Mini-Solarmodul Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Energie & Umwelt

Präsentation zum Thema: "Mini-Solarmodul Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Energie & Umwelt"—  Präsentation transkript:

1 Mini-Solarmodul Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Energie & Umwelt
Aufgabe Vereinfachung und Beschleunigung des Montageprozesses von PV-Modulen Ergebnis Solarmodul mit integrierten Funktionen in Leichtbauweise 3-Schicht-Aufbau: Thermoplastische Kunststoffscheibe Polyurethan-Reaktivsystem (Verkapselungsmaterial) GFK-Trägerstruktur »Mini-Modul«: Modellsystem eines kunststoffbasierten Solarmoduls Bild: Fraunhofer IWM Erneuerbare Energien werden in Zukunft einen essentiellen Beitrag zum weltweiten Energiemix liefern. Diese Entwicklung wird in vielen Ländern, u.a. auch in Deutschland, aktiv von den Regierungen unterstützt. Die größte Herausforderung der photovoltaischen Industrie ist es, in den nächsten Jahren die Kosten zu reduzieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben und die reduzierten oder weggefallenen Einspeisevergütungen zu kompensieren. Dies kann nur durch einen geringeren Materialeinsatz, ein optimiertes Design, einen erhöhten Wirkungsgrad und eine verstärkte Automatisierung der Fertigung erreicht werden. Das Ziel der Untersuchungen ist daher die Entwicklung eines Leichtbau-Photovoltaikmoduls, bestehend aus einem Trägersystem aus langglasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und einer kosteneffizient hergestellten Kunststoffscheibe, mit integrierten elektrischen und optischen Funktionen auf der Basis einer integrierten Spritzguss-Werkzeug- und Fertigungstechnik sowie werkstoffmechanisch fundierter Methoden zur Bewertung seiner Zuverlässigkeit im langzeitigen Einsatz. Die mechanische Stabilität wird dabei maßgeblich durch einen spritzgegossenen Kunststoffträger geleistet, wodurch die bisher eingesetzten Aluminiumrahmen entfallen. Neben der Entwicklung neuer Modulkonzepte sind auch innovative Herstellungsprozesse ein Schwerpunkt der aktuellen Untersuchungen. Durch den Einsatz von 2K-Polyurethansystemen wurde das Reaction-Injection-Moulding (RIM) als Herstellungsverfahren in der Photovoltaik-Industrie etabliert. Eine spezielle Variante dieses Verfahren stellt das Clear-Coat-Moulding (CCM) dar, mit dem kompakte und transparente Materialsysteme hergestellt werden können. Gegenüber dem bisherigen Prozessschritt des Einlaminierens der Si-Zellen ergeben sich so wesentliche geringere Zykluszeiten. Energie & Umwelt © Fraunhofer IWM Halle

2 Si Quantenpunkte in einer SiC Matrix
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Si Quantenpunktschichten sollen als Si-kompatibles Material mit einer Bandlücke von 1.7eV in Tandemsolarzellen eingesetzt werden. Forschungsthemen Bandlücke von >1.1eV mit Si-Nanokristallen < 6 nm Elektrisch Leitfähige Matrix aus SiC Entwicklung einer Zellstruktur Entwicklung einer Tunneldiode zur monolithischen Verschaltung Optisches Confinement der Zellen TEM-Bild einer SiC Multilagenstruktur Eingesetzte Kern-Kompetenz des Verbundes: Materialentwicklung Hintergrund: Tandemsolarzellen, also ein Stapel aus zwei Solarzellen, ermöglichen eine effizientere Ausnutzung des Sonnenspektrums. Einfach-Solarzellen aus Si haben heute den größten Marktanteil im PV-Bereich. Entscheidendes Charakteristikum einer Halbleiter-Solarzelle ist die Bandlücke. Nur Licht mit Energien oberhalb der Bandlücke kann absorbiert werden, während Licht mit Energien unterhalb der Bandlücke transmittiert wird. Zudem bestimmt die Bandlücke die elektrische Spannung der Solarzelle. Si hat eine Bandlücke von 1.1 eV. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades kann erreicht werden, wenn auf die Si-Solarzelle eine weitere Solarzelle mit einer höheren Bandlücke gestapelt wird. Eine wichtige Anforderung an das Material ist, dass es von der Gitterstruktur u. a. Charakteristika mit Si kompatibel ist. Konzept: Eine Möglichkeit für ein solches Materialsystem sind Si-Quantenpunkte in einer Matix aus SiC-Schichten. Messung des Si/C Gehaltes Energie & Umwelt © Fraunhofer ISE

3 Photonische Kristalle für c-Si Solarzellen
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Elektrisch leitfähige und optisch streuende Schichten sollen in eine Silicium Hocheffizienzsolarzelle integriert werden. Forschungsthemen Passivierung der c-Si Oberfläche Aufbringung von PMMA Kugeln und Infiltration derselben mit amorphem SiC Kontaktbildung mittels Laserprozessen Ergebnis Stromgewinn von 0.3 mA/cm2 ohne Verluste in der offenen Klemmenspannung 1: Photonische Kristalle aus amorphem Siliciumkarbid als hocheffiziente Rückseitenstreuer für Silicium Solarzellen. Eingesetzte Kern-Kompetenz des Verbundes: Materialentwicklung Hintergrund + Konzept: One important development in the field of solar cells concerns the reduction of the required bulk material. This reduction is an important step on the way towards cheaper solar cells. Consequently, solar cells today become increasingly thinner. However, thinner solar cells absorb less light. To compensate this loss, light trapping techniques are required; techniques that increase the internal path length of the light inside the solar cell. A typical crystalline silicon solar cell today has a thickness of approx. d = 250 μm. This thickness is not sufficient if all potentially convertible photons shall be absorbed. Therefore, also crystalline silicon solar cells today posses certain light trapping mechanisms. The most straightforward mechanism is the application of a backside mirror. This light trapping technique is used in every solar cell today. Another light trapping technique is structuring the front surface. These two techniques, backside reflection and front surface texture are sufficient for today’s crystalline silicon solar cells; most of the convertible light is absorbed. These simple techniques are however not sufficient, if the solar cell thickness is severely reduced. Experimental solar cells in laboratories today have up to a tenth of named thickness of 250 μm. In the same degree as the thickness of a solar cell is reduced, the path length enhancement has to be increased. For solar cells with a thickness in the two-digit μm regime, light trapping concepts are required that induce a path length enhancement of a factor of several tens. One approach to efficiently increase the path length is the application of diffractive effects. Using these effects very efficient light trapping is possible. Several approaches have been proposed. One example is a photonic crystal Reflector, which is currently under development. Energie & Umwelt © Fraunhofer ISE

