Forschungsdatenblätter

MIKROALGEN FÜR DIE NACHHALTIGE AQUAKULTUR

In der Bioökonomie werden biologische Ressourcen für die Produktion von Chemikalien, Wertstoffen, Nahrungsmitteln, Futtermitteln und Energie genutzt. Dabei werden nachwachsende Rohstoffe eingesetzt, ohne nicht-nutzbare Nebenprodukte zu schaffen. So können auch Mikroalgen vielfältige Produkte herstellen: pharmazeutische Wirkstoffe, Kosmetikprodukte, Feinchemikalien, Farbstoffe, Nahrungsergänzungsmittel wie mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Nahrungsmittel für Menschen, Tiere und die Aquakultur, aber auch Massenchemikalien und Bioenergie. Mikroalgen nutzen wie Landpflanzen Sonnenlicht und CO2 um Sauerstoff und Energie herzustellen. Im Gegensatz zu Landpflanzen können Mikroalgen aber fünf Mal mehr Biomasse pro Hektar bilden, wobei über die Hälfte dieser Biomasse Öl enthalten kann. Auch können Mikroalgen in Gegenden kultiviert werden, die für Landpflanzen ungeeignet sind, wie offene Meeresflächen und Trockengebiete. Derzeit können nur Hochwertprodukte, wie pharmazeutische Substanzen und Feinchemikalien, ökonomisch sinnvoll hergestellt werden. Andere Produkte sind nicht teuer genug um eine kostenintensive Herstellung im Bioreaktor zu rechtfertigen.Im Forschungsvorhaben „Mikroalgen für die nachhaltige Aquakultur“ sollen deshalb verschiedene Mikroalgen zur Reinigung von Abwässern und der gleichzeitigen Produktion von mehrfach ungesättigten Fettsäuren untersucht werden.

ENTWICKLUNG EINES BIONISCHEN, LOWCOST, GELENKFLEXIBLEN ROBOTERARMS ALS HANDLUNGSEINHEIT FÜR DIE MENSCH-MASCHINEN-KOLLABORATION

Gelenkroboter werden in großer Variationsbreite in modernen Produktions- und Montagelinie eingesetzt. Sie übernehmen zunehmend Arbeiten, die für den Menschen entweder schwer zu leisten sind oder ein großes Sicherheitsrisiko bedeuten können. Dabei bewegen sie schwere Lasten oder arbeiten in widrigen Umständen. Tritt nun der Mensch in den Arbeitsbereich der Roboter, so kann dies schwere Verletzungen nach sich ziehen. Starre Roboter dürfen deshalb nur innerhalb abgesicherter Bereiche – hinter Schutzzäunen oder Lichtschranken – betrieben werden, was es wiederum dem Mensch erschwert, mit den Robotern direkt zu agieren. Die Mensch-Maschine-Kollaboration ist jedoch eine notwendige Kollaboration, die heute nur mit sehr großem technischen Aufwand realisierbar ist. Um mögliche Sicherheitsrisikos zu vermeiden, werden Roboter entweder mit aufwendigen Sensoren bestückt oder es wird versucht, die Gelenkarme nachgiebig, bzw. flexibel zu gestalten. Ziel des neuen Forschungsprojekts „BioFlexRobot“ ist die Entwicklung eines Gelenkroboters, der im direkten Zusammenwirken mit dem Menschen einsetzbar ist und dabei ohne aufwendige und kostenintensive Technologie auskommt.

NEUE WEGE IN DER ROBOTERPROGRAMMIERUNG MIT MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION (MRK) UND MOTION-CAPTURE (MoCap)

Moderne Industrieroboter sind heute in der Lage, ihre Arbeitsschritte in direkter Zusammenarbeit mit dem Menschen zu verrichten. Dadurch lassen sich Roboter sehr flexibel in der Fertigung – sogar in gemischten Anlagen mit Mensch und Maschine – einsetzen. Demgegenüber steht jedoch ein sehr hoher Aufwand für die Programmierung, der Zeit und Expertenwissen voraussetzt. Um den zeitlichen Aufwand zu verringern und die Programmierung der Robotersysteme zu vereinfachen, soll im Forschungsvorhaben „Neue Wege in der Roboterprogrammierung mit Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) und Motion-Capture (MoCap)" ein Methodenbaukasten bis hin zur Anwendungsreife entwickelt werden. Mit dessen Hilfe können Industrieroboter auf einfache Art in kurzer Zeit programmiert werden und entsprechend der Programme mehrere Arbeiten ausführen.

