Referenzprojekte des Fraunhofer IST

Im Projekt KaPlaTech entwickelt das Fraunhofer IST strukturierte Plasmaelektroden für kontrollierte Plasmaentladungen. Kaltes Atmosphärendruckplasma ermöglicht dabei eine schonende, gezielte Medikamentenverabreichung.

Der Klimawandel und die wachsende Weltbevölkerung stellen die Landwirtschaft vor enorme Herausforderungen. Sinkende Erträge, zunehmende Wetterextreme und Schädlingsbefall bedrohen die globale Ernährungssicherheit. Gleichzeitig erfordert die nachhaltige Nutzung von Ressourcen eine gezieltere Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen. Der Einsatz hyperspektraler Bildgebung bietet hier neue Lösungen: Sie liefert wertvolle Informationen und ermöglicht damit z.B. eine präzisere Düngung und Bewässerung. Im Projekt RAINBOW arbeitet das Fraunhofer IST an einem neuen Ansatz für hyperspektrale Fernerkundung.

Das Projekt DIGI4PLAS zielt darauf ab, industrielle Produktionsprozesse durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und innovativer Messtechniken zu optimieren. Die Kombination dieser Technologien werden in der DIGI4PLAS-Toolbox zusammengefasst und ermöglicht eine neuartige, kontinuierliche Überwachung und Steuerung von Plasmaproduktionsprozessen, die in einer Vielzahl von Oberflächenbehandlungen genutzt werden.

Im Projekt H2-iNFFra bauen die TU Braunschweig und das Fraunhofer IST am Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik (NFF) eine leistungsstarke Infrastruktur für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien auf. Die neue Forschungsplattform ermöglicht Tests von Brennstoffzellen bis 200 kW sowie Untersuchungen zu GH₂- und LH₂-Versorgung, Diagnostik und Systemintegration für Mobilitäts- und Energieanwendungen.

Ziel des Fraunhofer Projektzentrums ZESS ist es, mobile und stationäre Energiespeichersysteme der nächsten Generation an die industrielle Reife heranzuführen. Im Bereich mobiler Lithium-Festkörperbatterien wird das ZESS zu einem einzigartigen nationalen Kompetenzzentrum entwickelt werden. Das Fraunhofer IST unterstützt durch seine Beteiligung die Weiterentwicklung von Energiespeichertechnologien durch interdisziplinäre Lösungsansätze unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette.

Dichtungslose Wälzlager, die unter Medienschmierung verwendet werden können, besitzen ein hohes Potential für den Einsatz in energieeffizienten und ressourcenschonenden Anwendungen. Standardwälzlagermaterialien sind unter diesen hohen tribokorrosiven Bedingungen nur sehr begrenzt einsetzbar. Im Rahmen des Projekts POSEIDON II werden kostengünstige neuartige Stähle durch Randschichtbehandlungen mittels angepasster Niedertemperatur-Plasmadiffusionsbehandlung optimiert.

Papierbasierte Konstruktionsmaterialien sind in Form von Verpackungsmitteln ein fester Bestandteil unseres alltäglichen Lebens. Um Papier für diese und neuartige Anwendungsgebiete nutzbar zu machen, muss die Ausstattung des Werkstoffes mit hydrophoben und antimikrobiellen Eigenschaften verbessert werden. Im Gegensatz zu aktuell eingesetzten Prozessen für die Modifikation der Papiereigenschaften soll im Produktionsprozess die Plasmapolymerisation zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Projekts BioPlas4Paper wurde ein neuartiges Plasma­quellenkonzept entwickelt, mit dem unter Atmosphärendruck eine reproduzierbare Prozessumgebung geschaffen werden kann, die die Einflüsse der Umgebungsluft auf ein Minimum reduziert und so homogene, reproduzierbare Beschichtungs­ergebnisse erreicht.

