Advanced Materials and Manufacturing (Research Master)

AMM Dispersion

Zu einer der größten, aktuellen Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung zählt die Entwicklung eines wieder aufladbaren Batterietyps mit sehr hoher Kapazität und Leistung bei gleichzeitig möglichst geringem Raumbedarf. Insbesondere der Bereich der Elektromobilität erfordert Akkumulatoren mit höheren Ladungs-, Energie- und Leistungsdichten als bislang verfügbar.

Einer der im Moment vielversprechendsten Ansätze ist das System Lithium/Schwefel. Dieses zeichnet sich durch eine hohe theoretische Leistungsfähigkeit, eine breite Verfügbarkeit der zugrundeliegenden Materialien, deren Umweltfreundlichkeit und geringen Toxizität aus. Um die neuen Akkumulatoren für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen, sind weitere Anstrengungen erforderlich insbesondere im Bereich der experimentellen Kapazität und Zyklenfestigkeit.

In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung und anschließenden –charakterisierung. Moderne Analysengeräte sowie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützen Sie bei der Durchführung Ihrer Arbeit.

Zur Speicherung der elektrischen Energie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Stand heute Lithium-Ionen-Batterien (LiB) zum Einsatz kommen. Zwar besteht eine langjährige Erfahrung im Bereich der Consumer-Electronis (z.B. Laptop), allerdings sind die Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte und insbesondere Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LiB für automotive Anwendungen um ein vielfaches höher und bis heute bei weitem noch nicht erfüllt. Die der Alterung zugrunde liegenden Mechanismen sowie die relevanten Einflussgrößen sind größtenteils noch nicht verstanden und Gegenstand großer Forschungsvorhaben.

Für die Großserienfertigung von LiB setzt man bislang, in Ermangelung erprobter Alternativen, auf die bekannten Fertigungstechnologien für Consumer Electronics Anwendungen. Erprobte, prozesssichere und kostenoptimierte Fertigungstechniken für automotive Anwendungen sind nicht ausreichend verfügbar. Zudem fehlt es an effizienten und aussagekräftigen Verfahren, die Qualität einzelner Fertigungsschritte innerhalb der komplexen Fertigungsprozesskette zu bewerten.

Die angebotenen Forschungsarbeiten befassen sich mit werkstoffwissenschaftlichen Aspekten der Alterung und der Fertigungsqualität von Lithium-Ionen-Batterien. In einem aktiven Forschungsteam stehen Ihnen modern ausgestattet Labore zur Durchführung Ihrer Arbeit zur Verfügung.

Bei Elektrofahrzeugen steckt ein erheblicher Teil der Wertschöpfung in den darin verbauten Energiespeichern – den Lithium-Ionen-Akkumulatoren (LiB). Zusätzlich kommen LiB vermehrt als stationäre Speichersysteme zum Einsatz. Deren Qualitätskontrolle ist unabdingbar für den sicheren Betrieb sowie der Reduzierung der Herstellungskosten. Zwar besteht eine langjährige Erfahrung im Bereich der Consumer Electronics (z.B. Laptop, Smartphone, etc.), allerdings sind die Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte und insbesondere Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LiB für stationäre bzw. automotive Anwendungen um ein vielfaches höher und bis heute bei weitem noch nicht erfüllt.

Für die Großserienfertigung von LiB setzt man bislang, in Ermangelung erprobter Alternativen, auf die bekannten Fertigungstechnologien für Consumer Electronics Anwendungen. Erprobte, prozesssichere und kostenoptimierte Fertigungstechniken für automotive Anwendungen sind nicht ausreichend verfügbar. Zudem fehlt es an effizienten und aussagekräftigen Verfahren, die Qualität einzelner Fertigungsschritte innerhalb der komplexen Fertigungsprozesskette zu bewerten. In diesem Zusammenhang sollen auch relevante Inline- und Offline-Prüfverfahren hinsichtlich Aussagekraft und Anwendbarkeit erprobt werden.

Für Ihre Forschungsarbeit im Rahmen des Research Masters steht Ihnen ein engagiertes Team mit modern ausgestatteten Laboren zur Seite.

Batteries are one of the key technologies not only for e-mobility but also for mobile & stationary energy storage applications. However, the potential for further improvements in conventional LIB is diminishing, and the limits of this technology are expected to be reached within the coming decade. Therefore, alternative technologies such as solid-state batteries (SSBs) and/or sodium-ion batteries (NIBs) need to be developed.

The development of all-solid-state batteries (ASSBs) could help in overcoming the main problems of conventional batteries containing liquid electrolytes, i.e. (i) safety concerns- explosion or fire due to leakage, (ii) low energy density - impossible to use Li as an anode.