WIRTSCHAFTLICHES ADDITIVE MANUFACTURING DURCH MODULARE MASCHINENKONZEPTE FÜR KLEINSERIENPRODUKTION IN KMU

Der 3D-Druck ermöglicht es, aus digitalen dreidimensionalen Modellen reale Gegenstände herzustellen. In der Industrie wird die Anwendung dieser Technologie als Additive Fertigung bezeichnet und findet in Verfahren wie dem Rapid Prototyping Verwendung. Die Anschaffungskosten solcher Industrieanlagen sind durch die geforderte Bauteilgenauigkeit und Maschinenverfügbarkeit sehr hoch. Hinzu kommen lange Fertigungszeiten der Bauteile, was in hohen Stückkosten resultiert. Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind solche Industrieanlagen deshalb nicht rentabel. Im Forschungsprojekt „AddPro-KMU - Wirtschaftliches Additive Manufacturing durch modulare Maschinenkonzepte für Kleinserienproduktion in KMU" soll deshalb ein 3D-Druck-Konzept entwickelt werden, das auch für solche Unternehmen wirtschaftlich ist.

UNDERGROUND ROBOTIC SYSTEM FOR MONITORING, EVALUATION AND DETECTION APPLICATIONS

The number of underground mines is increasing worldwide. The hazardous environments in mines result in high risk for injuries and fatalities. The approximately 657 underground mines in the USA, alone, have an average of 20 fatalities and 1972 serious injuries per year, which are mostly caused by ceilings or walls collapsing. Therefore, the demand to explore unknown areas for operation and safety purposes in underground mines, but also in sewage tunnels and other underground areas, is very high today and will increase in the future. The UNDROMEDA project aims to develop a robotic underground measurement system for autonomous 3D mapping and monitoring. The system is based on a mobile wheel-driven platform which additionally carries a flying drone to approach particularly unknown, difficult to access, or hazardous areas in underground mines and other underground environments. The autonomous platform and drone will significantly reduce the risk to underground personnel by replacing manual measurements. Automation will reduce time and costs for mapping and monitoring while advanced sensors and their integration will dramatically enhance the information density and quality.

HERSTELLUNG MECHATRONISCHER MODULE AUF BASIS VON KUNSTSTOFFFOLIEN DURCH KOMBINATION VON DRUCKTECHNOLOGIEN UND HOCHDRUCKFORMEN

TEILPROJEKT 1 – DRUCKTECHNOLOGIEN

Die Funktionsintegration in mechatronischen Modulen also Baugruppen mit kombinierter elektronischer und mechanischer Funktionalität ist für eine Vielzahl von Branchen von besonderem Interesse. Diese Tatsache wird beispielsweise durch die zunehmende Verwendung räumlicher elektronischer Baugruppen (MID) unterstrichen. Allerdings bringt der Einsatz herkömmlicher MIDs für die Realisierung mechatronischer Module spezifische verarbeitungstechnische Nachteile mit sich. Dazu gehört beispielsweise die Notwendigkeit der dreidimensionalen Bestückung mit elektronischen Bauteilen, was heute nur mit großem prozesstechnischem und finanziellem Aufwand realisierbar ist.

DATENBASIERTE AUTOMATISIERUNGS- UND ANTRIEBSTECHNIK FÜR EFFIZIENTE PUMPENSYSTEME

Pumpensysteme haben weltweit ein sehr breites Einsatzgebiet und benötigen daher einen entsprechend hohen Anteil der insgesamt bereitgestellten Energie. Die Automatisierungstechnik besitzt das Potential, einen signifikanten Anteil dieser Energie einzusparen, ohne den Aufbau der Anlagen zu verändern. Aus den vielfältigen Anwendungsbereichen von Pumpen entsteht auch eine sehr variantenreiche Anordnung der Pumpensystemkomponenten. Die dabei bestehenden Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz werden jedoch oft nicht berücksichtigt und Pumpen werden nicht bestmöglich betrieben. Im Projekt „Datenbasierte Automatisierungs- und Antriebstechnik für effiziente Pumpensysteme“ sollen Methoden und Werkzeuge bereitgestellt werden, die es erlauben, ohne eine Veränderung der Anlagen oder Pumpen selbst, die Energieeffizienz zu steigern.

ALTERNATIVE VERDICHTUNGSVERFAHREN FÜR NANOPARTIKELHALTIGE TINTEN GEDRUCKT MIT DIGITALEN DRUCKVERFAHREN FÜR PLANARE MID

In der Elektronik werden seit Jahren neue Druckverfahren für die Produktion untersucht. Digitale Druckverfahren wie Inkjet- oder Aerosol-Jet-Druck bieten gegenüber bisher eingesetzten maskenbehafteten Verfahren viele Vorteile und haben sich vor allem in der Funktionalisierung von planaren Bauteilen, wie Chipkarten, bewährt. Die Tinten für den Druckprozess werden aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit in der Regel aus Nanopartikeln, meist aus Silber oder Kupfer, hergestellt. Eine Herausforderung stellt dabei noch der Verdichtungsprozess (Sintern) dar. Durch die Verdichtung wird eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Nanopartikelschicht erreicht und die mechanische Fixierung der Schichten sichergestellt. Bislang werden die gedruckten Strukturen mittels freier Konvektion verdichtet. Diese thermische Behandlung ist jedoch aufgrund der langen Prozessdauer, des hohen Energieeinsatzes und der hohen thermischen Belastung für viele polymere Substrate nicht geeignet. Im hier vorgestellten AiF-Gemeinschaftsforschungsprojekt sollen deshalb durch zwei Forschungsstellen (TH Nürnberg und FAU), zusammen mit mehreren industriellen Partnern, alternative Verdichtungsverfahren für gedruckte Leiterbahnen auf polymeren Substraten untersucht werden. Seitens der Industrie wird das Vorhaben u.a. von den Firmen Adphos digital printing GmbH, Clariant Produkte GmbH, Dr. Hönle AG, GSB-Wahl GmbH, Neotech AMT, RF Plast GmbH, SEHO Systems GmbH und Zollner Elektronik AG unterstützt.