4 Rückseitengitter Innovationen von Fraunhofer MATERIALS
Eigenforschung Photonic-Si Verbesserte optische Eigenschaften gewinnen zunehmend an Bedeutung für stetig dünnere Solarzellen Das Konzept Gitterbeugung führt zu längeren Lichtwegen in der Solarzelle Dadurch erhöht sich die Absorption und Material kann eingespart werden Unser Ansatz Herstellung mittels Inteferenzlithographie und fortschrittlicher Prägetechniken Simulation mit selbstentwickelter Methodik Ergebnis Beugungsgitter sind ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung von Solarzellen Gitter auf der Rückseite eines Silicium Wafers. Über dem Gitter befindet sich eine Schicht SiO2 zur Passivierung sowie ein Aluminiumspiegel. eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: Materialentwicklung Das Prinzip ist auf der Folie erklärt, viel mehr gibt es dazu nicht zu sagen. Energie & Umwelt © Fraunhofer ISE

5 Photonische Kristalle für Solarzellen
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Photonische Kristalle weisen außergewöhnliche optische Eigenschaften auf und können auf vielfältige Weise zur Verbesserung von Solarzellen dienen Unsere Kompetenz Simulation photonischer Kristalle mit Hilfe wellenoptischer Methode Herstellung photonischer Strukturen mittels Interferenzlithographie Erarbeitung von Konzepten zum Einsatz photonischer Kristalle in Solarzellen Untersuchung und Charakterisierung photonischer Konzepte eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: Materialentwicklung, -bewertung und – prüfung 2-dimensionale bzw. 2,5-dimensionale photonische Kristalle sind auf großen Flächen gut herstellbar. Durch Bandstruktur- rechnungen lassen sich Dispersionsrelation und Blochmoden für Licht in einem zweidimensional periodisch modulierten Medium bestimmen. Ein besonders interessanter Effekt ist dabei das Auftreten einer Bandlücke, d.h. eines verbotenen Frequenzbereichs, in dem keine Ausbreitung von Licht möglich ist. Das am Fraunhofer ISE vorhandene Simulationsprogramm lässt sich für die Berechnung von 2,5-dimensionalen Wellenleiterstrukturen anwenden, indem die drei- dimensionale Struktur in die Ebene der Modulation abbildet wird. Diese Methode eignet sich z.B. für die Bestimmung der Moden in polymeren Lasern. Simulation des elektrischen Feldes innerhalb eines photonischen Kristalls Energie & Umwelt © Fraunhofer ISE

6 Hochkonversion niederenergetischer Photonen
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS, EU-Projekt Nanospec Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke werden von Solarzellen nicht genutzt Die Aufgabe Die niederenergetischen Photonen durch Hochkonversion in nutzbare Photonen umwandeln Ergebnis Der genutzte Spektralbereich wurde ausgedehnt Ein Effekt auf den Kurzschlussstrom einer Silicium Solarzelle wurde gezeigt Ausblick Durch Kombination mit einem zweiten lumineszenten Material soll der genutzte Spektralbereich weiter ausgedehnt werden EQE einer Siliciumsolarzelle mit ausgedehntem Empfindlichkeitsbereich durch Hochkonversion. Im blauen Bereich soll ein zweites lumineszentes Material Photonen sammeln und im nutzbaren Bereich emittieren eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Energie & Umwelt © Fraunhofer ISE

7 Lithium-Batterien: Material- und Zellentwicklung
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Verbesserte Materialien zur effizienten Energiespeicherung in Lithium-Batterien Herausforderung Reduzierung der Kosten und erhöhte Sicherheit sind Schlüssel für zukünftigen Einsatz von Li-Zellen Lösungsansatz Entwicklung kostengünstiger und zuverlässiger Zellkonzepte und Materialien Test von Batteriezellen unter Anwendungsbedingungen und Fehleranalyse eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Verbesserte Li-Batterien: von der Material- über Zellentwicklung bis zum anwendungsnahen Test Energie & Umwelt © Fraunhofer IKTS

8 Zustandsüberwachung an Windkraftanlagen
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Entwicklung von selbstdiagnostizierenden Strukturen (drahtlos, energieautark, strukturintegriert) für Verbundwerkstoffe Instrumentierung von Ermüdungstests Ergebnis Zustandsüberwachungssysteme (Structural Health Monitoring) basierend auf akustischen (aktiv, passiv) und schwingungsmechanischen Methoden Robuste Elektronik für die Langzeitüberwachung Akustische und optische Sensoren, Sensornetze mit Mikrocontroller und Signalverarbeitung Rotorblattprüfung auf dem Teststand bei der IMA GmbH Dresden Am Fraunhofer IZFP in Dresden werden »Condition Monitoring Systeme« (CMS) für die Zustandsüberwachung sicherheitsrelevanter Bauteile entwickelt. Für die integrale Überwachung großer Bauteilvolumina mittels Schallemissionsanalyse (Acoustic Emission Testing, AT) genügen in der Regel relativ wenige Sensoren. Aus der Laufzeit der Signale von den einzelnen schallemittierenden Quellen (Risse, Verbundstörungen, Reibung) zu mehreren Sensoren kann auf die Position der aktiven Schädigung zurückgerechnet werden. Für die messtechnische Überwachung des dynamischen Gesamtermüdungstests eines 40 Meter langen, aus CFK und GFK-Werkstoffen gefertigten Rotorblattes wurde ein Sensornetzwerk entwickelt. Die Herausforderung bei der Anwendung der Schallemissionsprüfung im Rahmen eines dynamischen Ermüdungstests resultiert aus dem starken Um- gebungsrauschen einerseits und den ungünstigen akustischen Eigenschaften der Kompositwerkstoffe, insbesondere deren hohen inneren Dämpfung, andererseits. Dynamischer Blatttest (Schallemission) Energie & Umwelt © Fraunhofer IZFP 8 8

9 Biobasierte Faserverbundwerkstoffe
Materialien und Technologien für die Zukunft Cellulosische Spinnfasern als Verstärkung Processing mit biobasierten Matrixpolymeren (z.B. PLA, PHB, Polysaccharidester) Vollständig biobasierte/ bioabbaubare Composite Materialien und Bauteile Energie & Umwelt © Fraunhofer IAP

10 Infrarot-aktive Fluoreszenzkonzentratoren
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS qc E1 E2 Escape cone Reab sorption and emission Dye Radiation Solar cell Collector plate System 1 System 2 Zu nutzender Bereich Fluoreszenzkonzentratoren ermöglichen Sonnenlicht ohne Nachführung zu konzentrieren Die Aufgabe Der ausgenutzte Spektralbereich muss ins Infrarote ausgedehnt werden, um ausreichende Wirkungsgrade zu erzielen. Unser Ansatz Lumineszente Nanokristalle werden in transparente Matrixmaterialien eingebettet. An den Kanten werden angepasste Siliciumsolarzellen angebracht eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. 1: Prinzip eines Fluoreszenzkonzentrators 2: EQE von Fluoreszenzkonzentratorsystemen die zeigt, welche Spektralbereich noch ungenutzt sind Energie & Umwelt Challenge CODIS © Fraunhofer ISE