Sodium-ion batteries (NIBs) offer advantages in technical performance, safety, and cost over LIBs. The electrode material used in sodium-ion batteries is mainly sodium salt, which is more abundant and cheaper than lithium. They can be stored or transported at an empty energy state (0 V), making them safer.

To further improve those new technologies, several challenges must be tackled at multiple levels (e.g., particle level, interface level, electrode level), and understanding the microstructure-property relationship provides better control of the performance at the cell level.

Dauermagnet- und Weichmagnet-Werkstoffe spielen für die effiziente Energiewandlung und damit für die nachhaltige Etablierung von Elektromobilität und erneuerbarer Energie eine Schlüsselrolle. Erforderlich sind hierfür leistungsstarke, langlebige und kostengünstige Werkstoffe mit auf die jeweilige Produktanforderung maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil.

In verschiedenen Forschungsprojekten werden Hochleistungsmagnetwerkstoffe wie NdFeB und SmCo oder Elektroblech, SMC-Materialien, amorphe Weichmagnete dahingehend weiterentwickelt und in ersten Prototypen getestet. Die Substitution kritischer Elemente durch nachhaltige Elemente und Methoden des pulvermetallurgischen Recyclings stehen ebenso im Fokus. In allen Fällen ist die Korrelation der Gefügestruktur mit den Magneteigenschaften unverzichtbar. 

Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore zur Verfügung.

Dauermagnet-Werkstoffe spielen für die effiziente Energiewandlung eine wichtige Rolle. Von strategischer Bedeutung sind sie für Generatoren bei der Erzeugung erneuerbarer Energie sowie für Elektromotoren in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder zur Motorisierung der automatisierten Fertigung im Rahmen von Industrie 4.0.

Mit eigenentwickelten Hochdurchsatzmethoden werden ganz neue vielversprechende magnetische Phasen aufgespürt und daraus einsatzfähige Magnetwerkstoffe bis an die Grenze der Massenproduktion entwickelt. Die neuen Magnete sollen gegenüber den heutigen stärksten Werkstoffen (Seltenerdmagnete) verbesserte Verfügbarkeit der Rohstoffe (Kosteneffizienz, Ressourceneffizienz und Ressourcenschonung) und geeignetere Eigenschaftsprofile (Leistungsstärke und Langlebigkeit) aufweisen.

Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore zur Verfügung.

Die additive Fertigung (Laser Powder Bed Fusion L-PBF) verspricht auch bei Magnetwerkstoffen völlig neue Wege in der Produktentwicklung und -gestaltung effizienter Energiewandler.

Sie entwickeln mit modernster Anlagentechnologie neuartige Dauermagnet- und Weichmagnetkomponenten. Neben materialwissenschaftlichen Themen werden auch Themen zur konstruktiven und programmiertechnischen Weiterentwicklung der Eigenbau-Anlagentechnik (Temperaturkontrolle, Multimaterialverarbeitung), zum topologieoptimierten Design von Prototypen und deren Analysemöglichkeiten vergeben.

Bei der Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen hochmotivierte Experten aus allen Bereichen der Materialwissenschaft zur Seite und Sie arbeiten mit modernsten Methoden in exzellent ausgestatteten Laboren.

Anwendungsnahe Prüftechnik und Maschinelles Lernen versprechen auch bei Magneten für Elektromobilität und erneuerbare Energie großes Innovationspotenzial.

Um Schlüsselkomponenten von Magnetkreisen wie Statoren oder Rotoren und darin verbaute Magnetmaterialien zu prüfen, werden die Komponenten entweder zerstört oder der gesamte Magnetkreis in Motorprüfständen getestet. Beides ist zeit- und kostenintensiv und nur in Form von Stichproben möglich. Ein Rückschluss auf die Komponente ist damit oft schwierig. Die realitätsnahe Prüfung der Komponenten hinsichtlich Effizienz, Verlustverhalten und Alterung erscheint hier zielführend.

Methoden der Künstlichen Intelligenz sind für die Entwicklung neuartiger Magnetmaterialien sehr vielversprechend. Die Materialeigenschaften werden mit Machine Learning-Algorithmen und Neuronalen Netzen aus geeigneten Datensammlungen ermittelt und die Eigenschaften von neuen, besseren Magnetmaterialien damit vorhergesagt. Auch die Kombination mit bestehenden physikalischen Modellen ist möglich, um die Vorhersagen noch präziser und zuverlässiger zu gestalten.

Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore und FEM-Simulationssoftware zur Verfügung.

Die Entwicklung effizienter elektrischer Antriebe für die Elektromobilität und Energiewende basiert wesentlich auf der Verwendung leistungsstarker Magnetmaterialien mit auf die jeweilige Produktanforderung maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil. Die in den marktüblichen Softwarelösungen zur Motorentwicklung implementierten Materialdaten und -Modelle bilden die Eigenschaften moderner Magnetmaterialien allerdings oft nicht in der erforderlichen Komplexität ab.