VARIABLE FILAMENTBAHNEN FÜR EFFIZIENTEN UND SCHNELLEN 3D-DRUCK MIT FDM

Der 3D-Druck nimmt in der Industrie eine immer größer werdende Rolle ein. Die sogenannte „Schmelzschichtung“ ist beim additiven Aufbauen von Werkstücken die heute üblichste Methode. Bei diesem Verfahren, das auch als „Fused Deposition Modeling (FDM) oder „Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird, wird das Werkstück schichtweise aus schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut. Der im Druckkopf (Extruder) erhitzte Kunststofffaden (Filament) wird dabei in Schichten auf das Werkstück aufgetragen. Die Detailliertheit des Werkstückes ist abhängig vom Düsendurchmesser. Feinere Düsen lassen eine höhere Auflösung zu. Jedoch benötigen sie auch mehr Zeit für den Druckvorgang, weil nur dünnere Schichten möglich sind als bei vergleichsweise gröberen schnelleren Düsen. Im Vorlaufforschungsprojekt „ FlexFilament“ soll deshalb eine grundlegend neue Technik erarbeitet werden, mit der der Düsendurchmesser und damit der Durchmesser des Fadens und die Dicke der Schicht variiert werden kann.

NEUE LASERGENERIERTE MEHRPHASIGE WERKSTOFFE FÜR KUNDENINDIVIDUELLE BAUTEILE FÜR PUMPEN

Die Anforderungen an Werkstoffe die für Pumpen und Armaturen verwendet werden sind häufig hoch. So müssen sie beispielsweise hohen Zug- und Druckbelastungen standhalten und sollen korrosions- und verschleißbeständig sein. Deshalb werden in der Regel hochlegierte mehrphasige Materialien, wie Duplexwerkstoffe, verwendet. Gegenwärtig werden Duplexstähle durch konventionelle Guss- und Schmiedeverfahren hergestellt. Um die Leistungsfähigkeit von Werkstoffen zu verbessern, werden in der Entwicklung und Herstellung die Eigenschaften metallischer Werkstoffe für eine spezifische Anwendung modifiziert und optimiert. Diese Leistungssteigerung kann durch die Wahl eines geeigneten Designs, die Verwendung von Werkstoffverbunden oder der Anpassung des Gefüges erfolgen. Im Projekt soll das generative Strahlschmelzverfahren (Selective Laser Melting – SLM), als Alternative zu herkömmlichen Verfahren, in die Herstellung von Bauteilen für Pumpen- und Industriearmaturen überführt werden.

INNOVATIVES EXTRUDERKONZEPT FÜR SCHNELLE UND EFFIZIENTE ADDITIVE PRODUKTION

Die Bedeutung der additiven Fertigung für die industrielle Produktion nimmt stetig zu. Üblicherweise werden die Werkstücke beim 3D-Druck mit dem Verfahren der Schmelzschichtung gefertigt. Bei dieser Vorgehensweise, die auch als „Fused Deposition Modeling (FDM)“ oder „Fused Filament Fabrication (FFF)“ bezeichnet wird, wird das Werkstück schichtweise aus schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut. Dabei wird der Kunststofffaden im Druckkopf (Extruder) erhitzt und in Schichten auf das Werkstück aufgetragen. Wie viele Details sich auf dem Werkstück darstellen lassen ist dabei stark vom Düsendurchmesser abhängig. Während feine Düsen eine hohe Auflösung erlauben verlangsamen sie aber auch die Produktionsgeschwindigkeit aufgrund des geringen Kunststoffdurchsatzes. Druckköpfe, die unterschiedlich dicke Kunststofffäden extrudieren sind bislang technisch nicht möglich. Deswegen sind die Düsen am Druckkopf aktueller FDM-Anlagen austauschbar. Der Düsenwechsel kann allerdings nur nach oder vor einem kompletten Druckvorgang erfolgen und ist komplex und zeitaufwändig. Im Projekt soll deshalb eine Druckdüse entwickelt werden, die unterschiedlich dicke Kunststofffäden während eines Druckvorgangs erzeugen kann.

CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES LASERDURCHSTRAHLSCHWEISSPROZESSES MIT ZWEI WELLENLÄNGEN

Ob in der Automobilindustrie oder der Medizintechnik – ohne das Schweißen von Kunststoffen könnten viele Produkte nicht hergestellt werden. Dabei nimmt das Laserdurchstrahlschweißen eine immer wichtiger werdende Rolle ein. Durch kurze Prozesszeiten, eine geringe Belastung der Bauteile und die Möglichkeit Wärme eng begrenzt in die Fügezone einzubringen bietet es entscheidende Vorteile gegenüber alternativen Verfahren wie dem Ultraschall- oder Heizelementschweißen. Bei dem Prozess wird ein transparentes Bauteil auf einem absorbierenden Bauteil positioniert. Entlang der gewünschten Fügekontur wird Laserstrahlung durch das transparente Bauteil auf die Oberfläche des absorbierenden Bauteils gerichtet, wo die Strahlung in Wärme umgewandelt wird. Diese sorgt dafür, dass das absorbierende Bauteil an der Oberfläche und das transparente Bauteil an der Unterseite aufschmelzen und nach der Abkühlung eine stabile Schweißverbindung zwischen den Komponenten entsteht.

Förderbescheidübergabe an die TU München und TH Nürnberg sowie den Projektpartnern, Fa. Grünbeck und Fa. Heinl. Im Hintergrund: RO-Wasseraufbereitungsanlage mit Membranwickelmoduln in den grünen Zylindern. Bildquelle: Bayerische Forschungsstiftung, Jesko Rölz

POF-FOULINGSENSOR FÜR MEMBRANPROZESSE

Das Trinkwasser in Deutschland stammt zu einem großen Teil aus Grundwasser. Aber auch Oberflächenwässer, wie Brunnenwässer, tragen zur Versorgung bei. Bevor dieses trinkbar oder für die industrielle Produktion geeignet ist muss es häufig aufbereitet werden. Für die Wasserenthärtung und -entsalzung ist die Umkehrosmose (reverse osmosis, RO) das derzeit wichtigste Verfahren. Die größte Herausforderung ist dabei die Vermeidung und Entfernung von Ablagerungen der zurückgehaltenen Stoffe in den kompaktgewickelten RO-Membranmodulen – dem sogenannten Fouling. Durch solche Ablagerungen werden aufwendige chemische Reinigungen und Membranwechsel notwendig. Bei der Aufbereitung von Brack- und Süßwasser führt vor allem Scaling, also mineralisches Fouling, zu Problemen. Zusätzlich erschweren auch andere Foulingtypen, die durch Mikroorganismen oder der Verblockung der Feedkanäle entstehen, die Wasseraufbereitung. Die exakte Identifikation des Foulingtyps und eine effektive Vermeidung ist bisher komplex und äußerst fehleranfällig. Wünschenswert ist jedoch eine Möglichkeit, Membran-Fouling frühzeitig im laufenden Betrieb der Wasseraufbereitungsanlage zu erkennen. Im Projekt soll deshalb ein Sensorelement entwickelt werden, dass sensitiv auf Veränderungen reagiert und somit ein frühzeitiges Eingreifen in den Foulingprozess ermöglicht.

INTELLIGENTE BETRIEBSFÜHRUNG DURCH KOMMUNIKATION VON PRODUKTION UND GEBÄUDETECHNIK MIT EINEM KÜNSTLICHEN NEURONALEN NETZ 

Fast die Hälfte der deutschen Energie wird durch die Sektoren Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen verbraucht. Vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen werden die Energieeinspar- und Energieeffizienzpotentiale kaum ausgenutzt. Gerade durch die Abstimmung von Produktionsvorgängen und Gebäudetechnik im Produktionsbetrieb erschließen sich hohe Potentiale, denen bisher nur wenig Beachtung geschenkt wird. Deshalb wird im Vorlaufforschungsprojekt „IKON“ eine intelligente Vernetzung dieser Bereiche über ein Energiemanagement untersucht, das künstliche neuronale Netze zur Betriebsführung nutzt.

Entwicklung eines gasbefeuerten Wirbelschicht-Sinterofens für keramische Elektronikbauteile kleinster Abmessungen

Elektrokeramische Komponenten werden aufgrund ihrer sehr guten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften vielfach als temperaturbeständige Bauteile in der Elektrotechnik oder bei thermischen Prozessen eingesetzt. Typische keramische Produkte sind Sockelkörper für Leistungselektronik, Grundplatten, Reglergehäuse, Spulenträger oder Kondensatoren für Leiterplatten. Bereits seit vielen Jahren ist bei der Produktion technischer Güter ein ständiger Drang hin zu immer kleineren Produkten zu verzeichnen. Eine Folge dieses Trends ist die Notwendigkeit der Miniaturisierung der eingesetzten Bauteile und Komponenten aus Elektrokeramik.Diese sollen sich neben der reduzierten Baugröße über herausragende technische Eigenschaften und eine hohe Produktqualität auszeichnen. Mit den heute am Markt verfügbaren Herstellungsverfahren kann den künftigen technischen Anforderungen jedoch nicht mehr nachgekommen werden.Ziel dieses Vorhabens war die Planung und der Aufbau eines neuartigen Sinterverfahrens für kleinteilige elektrokeramische Bauteile. Mit dem neuen Sinterverfahren sollen in einem Wirbelschicht-Reaktor keramische Mikrobauteile mit verbesserter Qualität sowie optimierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Reduzierung des Primärenergie-Einsatzes hergestellt werden.

