kommt dem Fraunhofer IWS Dresden mit seinen Erfahrungen in der Lasertechnik und dem KI-basierten “Predictive Modelling” eine wichtige Rolle zu.

Dieser vielseitige Einsatz photonischer Produktionstechnologien in der Lasermikrobearbeitung erfordert jedoch eine enorme Variation der Prozessbedingungen, so dass bisher ein erheblicher Teil der Aufwände auf die iterative Identifizierung prozessstabiler Parameter und geschwindigkeitsoptimierter Prozessstrategien entfällt. Insbesondere das Auswerten von Topographien mit Merkmalen im Nano- und Mikrometerbereich ist oftmals sehr zeitaufwendig und prozessseitig wenig automatisiert, insbesondere beim Nutzen disruptiver laserinterferenzbasierter Technologieansätze wie der Direkten Laserinterferenzstrukturierung zur Funktionalisierung von Oberflächen mit biomimetischen Strukturen. In diesem Bereich konnte bereits erfolgreich gezeigt werden, dass KI-basierte Ansätze die Prozessentwicklung und die technologische Nutzbarmachung funktionalisierter Oberflächen (z.B. selbstreinigende Oberflächen nach Vorbild des Lotuseffektes) deutlich beschleunigen können. Die während des Laserfertigungsprozesses anfallenden Datenmengen können insbesondere auch für vorausschauende Analysen genutzt werden, so dass Minderqualitäten und Maschinenstillstände frühzeitig erkannt werden können. Dies ist allerdings nur in einer ganzheitlichen Lösung mit prozessintegrierter Datenerhebung zu erwarten, in der sich das selbstlernende Produktionssteuerungssystem automatisch an den sich verändernden Kontext anpassen kann, um stets das Optimum im Produktionsprozess zu erzielen.

Das Ziel der beantragten strategischen Investition am Fraunhofer IWS ist der Aufbau eines disruptiven Laser-Experimentalsystems, das mit einer KI-basierten, lernenden Expertenplattform gekoppelt ist. Dies soll eine vollständige Vorhersage der Ergebnisse des Laserprozesses inklusive der Strahl- und Optikparameter mit Hilfe von KI-basierten Modellen im Kontext einer lernenden Plattform ermöglichen. Die Anlage adressiert dabei die Entwicklung eines ”Photonic Predictive Manufacturing Systems” basierend auf mehreren gekoppelten KI-gestützten Vorhersagemodellen. Die IoT-Systeme und die Sensor-Subsysteme, welche die photonischen Prozesse, die Sicherheit, den Zustand der Maschine, die Metrologie der zu erzeugenden Oberflächen überwachen und kontrollieren, bilden die Gemeinschaft der Sensoren und somit das Herz des digitalen Wandels in einer Laseranlage. Diese eingebettete Photonik bildet die Basis für den virtuellen Zwilling eines gesamtheitlich zu betrachtenden Systems.

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