In verschiedenen Forschungsprojekten werden die Materialdaten moderner Motorkomponenten in geeigneter Form erhoben und in die Simulationsmodelle eingebracht. Durch eigens geschaffene Tools wird dabei der Funktionsumfang der Softwarepakete erweitert. Simulationsunterstützte Messungen führen zu neuen und genaueren Erkenntnissen.

Zur Durchführung Ihrer AMM-Forschungsmasterarbeit stehen Ihnen in einem hochmotivierten und exzellentem Forschungsteam modern ausgestattete Labore und FEM-Simulationssoftware zur Verfügung.

Hintergrund und Problemstellung:

Das selektive Laserschmelzen (kurz SLM) ist ein Verfahren der additiven Fertigung. Vollwertige, funktionsfähige Bauteile mit nahezu beliebiger Innen- und Außenkontur entstehen Schicht für Schicht durch Aufschmelzen von Metallpulver.

Die Potenziale dieser Technologie sind fast grenzenlos. Mittels des SLM-Verfahrens können innovative Integralbauteile im Bereich des Leichtbaus, der Druck- und Spritzgusstechnik sowie der Verkehrs- und Medizintechnik hergestellt werden.

Die freie Gestaltbarkeit von Flächen und Volumen stellen für die Konstruktion und Fertigung Chancen und Herausforderung gleichermaßen dar.

Einsatzgebiete finden sich im Prototypenbau und Reverse Engineering, bei Kleinstserien mit Individualitätsmerkmalen und in der Bereitstellung von Ersatzteilen bzw. Instandhaltung.

Aktuelle Fragestellungen befassen sich mit der Maßhaltigkeit und der Oberflächenbeschaffenheit der im SLM-Verfahren hergestellten Bauteile sowie mit der Charakterisierung deren mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit.

Neben den Prozessparametern beeinflusst auch das eingesetzte Metallpulver wie Aluminium- oder Titanlegierungen, Arbeits- oder Edelstähle die Bauteilqualität.

Hintergrund und Problemstellung:

Alle Smartphones, Tablets, Notebooks und Netbooks beinhalten mittlerweile mindestens eine leistungsfähige Miniaturkamera.

Bessere Objektive nützen einen Autofokus, bei dem verschieben kleine Stellantriebe („Aktuatoren“) die Linsen der Kameraoptik gegeneinander.

Extremen Miniaturisierung nutzt „smarte“ Materialien – wie beispielsweise Formgedächtnis-Legierungen aus Nickel-Titan. Das Projekt SMArtOPTIK zielt auf weitere Innovationen:

Formgedächtnis-Aktuatoren, die ihre Position ohne Energiezufuhr stabil halten und messen

Neuartige 3-D gedruckte Spritzgusswerkzeuge

Roboterbasierte Bearbeitungskette

Hintergrund und Problemstellung:

Die Entwicklung additiver Fertigungsmethoden ist in den letzten Jahren rasant vorangeschritten. Dabei fokussieren sich die meisten Arbeiten auf der Realisierung mechanischer Bauteile. Aber die additive Fertigungstechnologie bietet auch hohes Potential im Bereich der Optik, da mit ihr optische Komponenten mit neuen Designfreiheitsgraden und damit komplett neuen Lösungsansätzen möglich sind. So können z.B. mehrere optische Funktionalitäten (Linse, Reflektor, Strahlteiler, …) in einer einzigen optischen Komponente integriert werden – was mit konventionellen Herstellungsmethoden unmöglich ist. Dadurch ergeben sich neue Systemlösungen.

Eine Herausforderung stellen jedoch noch die Materialien selbst und der Fertigungsprozess der Bauteile dar, da diese nicht auf optische Eigenschaften hin optimiert sind. Auch finden sich viele unbeantwortete Fragen in der Kombination verschiedener Materialien und Fertigungstechnologien, um bewusste optische Effekte im Volumen des 3D gedruckten Bauteils zu realisieren.

Additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) haben derzeit starken Einfluss auf die Fertigungstechnik. Hohe Gestaltungsfreiheiten ermöglichen neue Bauteilgestaltung und eine ressourcen- und energieeffiziente Fertigung. Im Bereich des Prozess- und Materialverständnisses sowie in der Werkstoff- und Bauteilqualität besteht aufgrund der schnellen Entwicklung erhöhter Forschungsbedarf.

Die additiven Verfahren bergen hohes Potenzial verschiedenste Materialklassen zukünftig im 3D-Druck herstellen zu können und vollkommen neue Materialeigenschaften zu entdecken und zu entwickeln.