Intuitive Offline-Programmierung von Industrierobotern in KMU mit Motion Tracking

Die Programmierung der in Fertigungsanlagen befindlichen Industrieroboter kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Grundsätzlich lässt sich die Programmierung in „Vormachen“ (Teach-In) und „echte“ Programmierung, z.B. durch eine Programmiersprache bewerkstelligen. Das Teach-In verläuft zumeist online, also mit dem Roboter, während das „echte“ Programmieren des Roboters auch offline, ohne Roboter erfolgen kann. Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sind jedoch die Vorteile schwierig zu nutzen.Die intuitive Online-Teach-In Programmierung ist derzeit nicht rentabel und die Offline-Programmierung ist problematisch, da entweder nur kleine Stückzahlen zu produzieren sind oder es fehlt an Fachpersonal und Kapital für teure Spezialsoftware. Ziel des Forschungsprojektes „Intuitive Offline-Programmierung von Industrierobotern in KMU mit Motion Tracking“ ist es daher, ein Verfahren mit der dazu gehörenden Hardware zu entwickelt, das ein KMU in die Lage versetzt, schnell, einfach und offline einen Roboter zu programmieren.

POLYMERFASER-BASIERTES MESSEN, STEUERN UND SCHALTEN

Das Polymer Optical Fiber Application Center (POF-AC) der Technischen Hochschule Nürnberg steht seit seiner Gründung im Jahr 2001 für anwendungsbezogene Forschung auf dem Gebiet der Optischen Polymerfaser (POF) in den Bereichen Datenübertragung, Sensorik und Beleuchtungstechnik. In den letzten Jahren zeichnet sich ein anhaltender Trend auf dem Gebiet der optischen Fasern ab, in denen es vor allem darum geht, Funktionen über Verbindungen mit großer Spannungsdifferenz auszuüben.Zwei der wichtigsten Felder sind dabei die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) und die Elektromobilität. In einem neuen Forschungsschwerpunkt an der TH Nürnberg werden nun bisherige Forschungsergebnisse des POF-AC mit neuen Verfahren verknüpft und unter dem Namen  „POF-Control“ vereint. POF-Control hat dabei das Potenzial, verschiedenen Problemstellungen mit interdisziplinären Ansätzen zu lösen.

SCHALTEN VON THYRISTOREN MIT OPTISCHEN POLYMERFASERN

Das optische Schalten von Thyristoren wird durch die geplante Energiewende und dem damit verbundenen Ausbau der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) in Zukunft eine  bedeutende Stellung in der bundesweiten Stromversorgung einnehmen. Der besondere Vorteil dieser schaltbaren Halbleiterbauelemente liegt darin, dass die Zündung ohne galvanische Verbindung zum Lastkreis erfolgt. Aus diesem Grund werden Light Triggered Thyristors (LTTs) beim Ausbau der HGÜs in Zukunft vermehrt zum Einsatz kommen, wobei optische Fasern verwendet werden. Glasfaserleitungen bringen jedoch Nachteile, wie etwa die anspruchsvolle Handhabung, den geringen Kerndurchmesser und die damit verbundene Anfälligkeit für Beschädigungen mit sich.

UNIVERSELLER FARBUMSCHLAGSENSOR MIT POLYMERFASERN

Die Optische Polymerfaser (POF) wurde in den letzten Jahren vor allem für Kurzstrecken-Datenkommunikation betrachtet. Immer interessanter wird aber auch der Einsatz im Bereich der Sensorik. Im Projekt „Universeller Farbumschlagsensor mit Polymerfasern“ (gefördert durch die Staedtler-Stiftung) am Institut POF-AC der Technischen Hochschule Nürnberg wird nun untersucht, wie Farbumschlagsreaktionen mit Hilfe von POF-basierten Sensoren zur Detektion verschiedener  Stoffe genutzt werden können.