11 ZfP für Faserverbundwerkstoffe
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Qualitätssicherung im Leichtbau Entwicklungsbegleitende Prüfung Prüftechnik für den Einsatz vor Ort Ergebnis Wirbelstromprüfung auf Delaminationen und Impakts Volumenprüfung von CFK mittels akustischer Phased-Array-Technologie und Automation Thermographie Röntgentomographie und Laminographie Wirbelstromscanner für CFK-Rohgelege Thermographie an einem GFK-Rotorblatt Das Fraunhofer IZFP bietet seinen Kunden Lösungen, die das ganze Potenzial des Leichtbaus erschließen. Nur fehlerfreies Material besitzt eine hohe Festigkeit bezogen auf das Gewicht. Sind Fehler nicht zu vermeiden, müssen sie frühzeitig erkannt werden. Das IZFP entwickelt dazu Verfahren auf der Grundlage von Ultraschall, Wirbelstrom, Röntgen, Infrarot etc., für moderne Kompositwerkstoffe, aber auch für leichte Metalle wie Aluminium oder Titan oder für Keramiken und Biomaterialien. Die Arbeiten des IZFP beginnen entwicklungsbegleitend, z. B. im Rahmen von systematischen Belastungstests, schließen Simulation und Geräteentwicklung ein und reichen bis zur Prüfdienstleistung »vor Ort«. Detektion von Poren in CFK mittels Röntgen Mobilität © Fraunhofer IZFP 11 11

12 Dynamisches Materialverhalten von FVK-Verbundmaterialien
Innovation aus dem Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) in Crash-relevanten Bauteilen aufgrund des Leichtbaupotentials Aufgabe Prognosefähige Simulationen des dynamischen Materialverhaltens von FVK Materialcharakterisierung Berücksichtigung der faserinduzierten Anisotropie Prozesssimulation Ansprechpartner am EMI: Jens Fritsch Geschäftsfeld Mobilität Eingesetzte Kompetenzen: Einsatzverhalten, Werkstoffmodellierung und Simulation Mit dem übergeordneten Ziel der Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist man bestrebt, das Gewicht von Automobilen zu reduzieren. In diesem Zug erhalten Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) zunehmend Einzug – auch in struktur- und crashrelevante Bauteile. Faserverstärkte Kunststoffe zeigen aufgrund ihrer intrinsischen Faserorientierungsverteilung eine ausgeprägte Anisotropie im mechanischen Verhalten (Steifigkeit, Festigkeit, Versagen). Für den Einsatz der immer wichtiger werdenden Methode der numerischen Simulation zur Abbildung möglicher Crash-Szenarien, ist die vollständige Erfassung des mechanischen Verhaltens der verwendeten FVK im Rahmen eines Materialmodells von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklung eines geeigneten Materialmodells basiert dabei einerseits auf umfangreichen Charakterisierungsversuchen und andererseits auf der Analyse der Prozesssimulation und daraus abgeleiteten Modellen zur Faserorientierungverteilung innerhalb eines Bauteils. Für spritzgegossene langfaserverstärkte Thermopolaste zeigt sich beispielweise eine charakteristische 3-Schicht-Ausbilung der Faserorientierung über die Dicke des Bauteils (siehe Folie). Nur unter Berücksichtigung dieser speziellen Anisotropie kann das mechanische Verhalten komplexer Bauteile unter Impaktbelastung – bis hin zum Versagen – richtig vorhergesagt werden. Ergebnis Entwicklung eines prognosefähigen numerischen Materiamodells für FVK Modell Faserorientierung Validierungsexperiment: Impaktversuch Mobilität 12

13 Dynamic Material Behavior of Fiber Reinforced Composites
Innovations of Fraunhofer Group for Materials and Components Application of Fiber Reinforced Plastics (FRP) in crash relevant components due to their potential in weight reduction Problem Simulation of dynamic material behavior of FRP with predictive capacity Material characterization Consideration of anisotropic properties due to local fiber orientation Process simulation Result Development of a numeric material model for FRP with predictive capacity Model of fiber orientation Validation: Impact experiment Mobility

14 Sichere Faserverbundkomponenten im Flugzeugbau
Simulation Herausforderung Vorhersage des Einsatzverhaltens Reduzierung von teuren Experimenten durch virtuelle Bauteiltests Zuverlässige Daten für Auslegung und Prototyping Ermüdung von Metall-Composite-Fügeverbindungen Lösungsansatz Mikrostrukturbasierte Werkstoffmodellierung Simulation von Schädigung und Delamination Flugzeugstrukturen aus Kohle- faserverstärkten Polymeren Bild: Fraunhofer IWM Die Forderung nach Leichtbau in der Luftfahrt bei gleichzeitig höchsten Anforderungen an die Bauteilsicherheit hat die Entwicklung von Faserverbundbauweisen in den letzten Jahren entscheidend vorangetrieben. Hervorragende Leichtbaueigenschaften weisen insbesondere die kohlefaserverstärkten Kunststoffe (CFK) auf. Maßgeschneiderte Materialeigenschaften lassen sich in breitem Umfang durch Variation der Faserorientierung einstellen. Das Materialverhalten unterscheidet sich jedoch ganz wesentlich von dem der Metalle und muss für sicherheitsrelevante Anwendungen genau verstanden werden und präzise berechenbar sein. Dafür werden am IWM komplexe mikrostrukturbasierte Simulationsverfahren entwickelt. (Im Flügel- und Rumpfbereich werden derzeit CFK-Laminate mit Dicken von über 50 mm eingesetzt, Laminatdicken von 120 mm und mehr für Lasteinleitungselemente sind heute in der Entwicklung und herstellungsseitig beherrschbar. Steifigkeit, Festigkeit und Schadenstoleranz der Faserverbundbauteile müssen in der Entwicklungsphase auch mit Hilfe aufwendiger Berechnungen analysiert werden. Festigkeitsbestimmend sind insbesondere die Bauteilbereiche mit Lasteinleitungen, Bohrungen oder Versteifungen, an denen starke Belastungskonzentrationen und mehrachsige Spannungszustände auftreten. Hier beginnt das Versagen des Bauteils mit dem Entstehen kleinster Risse bis hin zur kritischen Schadensakkumulation. Wenn man die Schädigungsentwicklung und ihre mikrostrukturellen Ursachen im Detail versteht, kann man den Werkstoff sicher bis an seine Grenzen belasten. In vielen praktischen Fällen kann die Tragfähigkeit des Materials durch ein gezieltes Mikrostrukturdesign noch signifikant erhöht werden. Überaus wichtig für die sichere Bauteilauslegung mit Faserverbunden ist auch der Nachweis der Schadenstoleranz, d.h. das sichere Funktionieren eines Bauteils mit entstandenen Schäden, zumindest für einen definierten Zeitraum bis zur nächsten Inspektion.) Den Schwerpunkt der Entwicklungen von Berechnungs- und Simulationsmethoden am IWM in Halle bilden Werkstoff- und Bauteilmodelle die – anders als Kontinuumsschädigungsmodelle - die mikrostrukturelle Schädigung direkt in Form von diskreten Mikro- und Mesorissen innerhalb von einzelnen Faserlagen oder als Delaminationen zwischen unterschiedlich orientierten Lagen erfassen. Nur so können die mechanischen Wechselwirkungen zwischen der heterogenen Werkstoffstruktur und den sich ausbildenden Risssystemen in ihrer Komplexität exakt erfasst und im Detail studiert werden. Will man auf diese Weise größere Bauteilausschnitte untersuchen, dann müssen clevere Algorithmen für eine Reduzierung der numerischen Modelle auf eine handhabbare Größe sorgen. Mit steigender Komplexität sind auch mögliche Modellfehler schwerer zu entdecken – hier sorgen robuste Fehlererkennungsroutinen und Plausibilitätsprüfungen für die nötige Absicherung. Eine besonders gefährliche Schadensart in laminierten Faserverbundbauteilen sind die Delaminationen, die sich als großflächige Risse zwischen zwei Schichten mit unterschiedlich orientierten Fasern leicht ausbreiten können, da sie nicht durch die hochfesten Fasern behindert werden. Leicht idealisiert lassen sich solche Risse dann mit bruchmechanischen Methoden sehr gut beschreiben. In der Praxis treten jedoch häufig schwer erklärbare Effekte auf, deren Ursachen nur über eine Betrachtung der Mikrostruktur gefunden werden können. Eine sehr wichtige Voraussetzung für die hohe Qualität der berechneten Vorhersagen ist die Ermittlung exakter Materialkenngrößen. Aufgrund der komplexen, hierarchischen Materialstruktur sind für Faserverbundbauteile sehr viele Größen zu bestimmen. Am IWM werden spezielle Methoden entwickelt, mit deren Hilfe universelle Basiswerkstoffdaten über Experimente und inverse Berechnungsverfahren sehr sicher und genau ermittelt werden können.    Mobilität © Fraunhofer IWM