Im Begleitforschungsprojekt HySecunda bündeln neun Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen und arbeiten an praxisrelevanten, skalierbaren technologischen und kapazitiven Lösungen für einen Markthochlauf von grünem Wasserstoff in der gesamten SADC-Region (South Africa Development Community). Dabei liegt der Fokus auf den drei Schlüsselbereichen »Aus- und Weiterbildung«, »Zertifizierung und Markt für grünen Wasserstoff und Marktentwicklung« sowie »Technologien zur Grundlagenforschung«.

Der Wasserstoff Campus Salzgitter soll durch Stadt, Land, Industrie- und Forschungspartner getragen werden und langfristige Wertschöpfung und Beschäftigung in der Region schaffen und sichern. Hierzu sind nachhaltig tragbare Geschäftsmodelle, marktreife Produkte, eine industrielle Wasserstoffinfrastruktur sowie eine Ausbildungsplattform für Fach- und Führungskräfte zu entwickeln und umzusetzen.

Die Transformation zur Elektromobilität gilt als wichtiger Baustein zum Erreichen einer klimaneutralen Mobilität bis spätestens 2050. Für Elektrofahrzeuge ist die Karosserie nach der Batterie der größte Faktor für CO2-Emissionen. Das Konsortium des Leitprojektes »FutureCarProduction« entwickelt daher ganzheitliche Lösungsansätze für die Bewertung neuer Karosseriekonzepte der Automobilindustrie.

Der Energieimport nach Deutschland deckte 2019 ca. 74 % des deutschen Primärenergieverbrauchs und wird durch fossile Energieträger wie Steinkohle dominiert. Durch die Energie­wende wird der Seehafenstandort Wilhelmshaven in Rekordzeit einen Transformationsprozess durchlaufen und sich zu einem Hub für kohlenstoffarme und erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff entwickeln müssen (Energy Hub). »Transformation Wilhelmshaven« soll dabei helfen, den lokalen Wandel in der Industriestruktur und der Energiewirtschaft zu stärken, um die Wertschöpfung in der Region zu steigern und damit die Lebensqualität nachhaltig zu verbessern. Dabei begleitet das Fraunhofer IST diesen Prozess mit seiner Expertise im Bereich der Energiespeicher und -systeme als wissenschaftlicher Partner.

Das steigende Umweltbewusstsein der Bevölkerung erfordert zur Erreichung zukünftiger Klimaziele eine stetige Reduktion von CO2 über die gesamte Wertschöpfungskette und über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Innovative Leichtbaumaterialien, -materialkombinationen, Fertigungstechnologien und multifunktionale Strukturen können hierfür einen signifikanten Beitrag zur Erreichung der Ziele und Stärkung des Innovationsstandorts Deutschland leisten. Im Fokus des Projekts stehen die Entwicklung, Optimierung und Skalierung von Leichtbaumaterialien und -technologien. Um die einzelnen Entwicklungen zusammenzuführen und hinsichtlich Ressourceneffizienz und Leichtbau zu bewerten, wird das Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs als Anwendungsbeispiel und Demonstrator gewählt. Diese Batteriesysteme stellen eine zentrale Innovationskomponente nachhaltiger Mobilität dar und sind entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit elektrisch angetriebener Fahrzeuge Made in Germany.

Der Wandel zu emissionsfreien Fahrzeugen erfordert vergleichbare und verlässliche Lebenszyklusanalysen. Bisher sind LCAs uneinheitlich und erschweren fundierte Entscheidungen für Industrie, Politik und Verbraucher. Das Projekt TranSensusLCA entwickelt daher mit Partnern einen harmonisierten Rahmen, der reale Daten, ökologische, soziale und wirtschaftliche Aspekte integriert. So entstehen vergleichbare Ökobilanzen als Grundlage für wirksame EU-Regelungen und transparente Verbraucherinformationen.

Die Software MOCCA+® (Modular Optical Coating Control Application) kann auf Basis von optischen Spektren die Schichtdicke während einer laufenden Beschichtung eines Interferenzfilters berechnen und durch die Verknüpfung mit der Anlagensteuerung einen vollständig automatisierten Prozess realisieren. Sie wurde aus der institutionellen Forschungsumgebung auf Produktionsanlagen übertragen und hinsichtlich der damit verbundenen Anforderungen erweitert.