SCHWEISSEN VON KUNSTSTOFFEN MITTELS MASSGESCHNEIDERTER IR-STRAHLUNG

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen gewinnt seit Jahren zunehmend an Bedeutung. Mit diesem Verfahren lassen sich ästhetische, hermetische Verbindungen zwischen Kunststoffbauteilen erzeugen. Gegenüber anderen Kunststoff-Fügeverfahren zeichnet es sich durch geringe thermische und mechanische Belastungen der Bauteile und kurze Prozesszeiten aus. Jedoch ist der  Schweißprozess stark von den optischen und thermischen Materialeigenschaften der Fügepartnerabhängig. Da die meisten Kunststoffe für die Wellenlängen der üblicherweise verwendeten Dioden- oder Festkörperlaser im Bereich von 780 nm bis 1100 nm weitgehend transparent sind, wird in der Regel ein Fügepartner mit Pigmentruß eingefärbt, um eine ausreichende Absorption der Laserstrahlung und damit die zur Bildung einer Schweißnaht erforderlichen Temperaturen zu erreichen.Der transparente Fügepartner wird nahezu ausschließlich durch Wärmeleitung aus dem absorbierenden Fügepartner erwärmt. Hierdurch entstehen hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit der Fügepartner, da ein isolierender Luftspalt zwischen den Bauteilen nur schlecht überbrückt werden kann. In einem neuen Forschungsprojekt der Technischen Hochschule Nürnberg wird das Laserdurchstrahlschweißen durch die Verwendung neuartiger Strahlungsquellen, die spezifisch auf die optischen Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe angepasst sind, optimiert. Dabei wird die Schweißnahtgeometrie gezielt beeinflusst, um die Spaltüberbrückung zu verbessern. Im Ergebnis lassen sich hierdurch auch kritische Materialpaarungen prozesssicher schweißen.

EINFLUSS DES FERTIGUNGSPROZESSES AUF UNTERSCHIEDLICHE WEICHMAGNETISCHE MATERIALIEN

Elektromobilität wird oft als Schlüssel der Energiewende im Bereich Verkehr betrachtet. Denn Elektromotoren verfügen über weit höhere Wirkungsgrade als konventionelle Benzin- oder Dieselmotoren und gelten daher als besonders energieeffizient. Um die Effizienz rotierender elektrischer Maschinen, wie Elektromotoren, noch weiter zu steigern, ist die Betrachtung, Bestimmung und Minimierung der Verlustarten erforderlich. So ist bei der Minimierung besonders wichtig, die Gesamtverluste der Maschine in die einzelnen Anteile aufzutrennen. Einen dominanten Anteil bilden dabei die Eisen- und Zusatzverluste, welche durch die Ummagnetisierung der im Motor verbauten Elektrobleche entstehen. Die exakte Vorausberechnung der Verlustarten stellt jedoch bis heute eine große Herausforderung für die Entwickler von Elektromotoren dar – nicht zuletzt weil analytische Berechnungen und numerische Feldsimulationen häufig eine deutliche Abweichung zwischen Berechnungen und Messungen aufzeigen. Diese Diskrepanz ist auf die Fertigungseinflüsse der benötigten Elektrobleche zurückzuführen. Um die einzelnen Einflussfaktoren während des Herstellungsprozesses qualitativ zu erfassen, sind Messungen an den bearbeiteten weichmagnetischen Werkstoffen erforderlich. Das Forschungsprojekt IMPROVES M hat dazu einen Messplatz aufgebaut, welcher unter Einsatz verschiedener Messwerkzeuge und -techniken die Bestimmung der spezifischen Eisenverluste und des Magnetisierungsverhaltens von weichmagnetischen Materialien ermöglicht und damit die Basis für die weitere Effizienzsteigerung von Elektromotoren bildet.

 

TEILVORHABEN: ERZEUGUNG KORRIGIERTER, REALITÄTSNAHER GEOMETRIEN FÜR DIE SIMULATION MIT 3D-OBERFLÄCHENERFASSUNG

Bei der Entwicklung und Konstruktion von Industrieprodukten kommt den Simulationsverfahren eine wichtige Rolle zu. Denn die Simulation von Produkteigenschaften und Fertigungsprozessen bietet – korrekt eingesetzt – aufgrund des frühzeitigen Erkenntnisgewinns und wegen der Nutzung rein virtueller Prototypen ein erhebliches Potential für die Effizienz der Entwicklung. Um bei der Simulation von Bauteilen in der späteren Einbaulage verlässliche und möglichst realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten, wird durch die Berücksichtigung verschiedenster Nichtlinearitäten (nichtlineares Werkstoffverhalten, Kontaktsituationen, zeitinvariante Randbedingungen, große Deformationen usw.) häufig ein enormer Aufwand betrieben. Bei diesen Bemühungen bleibt aber zumeist die Tatsache unberücksichtigt, dass bei allen bekannten Fertigungsprozessen keine absolut exakte Herstellung möglich ist und somit Abweichungen des Bauteils gegenüber der idealen Ausgangskonstruktion aus dem CAD-System auftreten. Gerade Umform- (Blechbauteile) und Urformverfahren (Gussteile) im Maschinenbau zeigen größere prozessbedingte Unterschiede zwischen idealem Modell und realem Bauteil. Das Verbundvorhaben widmet sich der Effizienzsteigerung der virtuellen Produkt- und Prozessentwicklung durch die Schaffung eines auf Expertenwissen basierenden Simulations- Frameworks zur Eigenschaftsoptimierung und Qualitätsverbesserung von neuen Produkten. Im Teilvorhaben hat die Technische Hochschule Nürnberg die Erzeugung korrigierter, realitätsnaher Geometrien für die Simulation mit 3D-Oberflächenerfassung untersucht.