15 Reaktionsmechanismen in Katalysatoren
Simulation Herausforderung Designvorgaben und Funktionsbewertung für neue Katalysatoren Was genau geschieht auf der quantenchemischen Ebene? Lösungsansatz Aufklärung der Reaktionsmechanismen bei der Abgaskatalyse in Abhängigkeit der Oberflächenstruktur durch atomistische Simulation Abgas-Katalysator eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. Quantenchemische Rechnungen der Reaktionen Mobilität © Fraunhofer IWM

16 Adaptive Beinprothese
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Entw. einer Beinprothese mit kontinuierlich an die Laufzustände anpassbarer Gangcharakteristik Selbstregelung durch Veränderung der Steifigkeit des Fußes sowie durch aktive Regelung des Kniemoments Ergebnisse neuartiges piezoelektrisches Ventil (Prototyp) für das Knie Veränderliche Steifigkeit der Basisfeder (künstlicher Fuß) bis 10 % (ohne Abrollen) Energierückgewinnungssystems und dessen Integration in den Prothesenschaft Adaptive Beinprothese Industriepartner: Otto Bock Health Care Gesundheit © Fraunhofer LBF

17 Optical Diagnosis and Nano Particles for Medicine
Innovations by Fraunhofer MATERIALS Objectives Development of a system for fast biopsy »Point-of-Care-Pathology« in prostate cancer diagnosis Application of nanodiamond particles for medical diagnosis and therapy Results Prototype based on time resolved Fluorescence Spectroscopy, applied in clinical tests for contactless determination of the dignity of the tissue (normal/tumor) Application of biologically activated nanodiamond particle (BaNDiT) to mark cancer cells and address cell organelles at very low cell toxicity Measurement of time resolved fluorescence Fluorescent nanodiamondsmark cancer cells. Health © Fraunhofer IZFP 17 17

18 Optische Diagnose und Nanoteilchen für die Medizin
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Entwicklung eines Systems für schnelle Biopsie-Tests zur »Point-of-Care-Pathologie« bei der Prostata-Krebsdiagnose Einsatz von Nanodiamant-Teilchen für medizinische Diagnose und Therapie Ergebnis Prototyp auf der Basis von zeitaufgelöster Fluoreszenz-Spektroskopie im klinischen Test zur berührungsfreien Bestimmung der Dignität des Gewebes (gesund/Tumor) Einsatz biologisch aktivierter Nanodiamant-Teilchen (BaNDiT) zur Markierung von Krebszellen und Adressierung von Zellorganellen bei sehr geringer Zelltoxizität Messung der zeitaufge-lösten Fluoreszenz Fluoreszierende Nanodiamant-Teilchen markieren Krebszellen. Gesundheit © Fraunhofer IZFP 18 18

19 Identifizierung und Charakterisierung von Materialien als potenzielle Emissionsquellen
Freisetzung von flüchtigen Substanzen und Partikeln aus: Materialien Geräten Teilen Nanopartikel-Analyse Untersuchung „nanohaltiger“ Materialien und Produkte Resonanzwaagen als Sensoren Identifizierung und Charakterisierung von Materialien als potenzielle Emissionsquellen Bauprodukte, Einrichtungsgegenstände, Büro- und Haushaltsgeräte sind die wesentlichen Produkte, die in Innenräumen anzutreffen sind. So unterschiedlich diese Produkte und deren Werkstoffe auch sind, so ist ihnen doch häufig eins gemeinsam: Sie werden unter Verwendung einer Vielzahl von Chemikalien hergestellt. Bei diesen Chemikalien handelt es sich um Ausgangsstoffe, Produktionshilfsmittel und Zusätze (Additive), die verwendet werden, um bestimmte Produkteigenschaften gezielt zu erreichen. Während der normalen Nutzung der Produkte kann es zu unerwünschten Restemissionen der eingesetzten Chemikalien kommen. Bei einigen Produkten ‑ wie z. B. bei Büro- und Haushaltsgeräten ‑ kommt es zusätzlich auch zur Bildung und Freisetzung von Partikeln. Eine mögliche Folge dieser Emissionen können nachteilige Gesundheitsauswirkungen sein. Auch Werkstoffe und Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen sind von dieser Emissionsproblematik betroffen. Die Fraunhofer-Institute besitzen hoch spezialisierte Laboratorien und ein umfangreiches Know-How für die Identifizierung und Charakterisierung von Werkstoffen und Produkten als potenzielle Emissionsquellen. Dabei können neben flüchtigen Emissionen auch Partikelemissionen gemessen werden. Mit unserem Wissen und apparativen Möglichkeiten unterstützen wir die Hersteller bei Entwicklung, Werkstoffauswahl und Produktion moderner, emissionsarmer und gesundheitsverträglicher Produkte. Ein zunehmend wichtiger Schwerpunkt ist dabei die Beschäftigung mit „nanohaltigen“ Produkten. Gesundheit