Sie unterstützen das Institut für Materialforschung bei verschiedensten Materialentwicklungstehmen im Bereich der additiven Fertigung. Hierzu zählen Parameterstudien zur Entwicklung neuer Materialien für laser- und lithographiebasierte 3D-Druck-Verfahren, Suspensions- und Pulverentwicklung für die additive Fertigung sowie materialwissenschaftliche und werkstoffkundliche Analysen additiv gefertigter Materialsysteme mittels modernster Prüfmethodik, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie.

Bei der Durchführung Ihrer AMM-Forschungsarbeiten stehen Ihnen hochmotivierte Experten aus allen Bereichen der Materialwissenschaft zur Seite und Sie arbeiten mit modernsten Methoden in exzellent ausgestatteten Laboren.

Komplexe zerspanende Fertigungsprozesse fordern Werkzeuge aus Hartmetall, welche im Vergleich zu Eisenlegierungen überlegene Werkstoffeigenschaften aufweisen. Die pulverbettbasierte additive Fertigung, auch Laser-Powder Bed Fusion Verfahren (kurz: L-PBF) genannt, bietet aufgrund der nahezu unbegrenzten geometrischen Freiheiten die Möglichkeit, effizientere Werkzeuge mit innenliegenden Kühlstrukturen in optimiertem Verlauf, Form und Durchmesser, herzustellen.

Im Moment weisen WC-Co-Bauteile, welche mittels des L-PBF Prozess gefertigt wurden eine hohe Porosität im Bauteilvolumen, ein inhomogenes Kornwachstum und Phasen, welche zur Versprödung des Materials führen, auf. Die Qualität der Bauteile wird neben den Prozessparametern entscheidend von der Pulversorte beeinflusst. Gefordert wird eine Pulversorte mit hoher Schüttdichte, gutem Fließverhalten und geeigneter chemischer Zusammensetzung. Derzeit sind kommerziell keine geeigneten Pulversorten erwerbbar.

Am Institut für Materialforschung der Hochschule Aalen wird im Labormaßstab die Pulversynthese von WC-Co-Granulaten mittels Sprühtrocknung zur Granulation abgebildet, mit dem Ziel, geeignetere Pulversorten für die additive Fertigung zu entwickeln. Hierbei liegt der Fokus neben der Reduktion des Anteils an innerer Porosität und der Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Granulate bei der Sicherstellung einer ausreichenden Suspensionsqualität sowie der Sicherstellung einer ausreichenden Granulatfestigkeit.

Neben einem engagierten Team stehen Ihnen sehr gut ausgestattete Labore zur Durchführung Ihrer Arbeiten zur Verfügung. Die Arbeiten sind eingebettet in laufende Forschungsprojekte, wie z.B. FHprofUnt-Forschungsprojekt „AddHard“ im Verbund mit den industriellen Partnern Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, H.C. Starck Tungsten GmbH, MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG, TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH.

Weil die additive Fertigung Vorteile in der Gestaltungs- und Materialfreiheit bietet, hält diese Technologie immer mehr Einzug in Industrieanwendungen. Daher entwickeln sich die kommerziellen Anlagen zum Laser Powder Bed Fusion-Verfahren deutlich in Richtung Wirtschaftlichkeit, mit steigender Bauraumgröße, mehreren Laserquellen, Auspack- und Handling-Stationen. Für Belange der Materialforschung im Labormaßstab sind jedoch im ersten Schritt nur kleine Mengen an Material (Pulver) erforderlich, weshalb wir bereits Anlagen im Labormaßstab entwickelt haben. Bei den Anlagen handelt es sich um eine manuell betriebene LPK (mLPK), in welcher Bauteile von ø: 20mm H: 10mm hergestellt werden können und um eine automatisierte LPK (aLPK) in welcher größere Bauteile (ø: 120mm H: 30mm), mit höherer Präzision hergestellt werden können. Neben Pulverkleinmengen können mit diesen Anlagen mehrere Materialien, innerhalb eines Prozesses, zu geschichteten Multimaterialverbunden verarbeitet werden, wodurch völlig neue Materialien entstehen. Des Weiteren sind mit Hilfe dieses Multimaterial Laser Powder Bed Fusion-Verfahrens Materialien denkbar, welche durch konventionelle Verfahren nicht hergestellt werden können.

Mit der mLPK wurden bereits erfolgreiche Vorversuche zu geschichteten Multimaterialbauteilen durchgeführt, wobei alternierende Schichten aus Fe und FeAl erzeugt wurden. Durch verschiedene Analysemethoden konnte gezeigt werden, dass mit dieser Herangehensweise solide Bauteile, bestehend aus getrennt voneinander vorliegenden, alternierenden Einzelschichten, gefertigt wurden.

Auf Basis dieser Grundlagen werden nun detaillierte Untersuchungen zu additiv gefertigten Multimaterialbauteilen durchgeführt, wobei besonderes Augenmerk auf Strukturen und chemischen Zusammensetzungen liegt, welche nur mit Hilfe der additiven Fertigung realisiert werden können. Hierbei sind Forschungsthemen im Bereich der Prozesstechnik, der Anlagentechnik, als auch der Materialanalyse für Prozess-Gefüge-Eigenschaftskorrelationen denkbar.