ENTWICKLUNG EINER NEUEN MATERIALKOMBINATION FÜR ROHRE UND BÄNDER ZUR VERARBEITUNG VON KUPFER

Technische Geräte sind aus unserem Alltag nur schwer wegzudenken. Mit dem steigenden Bedarf an Elektronik, nimmt auch die Menge der verbauten Kabel und Leitungen zu. Dabei wird wegen seiner guten Leitfähigkeit vor allem Kupferdraht verwendet. Dieser ist aufgrund der hohen Rohstoffpreise und des aufwendigen Herstellungsverfahrens jedoch sehr teuer. Bei der Herstellung von Drähten wird ein mehrere Zentimeter dicker gegossener Rohstab mit Hilfe eines Ziehsteins gezogen, bis ein dünner langer Draht geformt wurde. Im Laufe dieses Prozesses versprödet jedoch der Draht. Damit das Material nicht bricht, muss der Draht anschließend weichgeglüht werden. Die Erwärmung der Drahtschlingen erfolgt hierbei zwischen zwei Kontaktrohren über eine Glüheinrichtung mit Strom.
Diese Kontaktrohre unterliegen sehr hohen Anforderungen bezüglich der:

  • elektrischen Leitfähigkeit
  • Korrosionsbeständigkeit
  • Verschleißbeständigkeit

Bislang werden Kontaktrohre aus nahezu reinem Nickel hergestellt, das die Anforderungen an Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfüllt. Jedoch erreichen die Kontaktrohre nur eine geringe Verschleißbeständigkeit, weswegen die Rohre wöchentlich ausgetauscht werden müssen. Hinzukommt, dass der Draht immer auf den gleichen Bahnen läuft, wodurch Rillen entstehen, die zu einem vorzeitigen Austausch der Rohre führen. Darüber hinaus ist Nickel in größeren Mengen gesundheitsgefährdend und eines der teuersten Industriemetalle. In diesem Projekt soll deshalb eine neue Materialkombination und Oberflächenstruktur für die Kontaktrohre bei der Drahtherstellung entwickelt werden.

EIN EULENHALSGELENK FÜR EFFIZIENTE MASCHINEN

Leistungsfähig, energieeffizient, umweltverträglich und dabei noch ressourcenschonend: Die Anforderungen an technische Systeme bei der Entwicklung von Maschinen steigen stetig an. Vor allem bei der technischen Umsetzung von Bewegungsabläufen stoßen die Entwickler an ihre Grenzen. Bei Gelenkrobotern oder Baumaschinen wie Bagger und Krane werden Drehund Schwenkbewegungen durch Elektromotoren oder pneumatische und hydraulische Zylinder umgesetzt. Diese Konstruktionen sind aufgrund ihrer elektrischen und fluidischen Baugruppen schwer und benötigen durch die hohen Betriebsdrücke viel Energie. Einen Lösungsansatz, wie zukünftige Maschinen ressourcenund energieeffizienter gebaut werden können, liefert die Natur. Eulen sind in der Lage ihren Kopf bis zu 270° in beide Richtungen zu drehen. Im Projekt soll abgeleitet vom Aufbau des Eulenhalsgelenks ein neuartiges technisches Gelenkprinzip entworfen werden. Der Aufbau des Eulengelenks ist in dreierlei Hinsicht für technische Entwicklungen interessant: Zum einen könnte der kinematische Aufbau des Halswirbels in der technischen Kinematik wirtschaftlich eingesetzt werden, die Halsmuskulatur der Eule könnte auf kompakte technische Ersatzlösungen zur Verstellung des Kinematik-Modells übertragen werden und aus dem anatomischen Aufbau und der Anordnung der Blutgefäße können Lösungsansätze für elektrische und pneumatische Versorgungsleitungen abgeleitet werden.

MASSBAND INNOVATIV – DEHNUNG, HALTBARKEIT UND WIRTSCHAFTLICHKEIT DURCH NEUE ANSÄTZE IN DER FERTIGUNG UND WERKSTOFFTECHNIK

Messen ist ein elementarer Teil jeder Entwicklung. Während bei sehr großen oder sehr kleinen Größen
komplexe Messmethoden nötig sind, werden für den Messbereich der mit dem bloßen Auge erkennbar ist hauptsächlich Bandmaße verwendet. Je nach Einsatzbereich haben sich unterschiedliche Ausführungen der Bandmaße etabliert. Jedoch bestehen fast alle erhältlichen Bandmaße entweder aus Stahl oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Vor allem in den Bereichen Elektroinstallation, Schienen- und Straßenbau, Tief- und Hochbau und bei Sportveranstaltungen werden GFK eingesetzt. Dies liegt neben dem geringeren Preis und Gewicht daran das GFK-Bandmaße nichtleitend und korrosionsbeständig sind. Auch ihre höhere Flexibilität und Bruchfestigkeit sind Vorteile gegenüber Stahlbandmaßen. Allerdings haben GFK-Bandmaße auch Nachteile, wie die höhere Dehnung bei Zugspannung und eine größere Banddicke, die den Einsatz von Stahlbandmaßen nötig machen. Im Forschungsprojekt MaInno soll deshalb ein neuartiges innovatives Verfahren zur Fertigung von GFKBandmaßen entwickelt werden, das es ermöglicht neue Einsatzgebiete zu erschließen.