20 Modellierung und Simulation für die ZfP
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Optimierung komplexer Prüf- und Überwachungssysteme Auslegung von Sensoren Signalauswertung Ergebnis Entwicklung von Simulationsprogrammen auf der Basis der Finiten Integrationstechnik Realitätsnahe Untersuchung der Wechselwirkung physikalischer Felder mit Bauteilkomponenten und Fehlstellen Rekonstruktion und Charakterisierung des untersuchten Bauteils aus experimentellen Daten Bildgebende Verfahren bislang nicht erreichter Qualität durch direkte Verknüpfung von Simulation und Inversion Beratung bei der Anwendung komplexer Modellierungs- und Simulationswerkzeuge als Dienstleistung Elastodynamische Bauteilsimulation Das obere Bild zeigt die Simulation der Ausbreitung von Ultraschallwellen in einem Betonbauteil mit einem Gitter von Bewehrungsstäben. Unteres Bild: Für das Design von Ultraschallprüfköpfen, hier speziell von Phased Array Prüfköpfen, ist es erforderlich, vorab die prüfkopfabhängige Wellenabstrahlung zu charakterisieren, um den Prüfkopf nach den Anforderungen der Prüfaufgabe zu optimieren. Wandlerapertur Numerische Modellierung beim Ultraschall-Prüfkopfentwurf Maschinen- & Anlagenbau © Fraunhofer IZFP 20 20

21 Röntgen-Computertomographie zur Bauteilprüfung
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Aufgabe Entwicklung zerstörungsfreier Verfahren zur Fehlerprüfung an komplexen Materialien und Bauteilen Ergebnis Feinfokus-Röntgenröhre zur Nutzung der geometrischen Vergrößerung Ortsempfindliche, der Prüfaufgabe angepasste Detektoren Schnelle Rekonstruktionsalgorithmen Automatisierte Bildverarbeitung und Befunddarstellung Großanlagen und Desktopsysteme Bauteile mit komplexer Gestalt sind mit den weit verbreiteten Ultraschall-, Wirbelstrom- und Streuflussverfahren auf Grund der notwendigen Sensorführung über die Oberfläche nur mit großem Aufwand prüfbar. Auch die Prüfung einiger Werkstoffe wie z.B. Eisen-, Stahl- und Aluminium-Guss und kohlefaserverstärkte Kunststoffe erfordert besondere Anstrengungen. Röntgen-Radiographie und Computer Tomographie bieten hier Vorteile. Zwei FhI (IZFP, IIS) entwickeln in der gemeinsamen Abteilung (EZRT EntwicklungsZentrum RöntgenTechnik) Verfahren und Technologie. Die Abbildungen zeigen das Tischmodel CT Mini und Rekonstruktionen mit den farbig dargestellten Bauteilfehlern (Poren). Röntgen-Computer-Tomograph und Fehlerdarstellung Maschinen- & Anlagenbau © Fraunhofer IZFP 21 21

22 Wirtschaftliche Produktionstechnologien für optische Systeme
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Asphärische FAC-Zylinderlinse (12x1x0.8 mm3) Bild: Fraunhofer IWM Heißformgebung für hochgenaue Optiken aus Glas Wirtschaftlicher Herstellprozess höchste Präzision (< l/10) Lösungsansatz neue Formwerkzeuge , Beschichtung, schneller Heißprägeprozess Gute Reproduzierbarkeit und Kostenvorteil durch schnellen IWM-Heißprägeprozess »Tailored Optics« – Wirtschaftsorientierte strategische Allianz für Präzisionsoptiken In der wirtschaftsorientierten strategischen Allianz (WISA) »Tailored Optics« arbeiten fünf Fraunhofer-Institute an den Prozessen zur Herstellung hochpräziser, heiß geformter Optikkomponenten aus Glas. Ziel ist es, die Formwerkzeuge für den Replikationsprozess und die Prozesskette mit Blick auf höchste Präzision und möglichst niedrige Fertigungskosten weiterzuentwickeln. Denn nur so können sich europäische Optikhersteller in Massenmärkten wie der Medizin- und Lasertechnik, der Telekommunikation oder auch der Automobilindustrie gegenüber ihren sehr starken asiatischen Wettbewerbern behaupten. Partner im Projekt »Tailored Optics« Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Bilder: Fraunhofer IWM Maschinen- & Anlagenbau © Fraunhofer WISA Tailored Optics - IWM, IPT, IKTS, IOF, IWU

23 Hochauflösende Analytik für Materialforschung, Mikroelektronik und Nanotechnologie
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS Nanoindentation Aufgabe Weiterentwicklung von Analysemethoden Entwicklung von Komponenten und Gerätesystemen für neue Analysemethoden Entwicklung von Applikationsstrategien zum Einsatz neuer Analysemethoden und -systeme Dienstleistungen auf dem Gebiet der Analytik für Hightech-Unternehmen Ergebnis Hochauflösende Elektronen- und Ionenmikroskopie Hochauflösende Röntgentechniken Hochaufgelöste mechanische Eigenschaften XCT Oben: Abdruck eines Nanoindenters in einem homogenen Material (OSG – organosilicate glass) Mitte: Visualisierung von Bruchkanten röntgenographisch unsichtbarer Materialien mittels Goldpartikeln von 3-5 Mikrometer Durchmesser Unten: Ultraschallkraftmikroskopie macht Einzelheiten deutlich, die mit konventioneller Rasterkraftmikroskopie nicht zu sehen sind (mittels FIB von hinten in eine Membran eingeprägte Strukturen, die sich in Dickenunterschieden der Membran abbilden) AFM AFAM Mikrosystemtechnik © Fraunhofer IZFP 23 23

24 Nanoimprint Lithographie (NIL)
Innovationen von Fraunhofer MATERIALS BMU Projekt Nanotex Motivation Oberflächentexturierung zur Minimierung der Vorderseitenreflexion und Ausnutzung von Light Trapping Effekten Großes Optimierungspotential für multikristallines Silicium durch Realisierung definierter Texturen Aufgabe Industrierelevantes Verfahren zum Strukturieren von Ätzmasken Realisierung definierter Texturen auf mc-Si Lösungsansatz Nanoimprint Lithographie zum Strukturieren der Ätzmaske in einem Stempelverfahren Plasmaätzprozesse für den anisotropen Strukturübertrag in das Substrat Im Projekt Nanotex arbeitet das Fraunhofer ISE an einem neuartigen Texturierungsverfahren für kristalline Siliciumsolarzellen. Dieses Verfahren basiert auf der Nanoimprint-Lithographie, bei der eine Ätzmaske in einem Stempelverfahren strukturiert wird und somit anschließend ein definierter Ätzprozess durchgeführt werden kann. Dieses Stempelverfahren soll die Photolithographie ersetzen, die zum Erreichen höchster Wirkungsgrade nur im Labormaßstab verwendet wird. Um das Stempeln der Ätzmaske industrietauglich zu gestalten, soll dies in einem Rollenprägeprozess realisiert werden. Neben einer vereinfachten Prozessführung zur klassischen Photolithographie ermöglicht die Nanoimprint Lithographie eine erhöhte Strukturauflösung sowie die Möglichkeit, kontinuierliche Profile in Ätzmasken herzustellen. Ein Anwendungsschwerpunkt des Nanotex Projekts liegt auf der Vorderseitentextur multikristalliner Siliziumsolarzellen, da hier noch ein großes Optimierungspotential zu gängigen industriell hergestellten Texturen besteht. 1: Veranschaulichung des NIL Prozesses. 2: Mittels NIL strukturierte Ätzmaske auf einem mc-Si Substrat Mikrosystemtechnik © Fraunhofer ISE

