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Ganzheitlich digitale Prozesskette – vom Material zum Hightech-Produkt

Am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben wir den gesamten Produktlebenszyklus im Blick und entwickeln nachhaltige Produkte und zugehörige Produktionssysteme. Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung sind dabei Schlüssel zur ganzheitlichen Gestaltung von Prozessketten und deren Einbettung in Fabriksysteme. Zentral für unsere Arbeit ist ein tiefergehendes Verständnis der Beziehungen zwischen den Prozessparametern, der resultierenden Struktur von Schichten und Oberflächen sowie den finalen Eigenschaften des Produkts. Inline- und Laboranalytik schaffen dafür das Fundament und liefern wichtige Daten für simulationsbasierte Ansätze, z. B. für eine Simulation des Schichtwachstums oder neue daten-getriebene Ansätze z. B. auf Basis von Machine Learning.

Ein Blick ins Institut

Am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST erschließen wir die Potenziale für zukunftsfähige Produkte und zugehörige wettbewerbsfähige, skalierbare Produktionssysteme. Unsere Forschung umfasst die Anlagentechnik, gesamte Prozessketten der Verfahrens-/Prozess- und Fertigungstechnik bis hin zur Betrachtung ganzer Fabriken. Ausgehend von den Anforderungen der Nachhaltigkeit haben wir den gesamten Produktlebensweg im Blick– vom Werkstoff über den Prozess zum Bauteil und Produkt bis hin zum Recycling. Aufbauend auf unseren Technologie- und Kompetenzfeldern schaffen die Fachabteilungen des Fraunhofer IST Lösungen insbesondere in den Branchen Maschinen- und Anlagenbau, Werkzeuge, Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Energie, Optik, Medizin, Pharma und Umwelttechnik. Dazu gehören sowohl Lösungen für die Batterieproduktion, die Herstellung tribologischer Systeme und Sensorik, die Produktion präzisionsoptischer Systeme als auch Methoden und Technologien für digitale Services.

Die Analytik stellt sich vor

Bei der Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsverfahren, zur Qualitätssicherung, in der Produktion sowie zur Aufklärung von Schadensfällen ist die Verfügbarkeit von Analyse- und Prüfverfahren ein entscheidender Am Fraunhofer IST bieten wir als Querschnitts- und Dienstleistungsabteilung unseren Kunden aus Industrie und Forschung eine Vielzahl von Verfahren im Bereich der Schicht- und Oberflächenanalytik sowie Prüftechnik an und führen komplexe Materialanalysen durch.

Plasma im Beutel

Lebende Zellen werden in modernen Therapieverfahren wie Bluttransfusionen, Stammzelltherapien und Knochenmarktransplantationen oder bei der Regeneration von schweren Verbrennungen immer häufiger verwendet. Die standardmäßige Kultivierung dieser Zellen in offenen Systemen ist mit einem hohen Kontaminationsrisiko verbunden, welches nur durch hohen apparativen Aufwand und eine geeignete Infrastruktur im Labor verringert werden kann. Die Verwendung geschlossener Beutelsysteme als Kultivierungsgefäße kann hier Abhilfe schaffen. Gewöhnliche Kunststoffe bieten meist keine geeignete Oberfläche für die Kultivierung, da eine Anhaftung der Zellen nicht möglich ist. Um diese zu erreichen, muss die Oberfläche vorbehandelt oder beschichtet werden. Hierzu wurde am Fraunhofer IST basierend auf einem Plasmaverfahren bei Atmosphärendruck ein Prozess entwickelt, der eine automatisierte Beschichtung der Innenseiten von geschlossenen Kunststoffbeuteln ermöglicht.

Die Technologie Kalt-Plasmaspritzen

Das Kalt-Plasmaspritzen ist eine thermo-kinetische Beschichtungstechnik, die sich von geläufigen Technologien wie z.B. dem seit Jahrzehnten marktgängigen thermischen Plasmaspritzen abgrenzt. Hauptmerkmal der Technologie ist ein aus Luft oder Stickstoff erzeugter Plasmastrahl mit niedriger Temperatur, in welchen ultrafeine Metallpartikel eingespeist werden. Derartiges Beschichtungsgut wird im Plasmajet sehr effizient aufgeschmolzen. Auf diese Weise können einerseits die einzukoppelnde Plasmaleistung bzw. der Energieverbrauch und andererseits die Hitzebelastung von Objekten minimiert werden. Mit dem Verfahren gelingt es, sowohl schmale Leiterbahnstrukturen als auch flächendeckende Schichten zu erzeugen. Dank einer besonderen Pulverfördertechnik werden neben in der Elektrotechnik klassischen Metallarten auch Aluminium, Konstantan, Edelstahl, Titan sowie Metallkombinationen in Form von homogen oder gradierten Schichtsystemen erzeugt. Thermosensible Materialien wie Polymerfolien, Textilien, Holz usw. können mit dem Kalt-Plasmaspritzen z.B. metallisch beschichtet werden. Bei Textilgewebe wird dabei jede einzelne Faser umhüllt, ohne diese zu beschädigen. Durch die im Plasma vorliegenden reaktiven Spezies kann es auch zu einer gezielten chemischen / physikalischen Veränderung der Ausgangsmaterialien kommen. So kann z.B. die Stöchimetrie eines Photokatalysators mithilfe des Kaltplasmaspritzens verändert werden, was sich positiv auf die Bandlücke und damit auf die katalytische Wirkung auswirkt.

Disc-Jet – Atmosphärendruck-Plasmaquelle zur Oberflächenbehandlung

Am Anwendungszentrum des Fraunhofer IST entstehen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie kundenspezifische Plasmaquellen, die ein breites Spektrum an Anwendungsfällen bedienen. Durch die Behandlung diverser Materialsysteme wie Metalle, Polymere, Gläser, Naturstoffe, etc., deren teils stark variierende Oberflächeneigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Plasmaparameter und deren Charakteristik haben können, bieten wir eine langjährige Expertise im Bereich der Prozessentwicklung. Dadurch wird eine zielführende Anpassung Ihrer Anforderungen an unsere Systeme gewährleistet.