Nachhaltige Lösungen mit Schicht- und Oberflächentechnik

Nachhaltigkeit ist das aktuell vielleicht bedeutendste gesellschaftliche Leitbild unserer Zeit. Sowohl in der Europäischen Union als auch in der Bundesrepublik Deutschland stehen nachhaltige Entwicklungsprozesse auf der Agenda an erster Stelle. Das Fraunhofer IST entwickelt schon seit einigen Jahren im Bereich der Schicht- und Oberflächentechnik Lösungen für nachhaltige Produkte und eine nachhaltige industrielle Produktion.

Viele Forschungsthemen des Fraunhofer IST orientieren sich an dringlichen Zukunftsthemen und gesellschaftlichen Trends, wie u. a. der Energiewende, Alternativen für seltene Materialien und knappe Rohstoffe oder Mobilität im 21. Jahrhundert. Dünnste Hochleistungsschichten sind darüber hinaus die Basis für eine Vielzahl zukunftsgerechter Produkte und Hightech-Anwendungen, insbesondere, wenn es darum geht, Material und Energie einzusparen.

Innovative Materialien

• Am Fraunhofer IST wird intensiv am Ersatz von Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch alternative Materialien auf der Basis von ZnO, SnO₂ und TiO₂ geforscht.
• Es werden schädigungsfreie Abscheidungen von indiumfreien Materialien für hocheffiziente LEDs entwickelt.
  
• Am Fraunhofer IST werden Materialalternativen für hochbrechende Tantaloxidschichten entwickelt, die in der optischen Industrie eingesetzt werden.
• Es werden neuartige Materialien wie Kanalmaterialien für Dünnschichttransistoren (TFTs) und p-leitende Materialien als transparente Kontaktschichten entwickelt.
  
• Am Fraunhofer IST wird eine REACH-konforme Kunststoffmetallisierung ohne Einsatz von Chrom (VI) entwickelt.

Materialeffizienz

• In einem Kombinationsprozess aus Atmosphärendruck-Plasmaverfahren und elektrochemischen Verfahren werden Edelmetalle gezielt lokal aufgebracht.
• Durch die Kombination verschiedener Materialien bzw. von Schicht- und Grundkörper können Werkstoffe mit neuen Eigenschaften realisiert werden.

Energieeffizienz

• Weniger Energieverbrauch durch Erosionsschutz von Flugtriebwerken: Sehr harte Multilagenschichten aus Keramik und Metall verhindern einen zu hohen Kraftstoffverbrauch und sinkende Wirkungsgrade.
• Breiteres und verbessertes Einsatzspektrum für Leichtbaukomponenten durch verschleißfeste, reibungsmindernde Beschichtungen, die auch vor Korrosion schützen.
• Verminderte Sonnenstrahlung in Gebäuden durch den Einsatz elektrochromer Fenster.
• »Data Mining« in der Produktion – von der Datenerfassung bis zur Auswertung mittels Methoden des maschinellen Lernens – ermöglicht die Identifizierung von »Treibern« hinsichtlich des Energie- und Ressourcenverbrauchs.

Produktionseffizienz

• Optimierte Hartstoff- und nanostrukturierte Schichtsysteme für Umform-, Schneid- oder Zerspanwerkzeuge erhöhen die Standzeiten und ermöglichen eine wirtschaftlichere Fertigung.
• Schneller zum Ziel: Simulation ermöglicht immer kürzere Entwicklungszeiten, z. B. können durch die modellbasierte Auslegung und Implementierung von Beschichtungsprozessen hocheffiziente Produktionsketten realisiert werden.
• Module mit sensorischen Dünnschichtsystemen werden in Tiefziehanlagen und Antriebsmaschinen integriert, um eine effiziente Umformung und Bearbeitung von Bauteilen zu gewährleisten.
• Harte kohlenstoffbasierte Schichten verhindern das Anhaften von Werkstoffen, z. B. Pulvern, an Werkzeugen sowie Ablagerungen, Fouling, an Oberflächen, z. B. von Wärmetauschern oder in Abgassträngen.
• Lebensweganalysen werden durchgeführt, um die ökonomische und ökologische Nachhaltigkeit von Produkten ganzheitlich zu bewerten und zu verbessern.
• Der Aufbau von cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) ermöglicht eine nachhaltigere Auslegung und Steuerung der Produktion. Durch die Nutzung »digitaler Zwillinge« lassen sich Gestaltungsalternativen in Echtzeit analysieren.
• Multi-Skalen-Simulation vom Material bis zum Fabrikdach: Durch die Kopplung spezifischer Simulationsmodelle werden Wechselwirkungen zwischen Produkt und Produktionssystem bewertbar und Einsparpotenziale sichtbar.
  

Saubere Umwelt und Gesundheit

• Mit den am Fraunhofer IST entwickelten Diamantelektroden kann Wasser elektrochemisch aufbereitet werden – angepasst an die Infrastruktur vor Ort und ohne Chemikalien.
• Photokatalytische Schichten ermöglichen antimikrobielle Oberflächen und den Abbau von Schadstoffen aus der Luft.
• Durch Funktionalisierung von Oberflächen im Plasma kann z. B. beim Bonden von Werkstoffen auf Kleber verzichtet werden. Die Plasma-Vorbehandlung eignet sich auch als Ersatz von Primern und zur Haftungsverbesserung von Lackierungen..
• Der Einsatz von Atmosphärendruckplasmen erlaubt die Abtötung selbst multiresistenter Keime.

Mobilität in der Zukunft

• Reibungsarme und extrem verschleißfeste Beschichtungen reduzieren den Treibstoffverbrauch des Kfz-Motors, verlängern Wartungsintervalle und die Lebensdauer.
• Neuartige Korrosionsschutzschichten auf metallischen Bipolarplatten ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung leistungsfähiger Brennstoffzellen für die Automobilindustrie.
  
• Robuste Dünnschichtsensorik in stark beanspruchten Bereichen von Bauteilen erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit in vielen Anwendungsfeldern, wie z. B. Elektromobilität.
• Funktionsschichten für Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer dieser Speicher für elektromobile Anwendungen.