25 Nasschemische Applikation von transparenten leitfähigen Schichten
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Verbesserung und Vereinfachung transparenter elektrisch leitfähiger Schichtsysteme Nasschemisches Druckverfahren für präzise n-leitende Strukturen Entwicklung Sol-Gel-basierter p-leitender Materialien Nutzen präzise Applikation dichter, strukturierter Schichten Potenzielle Anwendungen Dünnschicht-Solarzellen, transparente Leuchtdioden, Displaytechnologie © Fraunhofer ISC Mittels Tampondruck aufgebrachte n-leitende Strukuren © Fraunhofer ISC Transparenter p-leitende Schicht (Cu(AlCr)O2) Mikrosystemtechnik © Fraunhofer ISC 25 25

26 Sprengprägen Technologieentwicklung
Mittels einer detonativ erzeugten Stosswelle kann eine Metalloberfläche in Sekundenbruchteilen eine vorgegebene Struktur übertragen werden. Detonationsgeschwindigkeit: ~ m/s Detonationsdruck: ~ bar Anwendungen Fälschungssichere Kennzeichnung von Markenprodukten (Plagiatschutz) Dekorative und sicherheitsrelevante Anwendungen in der intern. Druck und Verpackungsindustrie Fraunhofer-Forschungspreis 2009 Fraunhofer-Forschungspreis 2009: Holo-Impact-Strukturen auf Metalloberflächen Zur Feinstrukturierung von Metalloberflächen zählt seit neuerer Zeit auch das sog. Sprengprägen. Eine dünne Originalvorlage beliebig strukturierter Grafiken wird auf die Oberfläche gelegt und durch den Detonationsdruck einer kleinen Flächen-Explosivladung exakt in die Metallstruktur übertragen. Das geht soweit, dass holografische Nano-Prägevorlagen wie weiche, hauchdünne Nickelprägebleche von 0,1mm Stärke, sog. Shims, die selbst das Hologramm durch galvanische Zwischenabformung erhalten haben, in Formeinsätze für das Spitzgießen, Druckwalzen, Kalt- oder Heißformteile übertragen werden. Die ausgeformten bzw. abgeformten Kunststoff- oder Werkstückteile zeigen wiederum das kennzeichnende Hologramm. Die flächige Explosiv-Stoßwelle führt auch zur gewissen Härtesteigerung von Stahlwerkstücken. Der Vorgang dient zur einmaligen, fälschungssicheren Identifizierung des Formen- wie Kunststoffteil-Herstellers, eine eindeutige Kennzeichnung auch als Abwehr gegen die ständige zunehmende Produktpiraterie. Die Sprengprägung selbst ist nicht kopierbar, sogar bei identischen Vorlagen. Ersetzt werden dürfte damit auch der Einsatz bisheriger konventioneller galvanischer Verfahren und Ätzbäder. © Fraunhofer ICT

27 Keramische Faserverbundwerkstoffe
Materialentwicklung Innovative Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von kurzfaserverstärkten CMC Herausforderung Erschließung neuer bisher nicht zugän- giger Anwendungsfelder – kosteneffek- tive Herstellung von Demonstratoren Lösungsansatz Formgebungstechnologien aus Polymer- und Textiltechnik Keramische Matrices aus SiC-Precursoren Serien- und Massenproduktion - Halbzeuge eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. C-SiC-Faserverbundkeramik mit einzelnen Faserbündeln (mCT, FhG ISC Bayreuth) © Fraunhofer IKTS, IWM, ISC

28 Ceramic fiber composites
Materialdevelopment Innovative cost-effective production methods for short-fiber-reinforced CMC Challenge Development of new applications – cost-effective manufacture of demonstrators Approach Shaping technologies from polymer and textile engineering Ceramic matrices from SiC precursors Series and mass production – semi-finished products eingesetzte Kern-Kompetenzen aus dem Verbund: - Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. C-SiC fiber composite with single fiber bundles (mCT, Fraunhofer ISC Bayreuth) © Fraunhofer IKTS, IWM, ISC

29 Nano-Silber Materialentwicklung
Nano-Silber zur bioziden Systemfunktionalisierung Mikroorganismen an Oberflächen als Gesundheitsrisiko Bekämpfung mit nicht-humantoxischen Wirkstoffen Nano-Silber als nachhaltig wirksame Komponente Nano-Silber Herstellung aus flüssiger Phase Nano-Silber als Ersatz für humantoxische konventionelle Biozide (z.B. Isothiazolinone) Makroskopische Aufnahme eines Schimmelpilzes Nano-Silber-Beschichtungen mit antimirobiellen Eigenschaften • Bakterien, Pilze und Sporen an Oberflächen stellen eine Bedrohung und ein Gesundheitsrisiko dar. • Als Stand der Technik werden zum Beispiel zur Konservierung in höheren Konzentrationen umweltgefährdende, humantoxische Biozide auf Basis von Isothiazolinonen eingesetzt. • Wünschenswert ist die Verwendung kostengünstiger nicht-humantoxischer Wirkstoffe. • Vorgestellt wird Nano-Silber als nachhaltig wirksame Komponente Methodik Mit Hilfe der Nanotechnologie gelingt es erstmalig, Silber in nanopartikulärer Form bereitzustellen und dadurch eine größtmögliche biozide Wirkung bei geringstem Materialeinsatz zu gewährleisten. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, zur kostengünstigen Beschichtung von Oberflächen (z. B. mit entsprechend ausgestatteten Farben und Lacken). Kommen Bakterien, Pilze und Sporen mit derart ausgestatteten Oberflächen in Kontakt, sterben die erstgenannten ab. Die generelle Verbesserung der Hygiene ist ein erstrebenswerter Zusatznutzen. Zusammenfassung/Folgerungen • Die Anwendung von Beschichtungen mit Nano-Silber wird als effektive, nachhaltige und kostengünstige Maßnahme zur Verbesserung der Hygiene vorgeschlagen. • Die biozide Wirkung von Nano-Silber in Gehalten unter 100 ppm gegen Aspergillus niger ist für den Anwendungsfall »Dispersionsfarbe« nachgewiesen gemäß Suspensionstest / Direktbeschickung in Anlehnung an Ph.Eur • Die biozide Wirkung gegen Staphylococcus aureus für den Anwendungsfall Kunststoff-Beschichtungen ist nachgewiesen gemäß Sprühtest in Anlehnung an japanische Norm JIS Z 2801. • Ein Sicherheitskonzept wurde entwickelt und analytisch überprüft. Ferner wurde in Toxizitätsbewertungen die Unbedenklichkeit bescheinigt. REM-Aufnahme von Nano-Ag-Partikeln der Größenordnung 50 nm. © Fraunhofer ICT