Die Partner im Projekt »Accellerating digital transformation in Europe by Intelligent NETwork automation – Automation of Network edge Infrastructure & Applications with aRtificiAl intelligence (AI-NET-ANIARA)« haben sich zum Ziel gesetzt, auf Basis konkreter Anwendungsszenarien aus dem Gebiet Sensoren und Fertigung, Lösungen für einen automatisierten, intelligenten und standortübergreifenden Datenaustausch zu entwickeln.

Thema des Vorhabens ist die Erforschung und Entwicklung einer Beschichtungstechnologie zur Abscheidung optischer Präzisionsbeschichtungen auf Sphären, Asphären und Planoptiken. Asphären sollen mit sehr breitbandigen, verlustarmen, hocheffizienten und über einen großen Winkelbereich wirkenden Antireflexbeschichtungen beschichtet werden. Technologisch wird das Magnetronsputtern eingesetzt, da es qualitativ hoch anspruchsvolle optische Beschichtungen ermöglicht.

Das Ziel des Kompetenzclusters zur Batteriezellproduktion ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften und die Produktentstehungskosten zu erforschen und zu verbessern sowie für neue Batteriegenerationen weiterzuentwickeln. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.

Im Projekt SEMAKI soll das Gesamtkonzept eines Produktionssystems für die Beschichtungstechnik geplant werden. Essentiell für den Erfolg der Arbeit sind die Schnittstellen zu weiteren Fertigungstechnologien.

Aluminiumoberflächen erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Auch auf Materialien anderer Art wie Kunststoffen oder anderen Metallen. Leider sind galvanische Verfahren, wie man sie von Kupfer, Nickel oder Gold kennt bei Aluminium nicht möglich. In einem vom BMBF geförderten Projekt »GALACTIF« wurde ein Verfahren entwickelt, um Aluminium galvanisch aus so genannten ionischen Flüssigkeiten abzuscheiden. Dabei ist es erstmalig gelungen, den Prozess aus der schützenden Glovebox in ein offenes System zu überführen, welches industriell weiterentwickelt werden kann.

Bei Atmosphärendruck lassen sich Plasmen bereits in sehr kleinen Volumina mit Abmessungen von wenigen Mikrometern erzeugen, so dass Oberflächen auch lokal funktionalisiert werden können. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts P3T wurde eine Prozesskette aufgebaut, die es ermöglicht, metallische Leiterbahnen für Sensoren oder RFID auf Kunststofffolien von Rolle-zu-Rolle in einem additiven Verfahren kostengünstig und ressourcenschonend herzustellen.

Durch die derzeit ressourcen- und umweltintensive Batterieproduktion besteht der Bedarf nach einheitlichen und robusten Recycling- und Produktionssystemen sowie der Verwendung sekundärer Stoffe zur Schließung von Materialkreisläufen. Das Ziel des Kompetenzclusters greenBatt ist es, innovative Technologien, Methoden und Werkzeuge für einen energie- und materialeffizienten Batterielebenszyklus und geschlossene Stoff- und Materialkreisläufe zu entwickeln, zu gestalten und anzuwenden.

Festkörperbatterien sind ein aussichtsreiches Konzept zur Weiterentwicklung konventioneller Lithium-Ionen-Batterien. Durch den Einsatz von Festelektrolyten anstelle von Flüssigelektrolyten besteht das Potenzial, dass Festkörperbatterien langfristig höhere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten und mehr Sicherheit bieten können. Der Kompetenzcluster FestBatt arbeitet interdisziplinär an der Herstellung, Optimierung, Verarbeitung und Hochskalierung von Materialien für die Batterien der Zukunft.