Neben einem engagierten Team stehen Ihnen sehr gut ausgestattete Labore zur Durchführung Ihres Research Masters zur Verfügung. Die Arbeiten sind eingebunden in laufende Forschungsprojekte am Institut für Materialforschung (IMFAA) und dem LaserApplikationsZentrum (LAZ) an der Hochschule Aalen

Durch die stetige Weiterentwicklung der pulverbettbasierenden additiven Fertigung wird die Herstellung von Komponenten für E-Mobility, Leichtbau und Spezialanwendungen von immer größerer Bedeutung. Dabei ist die Verarbeitung der verwendeten Werkstoffe mit Herausforderungen behaftet. Im Rahmen von mehreren Forschungsprojekte im LaserApplikationsZentrum (LAZ) der Hochschule Aalen werden folgenden Themengebiete untersucht:

Neuartige Strahlmodulations- und Bearbeitungsstrategien

AM mit Laserquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich

Entwicklung neuster Anlagentechnik zur Auftragung unterschiedlicher metallischer Werkstoffe

Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz

Additive manufacturing (also know as 3d printing) is becoming one of the key manufacturing techniques on Earth. Recently, researchers are trying to expand Additive Manufacturing use for space application.

In order to use 3d printing in Space (for example under microgravity conditions or on Moon/Mars), the existing Additive Manufacturing techniques need to be modified. The modifications need to be done in a way that space resources are used effectively in order to make the entire production process reliable and cost efficient.

Current issues deal with:

• Using already existing materials in space such as lunar or Martian sand for the production.
• Finding the optimum heating source for shaping/melting the sand.
• Modifying the 3d printers in a way that they work under lunar/Martian environment and low gravity conditions.

Once the 3d printers are modified for a certain application, their 3d printed products need to be tested regarding their mechanical properties and their endurance.

Die laserbasierten Fügeverfahren stellen neben dem Laserschneiden die größte industrielle Applikation für Lasertechnik dar. Hierzu zählen das Laserstrahlschweißen sowie das Laserstrahllöten.

Das Lasersstrahlschweißen zeichnet sich durch seine hohe Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitig hohen Aspektverhältnissen in Kombination mit minimaler Energieeinbringung und Verzügen aus.

Hervorgerufen durch den Wandel zur decarbonisierten Verkehrswesen hin zur E-Mobilität werden die Bereiche elektrische Antriebstechnik, elektrische Speicher, Brennstoffzelle und Leichtbau von immer größerer Bedeutung.

Für die Fügetechnik stellt dies neue Herausforderungen im Hinblick auf das Fügen von Mischverbindungen im Batteriebau oder Karosserie, dem Schweißen von hochfesten Stählen, als auch von stark reflektierenden Kupferwerkstoffen in der Elektronik und Steuerungstechnik dar.

Das LaserApplikationsZentrum (LAZ) arbeitet hierzu an breit gefächerten neuen Prozess- und Regelungsstrategien zum Fügen von anspruchsvollen Werkstoffpaarungen mittels modernster Lasertechnik.

Additive Manufacturing (AM)-Techniken, wie das pulverbettbasierte Selective Laser Melting (SLM), haben den Sprung vom reinen Produktionsverfahren von Prototypen zum industriellen Fertigungsprozess geschafft, was zu einem stetig wachsenden Markt führt. Das SLM-Verfahren bietet die Möglichkeit, hochkomplexe massive Metallteile mit geringer Porosität und guten mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Das schichtweise Herstellungsverfahren hat jedoch auch gewisse Nachteile, wie z.B. eine relativ hohe Oberflächenrauhigkeit und Pulverkontamination mit Schwankungen in Abhängigkeit von Bauteilform, -lage und -orientierung während des Herstellungsprozesses. Daher besteht ein Bedarf an Nachbearbeitungsmethoden, die eine ähnliche Designflexibilität wie der SLM-Prozess selbst bieten, welche aktuell angewandte Zerspanungsprozesse nicht bieten. Neuartige laserbasierte Nachbearbeitungsverfahren für additiv hergestellte Bauteile wie Laserreinigen und Laserpolieren bieten die Möglichkeit einer berührungslosen, volumenerhaltenden und vollautomatisierbaren Oberflächenbehandlung von Metalllegierungen mit kurzen Bearbeitungszeiten.

Das LaserApplikationsZentrum erforscht bereits mehrere Jahre an diesem Themengebiet und hat dazu mehrere Forschungsprojekte am Laufen.