30 ORMOCER®e für sichere Li-Ionenspeicher
Materialentwicklung Motivation Zuverlässige Energieversorgung für mobile Endgeräte Aufgabe Entw. eines nicht-brennbaren Feststoff-Elektrolyten mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit Entw. leistungsfähiger Li-Polymer-Zellen Ergebnis Nicht-brennbare ORMOCER®-Elektrolyte Steigerung der Leistungsfähigkeit durch nanokeramische Füllstoffe realisierbar ORMOCER®-Elektrolyt (© V. Steger für Fraunhofer ISC) © Fraunhofer ISC

31 Untersuchung von Selbstheilenden Materialien
Materialentwicklung Material verschließt autonom das Loch nach dem Durchtritt eines Projektils Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter auf die Selbstheilung: Projektilgeschwindigkeit Herstellungsprozess des Materials Entwicklung eines Materialmodells für FE Simulationen unter Berücksichtigung: Finiter Dehnungen Plastizität Thermomechanischer Kopplung Beschuss des Materials mit einem Projektil (Ø 5.6 mm) bei 300 m/s. Ansprechpartner am EMI: Thomas Haase Kernkompetenz Werkstoffmodellierung und Simulation Zukunftsthema Das Material: Bei dem Material handelt es sich um einen gewöhnlichen Kunststoff aus der Gruppe der thermoplastischen Elastomere. Verwendung findet er normalerweise z.B. als Verpackungsmaterial oder bei der Herstellung von Golfbällen. Der Selbstheilungsprozess: Beschießt man eine 1-2 mm dicke Folie aus diesem Material mit einem Projektil, so ist diese in der Lage, das Loch nach dem Durchtritt des Projektils wieder fest zu verschließen. Dazu tragen einerseits die elastischen Eigenschaften des Materials bei, die dazu führen, dass sich das Loch durch ein „Rückfedern“ wieder schließt. Im zweiten Schritt führen die thermoplastischen Eigenschaften dazu, dass die Risse wieder verschmelzen, da sich das Material beim Beschuss bis zur Schmelztemperatur erwärmt hat. Ziele: Sowohl die mechanischen als auch die thermischen Eigenschaften sollen experimentell untersucht werden und daraus ein Materialmodell für FE Simulationen entwickelt werden. Selbstgeheiltes Material nach dem Beschuss. © Fraunhofer EMI 31

32 Entwicklung einer Technologieplattform zur Herstellung multifunktionaler Hybridschäume
Materialien und Technologien für die Zukunft Eigenschaftsoptimierung durch Kombination von Schaumstoffen unterschiedlicher Materialklassen (Polymer, Metall, Keramik), Unterstützung durch numerische Tools Herausforderung Große Materialvielfalt Herstellung der Monomaterialschäume (Keramik, Metall) Anpassung bisheriger Technologien zur Verbindung der Schäume Lösungsansatz Simulationsunterstütze Material und Prozessoptimierung Keramik – EPS Hybridschaum, verbessertes Versagensverhalten Das vorliegende Projekt zielt auf die Entwicklung und Etablierung einer Technologieplattform zur Herstellung von multifunktionalen Hybridschäumen unter optimaler Nutzung der Synergieeffekte der kombinierten Monomaterialschäume mit dem Ziel eine neue Werkstoffklasse unter anderem für den Leichtbau bereitzustellen. Ein Hybridschaum wird als die Kombination von zwei Monomaterialschäumen aus unterschiedlichen Werkstoffen, die auf makroskopischer Ebene verbunden sind, definiert. In Abhängigkeit von der Struktur werden die Hybridschäume in zwei Varianten eingeteilt. 1. Die interpenetrierenden Hybridschäume: die Monomaterialschäume liegen kokontinuierlich vor 2. Die partikulären Hybridschäume: ein Monomaterialschaum liegt partikulär im kontinuierlichen Matrixschaum vor Der Vorteil der Hybridschäume liegt in der Erweiterung des Eigenschaftsspektrums der Monomaterialschäume, das durch die Auswahl der Ausgangsmaterialien für die jeweiligen Anwendungen eingestellt werden kann. Des Weiteren werden die jeweiligen spezifischen Schwächen der Materialien kompensiert. Zur Entwicklung der Technologieplattform „Hybridschäume“ werden drei Teilziele definiert: 1. Darstellung der technologischen Machbarkeit der Hybridschäume 2. Entwicklung der Technologien zur Herstellung der Hybridschaumvarianten für die folgende Demonstratorentwicklung 3. Entwicklung eines Simulationstools zur Bestimmung der Materialien für spätere Anwendungen und Berechnung der Eigenschaften Das hohe Potential dieser neuen Werkstoffe soll anhand von drei Modellanwendungen aus den Bereichen mechanische Energieabsorption durch neuartige Leichtbau-Crashelementen, multifunktionalen Schallschutz und leichte, hochsteife Konstruktionselemente dargestellt werden. Zur Bearbeitung des Projektes ist eine enge Verknüpfung der Kompetenzen der Polymer-, Metall- und Keramikschäume (ICT, IFAM, IFAM-DD, IKTS), der Grenzflächenmodifikation (ISC) sowie der Analysetechnik und numerischen Simulation (IWM, IWM-H) erforderlich. Neben den Erfahrungen auf den jeweiligen Gebieten ist auch die Infrastruktur bei den genannten Instituten zur Bearbeitung des Projektes ausgezeichnet. Das Gesamtvorhaben der MAVO gliedert sich in sechs Arbeitspakete, für die jeweils ein Teilprojektleiter die Verantwortung trägt. Die Projektleitung des Gesamtvorhabens übernimmt Dr. Frank Henning, Leiter des Produktbereichs Polymer Engineering und des Kompetenzzentrums Fahrzeugleichtbau, vom Fraunhofer ICT in Pfinztal. © Fraunhofer MAVO HYBSCH - ICT, IWM, ISC, IFAM, IKTS 32

33 Fraunhofer MATERIALS Strategische Vorschau
Kommunikation zwischen Industrie und Forschung Identifikation von Forschungsthemen Vorschläge für neue Forschungsprogramme Zukunftsgestaltung Integration unterschiedlicher Sichtweisen Strategische Vorausschau: Da das Innovationsgeschehen heutzutage zunehmend komplexer wird, Projekt- und Netzwerktätigkeiten von Unternehmen kontinuierlich steigen, ist vorausschauendes Denken und technologische Kompetenz für den Erfolg von Innovationen entscheidend. Um dem Rechnung zu tragen, brauchen wir Methoden für ein ganzheitliches Innovationsmanagement, das mithilfe der Technologievorausschau analysiert werden kann. Eine zentrale Methode der Technologievorausschau ist das Roadmapping. Während Szenarien dazu dienen, mögliche zukünftige Entwicklungen zu analysieren, sind Roadmaps für die konkrete Planung und Umsetzung von Zukunftsstrategien sehr nützlich. Roadmapping wird heute bereits in vielen Unternehmen praktiziert und wir können sehen, dass das Interesse an diesem Thema gerade in technologieorientierten Firmen sehr hoch ist. Um innovative neue Produkte zu gestalten, müssen wir der Frage nachgehen, wie wir die zukünftigen Forschungsthemen in der Materialwissenschaft und in der Werkstofftechnik verbinden. Es ist wichtig zu wissen, für welche Anwendungen neue Materialen denkbar sind und für welche Anforderungen des Marktes neue Werkstoffe benötigt werden. © Fraunhofer ISI