Die Stahlindustrie ist für rund sieben Prozent der globalen, menschengemachten Treibhausgasemissionen verantwortlich – und zugleich unverzichtbar für den wirtschaftlichen Wohlstand unserer modernen Gesellschaft. Im Projekt »SuSteelAG« entwickeln Partner aus Australien und Deutschland gemeinsam innovative Ansätze für eine klimafreundliche Stahlproduktion auf Basis von grünem Wasserstoff. Kern des Vorhabens ist ein neuartiges Direktreduktionsverfahren im Drehrohrofen, mit dem sich künftig auch bislang unwirtschaftliche Eisenerzqualitäten nutzen lassen – ein wichtiger Schritt zum Aufbau einer nachhaltigen, bilateralen Wertschöpfungskette.

Das Projekt SERPIC entwickelte mit europäischen und südafrikanischen Partnern eine integrierte Technologie zur Reduzierung der Spurenschadstoffe und Krankheitserreger im Abfluss von Kläranlagen. Dazu wurden Membran-Nanofilter sowie elektrochemische Zellen mit Diamantelektroden verwendet. Es wurde eine Prototypanlage in Spanien aufgebaut. Die Abbauziele für ausgewählte Zielschadstoffe wurden zu 92 % erreicht.

Am Fraunhofer IST werden Atmosphärendruck-Plasma­verfahren sowie entsprechende Anlagen entwickelt, die die Möglichkeit bieten, unter definierter Atmosphäre Kunststoffober­flächen zu funktionalisieren. Mit den zur Verfügung stehenden Anlagen ist es möglich, den Oberflächen gezielt chemische Funktionalisierungen zu verleihen. Dies können z. B. stickstoffhaltige Gruppen sein, die durch die Plasmabehandlung in Stickstoff-Wasserstoffgemischen oder Ammoniak erzeugt werden. Aber auch die Herstellung von Funktionalisierungen auf Basis von Schichten mit Carboxylat- oder Epoxidgruppen ist durch die Verwendung geeigneter Prekursoren wie z. B. Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat möglich.

Im Projekt SE.MA.KI wird ein vollständig aufeinander abgestimmtes Produktionssystem mit standardisierten Schnittstellen, geplant welches einen modularen Aufbau und Wechsel der Technologien je nach Anwendungsfall erlaubt. In diesem Blogbeitrag liefert Dr. Torben Seemann einen Einblick in das Projekt.

Forscher am Fraunhofer IST in Braunschweig haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie nicht nur transparente, leitfähige – und somit heizbare – Schichten herstellen können. Ihre Oberflächenschichten bringen einen weiteren entscheidenden Vorteil mit: Die Außenschicht ist niedrig emittierend. Sie sorgt also dafür, dass die Scheibe viel langsamer abkühlt. So kann sich Kondenswasser nicht bilden. Die Scheibe bleibt trocken und eisfrei.

Im Projekt CirProTech werden nachhaltige, geschlossene Materialkreisläufe für Kunststoffe und CFK-Bauteile in der Mobilitätsbranche entwickelt. Das Ziel ist die Reduzierung von Primärressourcen und Abfall durch innovative Recyclinglösungen. Durch die Umstellung auf zirkuläre Produktionsprozesse soll der Bedarf an Primärressourcen verringert und Abfall reduziert werden. Dies verbessert die ökologische Bilanz und eröffnet wirtschaftliche Chancen für nachhaltige Unternehmen.

Im Rahmen des Projekts wurde eine neue, zukunftsfähige MEMS-Baugruppe (MEMS: Microelectromechanical Systems) für den Einsatz als Inertialsensoren zur Erfassung von mehrachsiger Beschleunigung, Drehraten, Magnetfeldern etc. in Konsumenten-Endgeräten wie Smartphones, Tablets, Smartwatches, Fitnessarmbändern oder Transportmitteln (Segway, Drohnen) entwickelt.

Ein wesentlicher Schritt in allen Fertigungsprozessen ist die Oberflächenbeschichtungstechnik von Metallen, welche u. a. durch Korrosions- und Verschleißschutz die Haltbarkeit von Bauteilen entscheidend beeinflusst. Die elektrochemische oder galvanotechnische Beschichtung ist dabei eines der effektivsten und kostengünstigsten Verfahren der Oberflächentechnik mit einem sehr hohen Marktanteil weltweit.