Laser light opens the possibility for a contactless, tool free and wear less way of material processing. Ultra-short pulsed (USP) lasers offer a high precise material processing of nearly any material. A wide range of laser applications is possible, due to high achievable power densities of up to 10¹⁵ W/cm² and the special optical properties of laser light such as coherence, monochromatic radiation and a good focusability. For USP lasers with pulse durations in the picosecond regime (or shorter) it is even possible to ablate material without a significant heating of the work piece itself.
Already existing applications are e.g.: colour structuring of metallic surfaces, self-cleaning surfaces, antibacterial surfaces or surfaces with an increased absorption.

However, there are still lots of applications in different industry and medicine sectors that are not investigated, yet. Here, the USP laser is one of the best tools because of high flexibility and well controllable energy input to the work piece. The work of the LAZ “Micro and High Precision Applications” group focuses on the fields:

Laser processing of innovative optical materials

Laser processing for medical applications

Laser processing of innovative tools

Innovative surface Tribology

Laser processes for sustainable energy production, storage and consumption

Polymere Werkstoffe umfassen Kunststoffe und Elastomere. Diese Materialien sind einzigartig in ihren Funktions-Eigenschaften, auch energieeffizient und recyclingfähig. Dadurch stehen sie generell für neuartige, nachhaltige Lösungsprinzipien und innovative Produkte. Im Zusammenhang mit den modernen Polymerwerkstoffen bestehen aber auch noch offene Fragen.

Mehrkomponenten-Mikroteile lassen sich heute nicht herstellen.

Konzepte und Machbarkeiten für einen funktionalen Leichtbau durch Einsatz von Multimaterial-Systemen müssen noch weiter entwickelt werden.

Der Einfluss der Werkstoffmorphologie auf die tribologischen Eigenschaften von elastomeren Dichtungen ist noch zu erforschen.

Eine quantitative Bewertung von polymeren Funktionsteilen mit fertigungsbedingten Fehlstellen fehlt.

Die Qualität von sicherheitsrelevanten Formdichtungen lässt sich heute nicht schnell und zuverlässig prüfen.

Die angebotenen Forschungsarbeiten zielen auf Lösungen der offenen Fragen; sie beinhalten werkstoff- und verarbeitungs-technische Aspekte sowie Modellierung und Simulation.

Ein wichtiges gesellschaftliches Ziel ist es, die vorhandenen Ressourcen effizient einzusetzen. Dazu bieten Leichtbaulösungen großes Einsparpotential aufseiten der Rohstoffe, Energie und somit Kosten. Besonders bei bewegten Massen – Fahrzeugindustrie, Windkraftanlagenhersteller bzw. Robotik – können durch Leichtbaulösungen Betriebskosten reduziert bzw. Nutzlasten erhöht werden. Somit kann durch das Einsparen von 100 kg an Fahrzeuggewicht der Verbrauch bis zu 0,3 l/100 km gesenkt werden, wobei die gleichen Fahreigenschaften erreicht werden können.

Faserverbundwerkstoffe wie z. B: kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gelten heutzutage als „klassische“ Leichtbaumaterialien. Daneben gibt es metallische Leichtbauwerkstoffe sind z. B. Aluminium, Magnesium, Titan und hochfeste Stähle. Dies führt zu der Notwendigkeit die weiterhin größer werdende Vielfalt an Leichtbauwerkstoffen „richtig“ miteinander zu kombinieren (siehe Bild 1). Dafür werden am Institut für Materialforschung in Kooperation mit weiteren Hochschulinstitut und der Industrie neue hybride Fügeprozesse erforscht.

In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit experimentellen Untersuchungen an Leichtbaumaterialien und zu Fügeprozessen. Zur Ergebnischarakterisierung stehen modernste Analysengeräte zur Verfügung. Zu guter Letzt unterstützt Sie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützt bei der Durchführung Ihrer Arbeit.

Der schonende Umgang mit natürlichen Ressourcen ist eine zentrale gesellschaftliche Herausforderung unserer Zeit und steht im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. Die Arbeiten umfassen die Entwicklung und Bewertung von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen, die als Teil einer zirkulären Ökonomie in einem von zwei Kreisläufen fließen (siehe Abbildung 1): Im biologischen Kreislauf (grün) werden die Rohstoffressourcen der Natur zurückgeführt, im technischen Kreislauf (orange) verweilen sie endlos als Produkt, Modul oder Werkstoff. Daraus leiten sich die drei Forschungsschwerpunkte Nachhaltige Werkstoffe, Leichtbau und Recycling ab.