MODULARES ZUKUNFTSWEISENDES ULTRAWEITBEREICHS-NETZTEIL FÜR SICHERHEITSRELEVANTE ANWENDUNGEN (UWR-PSU)

Der Bedarf an elektronischen Baugruppen in der industriellen Anwendung zeigt in den letzten Jahren ein stetiges Wachstum ohne absehbares Ende. Diese Baugruppen werden für zunehmend komplexere Steuerungs-, Regelungs-, Informations- oder Sicherheitsaufgaben eingesetzt um das Zielumfeld effizienter oder anwenderfreundlicher zu gestalten. Alle Baugruppen eint die Anforderung unabhängig von deren Funktion nach einem zuverlässigen Betrieb an der jeweilige Bordnetz-, Betriebs- oder zur Verfügung stehenden Versorgungspassung. Hierfür werden klassischerweise bekannte Netzteil-Konzepte als Eingangsstufen verwendet, welche aus der gegebenen Eingangsspannung die Versorgung der jeweiligen Schaltkreise und Logiken intern bereitstellt. Bei verschiedenen Eingangsanforderungen werden hierbei meist verschiedene Baugruppen verwendet. Immer häufiger wird jedoch der Wunsch geäußert nur eine Baugruppe für große Eingangsspannungsbereiche zu verwenden. Dies hat neben den wirtschaftlichen Vorteilen aus beispielsweise Produktion, Entwicklung und Lagerwirtschaft auch einen großen Mehrwert bezüglich der Bedienerfreundlichkeit. Im Verbund, bestehend aus MEN Mikro Elektronik GmbH und der Technischen Hochschule Georg Simon Ohm, wird genau diese Anforderung zum  Forschungsgegenstand gemacht. Zielanwendung hierbei sind Baugruppen für Bahnanwendungen, welche nach EN 50155 innerhalb eines 10:1 großen Eingangsspannungsbereich betrieben werden sollen.

ENERGIE- UND RESSOURCENEFFIZIENTE DARSTELLUNG UNIKALER WERKSTOFF- UND BAUTEILEIGENSCHAFTEN MIT HILFE DES ADDITIVEN LASERGENERIERENS

Das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting - SLM) stellt eine effiziente Methode zur Herstellung komplexer Bauteile aus Metallpulvern mit Hilfe eines Lasers dar. Typische Anwendungen des Verfahrens sind die Fertigung von Prototypen, die Herstellung von Werkzeugen sowie auch die direkte Fertigung von Endprodukten. Durch die sehr schnelle Abkühlung der aufgeschmolzenen Bereiche entsteht im erzeugten Material ein einzigartiger Gefügezustand, der sich erheblich von Guss- oder Schmiedematerialien gleicher Zusammensetzung unterscheidet. Das Verfahren ermöglicht eine große Geometriefreiheit sowie die Herstellung von Bauteilformen, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit sehr großem Aufwand herstellbar sind. Die für das SLM verwendeten Werkstoffe sind in der Regel Serienwerkstoffe wie Edelstähle und Warmarbeitsstähle. Für komplexere Werkstoffe, bspw. Duplexstähle, liegen bislang keine Erfahrungen vor. Ziel des Projektes ist es daher, mit Hilfe des SLM-Verfahrens hergestellte Gefügezustände für komplexe Legierungen zu untersuchen und diese hinsichtlich ihrer Unterschiede zu anderweitig hergestellten Materialien zu charakterisieren.

KOLBENBOLZEN LICHTBAU- DESIGN

Nach wie vor stellt die Umsetzung von akademischen Forschungsergebnissen in industrielle Produkte und Prozesse eine große Herausforderung dar. In Deutschland hat dieses Problem vor allem Auswirkungen auf den Metallbereich. Einen Schlüsselfaktor stellt dabei der Leichtbau dar. Die Industriezweige Automobil, Maschinenbau und Luftfahrt sind ein großes Standbein der deutschen Wirtschaft und würden sehr von einer besseren Übertragung des umfangreichen Forschungswissens in industrielle Entwicklungsprozesse von Komponenten profitieren. Das Forschungsprojekt „Kobolzen Leichtbau- Design“ konzentriert sich deshalb auf den Prozess des Einsatzhärtens, mit dem unter anderem Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren hergestellt werden. Durch den Einsatz neuer  wissenschaftlicher Erkenntnisse sollen Bauteile realisiert werden, die bei gleicher Lebensdauer und Ausfallsicherheit leichter sind.