34 Hochleistungskeramik im Energiesektor 2025
Roadmapping, Szenarien und Strategische Vorschauen Herausforderung Erarbeitung einer Forschungsstrategie für Hochleistungskeramik u.a. für Energie und Umwelt Lösungsansatz Identifizierung forschungsrelevanter Technologien Definition von Anforderungen an Werkstoffe Prozess- und Fertigungstechnik Charakterisierung und Modellierung Roadmap Hochleistungskeramik für Energietechnologien Quelle: iTM Kassel Hochleistungskeramik im Energiesektor 2025: Szenarien helfen uns, mit der Unsicherheit der Zukunft besser umzugehen. Wie aber können diese Erkenntnisse in Strategien umgesetzt werden? Dabei können uns Roadmaps helfen. Hier sehen Sie ein Beispiel für eine Roadmap aus dem Bereich Hochleistungskeramiken. Wir haben untersucht, welchen Beitrag neue Hochleistungskeramiken zur Entwicklung neuer Energie- und Umwelttechnologien leisten können. Die Technologie-Roadmap zeigt die Entwicklungspfade für Werkstoffe, die hohen Temperaturen standhalten, und für Werkstoffe, die zur Speicherung und Konversion von Energie eingesetzt werden können. Ein dritter Schwerpunkt sind Membrantechniken, die bereits heute bei der Trinkwasseraufbereitung und in der Lebensmitteltechnik neue Standards setzen und in Zukunft für den Einsatz in CO2-freien Kraftwerken infrage kommen. Vorteil: Aus dieser Technologievorausschau leiten sich Themen für die Forschung ab. Unternehmen können abschätzen, wann sie in bestimmten Technologiefeldern ihre Aktivitäten verstärken sollten. © Fraunhofer ISI 34

35 Self-cleaning surfaces with enhanced photocatalytic action
Fraunhofer MATERIALS frontline themes Multifunctional nanocoatings for car windows Photocatalytic effect is stronger than in commercially available coatings Benefit Transparent and colorless coatings with obvious and easy to measure self-cleaning effect Enhances active and passive driver‘s safety Initial field tests on the outside of passenger window © Fraunhofer ISC Umwelt Mobilität Top row: green-colored soda lime glass bottom row: colorless borofloat glass © Fraunhofer ISC 35

36 Selbstreinigende Oberflächen mit erhöhter photokatalytischer Aktivität
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Multifunktionale Nanobeschichtungen für Autoverglasungen Deutlich höhere photokatalytische Aktivität im Vergleich mit kommerziell verfügbaren Beschichtungen Nutzen Transparente und farblose Schichten mit sicht- und messbar verbessertem Selbstreinigungseffekt Erhöhung der aktiven und passiven Fahrsicherheit Erste Feldtest an der Außenseite Beifahrerseite © Fraunhofer ISC Umwelt Mobilität Obere Reihe: grün gef. Kalk-Natron-Glas Untere Reihe: farbloses Borofloatglas © Fraunhofer ISC 36

37 Nachhaltiger Schutz von historischen Glasmalereien
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Verbreitetes Schadbild farbiger Glasfenster aus vergangenen Jahrhunderten ist ein Netz feiner Mikrorisse, die zur Zerstörung des gesamten Glases führen können Neuartiger Glas-in-Glas-Festiger auf Basis einer nanoporösen Glasphase kann geschädigtes Glas stabilisieren, ohne weitere Veränderungen an der Substanz zu verursachen Umwelt Bauen Craquelé-Risse, Jesus-Sirach-Fenster (Kölner Dom, © Dombauhütte) © Fraunhofer ISC 37

38 Durable protection for historic decorated glass
Fraunhofer MATERIALS frontline themes One of the most common damages to ancient stained glass windows are tiny »craquelure« microcracks which can lead to the total destruction of the glass. A novel glass-in-glass consolidant on the basis of a nanoporous glass phase helps stabilize damaged glass and prevent any further changes. Umwelt Bauen Craquelure crack, Jesus-Sirach window (Cologne Cathedral, © Dombauhütte) © Fraunhofer ISC 38

39 Nano-Imprint-Lithographie (NIL)
Zukunftsthemen von Fraunhofer MATERIALS Low-k ORMOCER®e für die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Basis von NIL (hier: Backend on Chip) Nutzen Strukturen kleiner 100 nm möglich  Erhöhung der Integrationsdichte Ausreichende mechanische Stabilität Keine Anti-Adhäsionsbeschichtung der Prägestempel nötig Permittivität bei 1 MHz: 2,5 ! Reduzierung der Prozessschritte im Vergleich zu herkömmlichen Strukturierungsverfahren 300 nm © AMO Geprägte ORMOCER® Teststrukturen auf Si Mikrosystemtechnik 1 µm © AMO BMBF Fantastic in Kooperation mit © Fraunhofer ISC 39

40 Nano-Imprint-Lithography (NIL)
Fraunhofer MATERIALS frontline themes Low-k ORMOCER®s for packaging technology on basis of NIL (here: Backend on Chip) Benefit Structures below 100 nm possible  increase in integration density Sufficient mechanical stability No anti-adhesion coating of the die stamp required Permittivity at 1 MHz: 2,5 ! Reduced processing steps compared with conventional patterning 300 nm © AMO ORMOCER® test structures on Si Mikrosystemtechnik 1 µm © AMO BMBF Fantastic in cooperation with © Fraunhofer ISC 40

41 Energieeffiziente und solare Kühlung
Energie&Umwelt Energieeffiziente und solare Kühlung Bauen&Wohnen Kompetenz aus dem Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile Materialentwicklung: Sorptionstechnologie Modifikation von Sorptionsmaterialien Molekulare Simulation Synthese und Beschichtung halbautomatische Tauch-Beschichtungsanlage Mikrowellenreaktor Autoklaven Verfahren- und Systeme Komponentenentwicklung Anlagenkonzepte Sorptionstechnologie-Materialentwicklung © Fraunhofer ISE

42 Energy efficient and solar cooling
Energie&Umwelt Energy efficient and solar cooling Bauen&Wohnen Competence of Fraunhofer Materials Material development: Sorption technology Material modification Simulation Synthesis und Coating Processes and systems Component development Design concepts Sorptionstechnologie-Materialentwicklung © Fraunhofer ISE