Dazu gehören z B. die Betrachtung von Biokunststoffen (auf Basis nachwachsender Rohstoffe und / oder biologisch abbaubar) sowie alternative umweltfreundliche Additive- und Verstärkungsmaterialien. Das Verständnis für nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik ermöglicht deren effizienten und gezielten für den Leichtbau zur weiteren Ressourcenschonung eingesetzt werden. Der dritte Forschungsschwerpunkt legt einen Fokus auf das mechanische Recycling, das Trennen von Faserverbunden und Multimaterialkombinationen in ihre monolithischen Bestandteile für eine adäquate Wiederverwertung. Stets werden die Ergebnisse auf eine Art und Weise dokumentiert, die eine nachträgliche KI-gestützte Material- und Prozessauswahl ermöglicht. Die

Die angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit experimentellen Untersuchungen, die Verarbeitung und Charakterisierung der kunststoffbasierten Werkstoffe. Viele Projekte sind interdisziplinärer Natur und ermöglichen einen Blick über den Tellerrand sowie den Kontakt zu weiteren Bereichen der Hochschule oder zu Industriepartnern und Forschungsinstitutionen. Bei der Durchführung Ihrer Arbeit sind sie Teil eines sympathischen, motivierten Teams und übernehmen spannende Aufgaben mit hohem Gestaltungsspielraum.

Am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO (https://www.hs-aalen.de/fino) beschäftigen wir uns mit Fragestellungen der chemischen und physikalischen Oberflächentechnik, die sowohl das grundlegende Verständnis als auch den anwendungsnahen Einsatz von Materialoberflächen betreffen. Funktionale Oberflächen verleihen Produkten und Werkstoffen aus den unterschiedlichsten technischen Bereichen neue Eigenschaften. Wir bündeln Kompetenzen in vakuumbasierter und organischer Beschichtung, Oberflächen- und Materialcharakterisierung sowie Einsatz von alternativen Rohstoffen für die Entwicklung maßgeschneiderter Oberflächeninnovationen. Folgende Forschungsthemen bieten wir aktuell im Rahmen des AMM-Studiums an

Materials microscopy is a widely used tool to determine the quantitative correlations between microstructure (phase fractions, grain structures, texture, microstructure defects) and the properties relevant for development and quality assurance of materials. Many problems like detection of defects or structural deviations are not feasible without automation any more. Existing threshold or object based algorithms for determining these structural features are reaching their limits because of the growing complexity within the images and the huge amounts of data. New developments in light-, electron- and 3D Xray-microscopy lead to highly improved visualization of microstructures but at the same time cause an immense growth in the amount and detail of the data which existing image processing solutions cannot handle. In other areas algorithms using pattern recognition and anomaly detection in images are developed much further. These approaches have to be transferred to materials microscopy, which means implementing robust and precise solutions ready for industry. The challenge is to detect inhomogeneity and defects in big and complex microstructures and components. Also, the measurement of object features (microstructure or particle structure, fine geometry, defects, component geometry) requires multi scale approaches. Machine learning and image processing serve the purpose to implement reliable and reproducible methods for evaluation and quantification of micrographs und enable us to capture materials parameters, to predict materials properties and to conclude manufacturing parameters from micrographs.

Abwärmenutzung

Zu einer der größten, aktuellen Herausforderungen im Bereich der Energiespeicherung zählt die Entwicklung eines wieder aufladbaren Batterietyps mit sehr hoher Kapazität und Leistung bei gleichzeitig möglichst geringem Raumbedarf. Insbesondere der Bereich der Elektromobilität erfordert Akkumulatoren mit höheren Ladungs-, Energie- und Leistungsdichten als bislang verfügbar.

Einer der im Moment vielversprechendsten Ansätze ist das System Lithium/Schwefel. Dieses zeichnet sich durch eine hohe theoretische Leistungsfähigkeit, eine breite Verfügbarkeit der zugrundeliegenden Materialien, deren Umweltfreundlichkeit und geringen Toxizität aus. Um die neuen Akkumulatoren für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen, sind weitere Anstrengungen erforderlich insbesondere im Bereich der experimentellen Kapazität und Zyklenfestigkeit.

In den angebotenen Forschungsarbeiten befassen Sie sich mit verschiedenen Methoden zur Oberflächenfunktionalisierung und anschließenden –charakterisierung. Moderne Analysengeräte sowie ein hochmotiviertes Betreuerteam unterstützen Sie bei der Durchführung Ihrer Arbeit.

Im Forschungsbereich innovative Antriebstechnik wird verstärkt auf Antriebskonzepte zur ressourcenschonenden Mobilität und insbesondere auf den wirtschaftlichen Transport von Gütern fokussiert. Hierbei spielen die Auslegung des Antriebstrangs unter Berücksichtigung der auftretenden Beanspruchungen und Lasten sowie die Abschätzung der Betriebsfestigkeit von Maschinen und deren Komponenten eine wesentliche Rolle. Die Erfassung der Lasten auf Basis unterschiedlicher Anwendung und die Übertragung in Vorgaben für die Erprobung zur Absicherung von Produkten zur Freigabe für die Serie ist Gegenstand der Forschung. Bei hydraulischen Maschinen (Turbokupplungen, Wandler, Retarder) werden die Kavitationsresistenz von Werkstoffen sowie die Geometrieoptimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Fertigbarkeit untersucht.

Aufgrund der hohen Gewichtssensitivität v.a. im Transportwesen sind tragfähige Leichtbaukonzepte unter Berücksichtigung wirtschaftlich günstiger Fertigungs- und Montageprozesse erforderlich. Vor allem der Verbindungstechnik unter Berücksichtigung einer hohen Flexibilität für die erforderliche Variantenvielfalt kommt besonderes Augenmerk zu.

Am Lastprüfstand können Antriebskonzepte bis zu einer Leistung von 300kW untersucht werden.

Die Elektromobilität befindet sich immer mehr auf dem Vormarsch. Die Entwicklung ist getrieben von den großen Hürden der Antriebstechnologie, wie Reichweite, Energieeffizienz und Leichtbau. Funktionsintegration bietet enorme Einsparpotentiale hinsichtlich Gewicht, Formgestalt, wie auch Anzahl von Einzelteilen. Bauteile können individuell, kompakt und energieeffizient für den jeweiligen Anwendungsfall konzipiert werden. In Verbindung eines modularen und skalierbaren Baukasten für den Einsatz in unterschiedlichen Fahrzeugtypen und – klassen können weitere Einsparungen bzw. Reichweitenverlängerungen erreicht werden. Die Erforschung und Entwicklung funktionsintegrierter skalierbar und modular aufgebauter Komponenten für die E-Mobilität unter der Berücksichtigung geeigneter Materialen bietet die Möglichkeit zur Realisierung der Mobilität von Morgen. 

Der Zweirad-Industrie-Verband (ZIV) meldete, dass der E-Bike-Markt im vergangenen Jahr um 12% auf eine Jahresproduktion von 1,1 Mio. Stück wuchs, was zur Folge hat, dass Pedelec und E-Bike-Hersteller einen immer weiter wachsenden Markt vorfinden. Hierbei entstehen zurzeit eine Vielzahl innovativer Konzepte zur Nutzung dieser Technologie für immer neue Anwendungsbereiche.

Pedelecs bilden durch kostengünstige und umweltfreundliche Einsatzmöglichkeiten einen wichtigen Bestandteil für zukünftige Mobilitätskonzepte. Hierbei steht insbesondere die Verbesserung der Intermodalität zwischen verschiedenen Mobilitätsformen im Vordergrund. Durch die signifikante Platzeinsparung und Emissionsvermeidung bilden diese eine ernstzunehmende Alternative zum konventionellen LKW- und PKW-Verkehr indem innerstädtische Bereiche vom Verkehr entlastet werden. Von daher werden hybride Konzepte unter Verwendung von Pedelec-Antrieben zukünftig eine große Rolle bei der Versorgung innerstädtischer Bereiche mit Waren und Dienstleistungen bilden.

Innovative Prüftechnik für Pumpen und Getriebe (Prof. Dr. Steffen Schwarzer)

In der Prüftechnik von Getrieben und Pumpen, für elektrifizierte Automobile und den industriellen Einsatz, werden Kennlinien in Abhängigkeit von Drücken, Temperaturen, Lasten, Drehzahlen und der während dem Betrieb unvermeidlich entstehenden Ölverschäumung ausgearbeitet.

Die Verschäumung des Öls wird bislang ausschließlich über einen prozentualen Luftanteil angegeben und gemessen. In dem Forschungsgebiet von Prof. Dr.-Ing. Steffen Schwarzer wird die entstehende Ölverschäumung auf einen neuen Stand der Wissenschaft gebracht. Es wird die entstehende Verschäumung hinsichtlich der Luftblasengröße und Größenverteilung vermessen. Diese beiden Größen haben einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz, die Lebensdauer und die Akustik der Getriebe und Pumpen. In dem Forschungsgebiet werden an Prüfständen neue Prüfmethoden und konstruktive Richtlinien erarbeitet, die die Prüftechnik der Zukunft wesentlich verbessern.

Ziel des EU-Projekts Symplexity ist die Mensch - Roboter - Kollaboration. Für den bisher manuell durchgeführten Poliervorgang soll eine kombinierte Mensch-Roboter-Lösung entwickelt werden. Parallel dazu sollen Modelle für Bearbeitungsvorgänge erstellt und die Vorgänge simuliert werden.

Aufgaben:

· Mensch-Roboter Kollaboration

· Aufbau einer robotergestützten Polierzelle mit Selbstkonfiguration, In-Prozess-Messtechnik, Cloud-Anbindung

· Roboterbasierter 3D-Druck in Kunststoff

· Modellbasierte Vorhersage von Strukturen auf Oberflächen nach der zerspanenden Bearbeitung