Forschungsaktivitäten

Im Zuge der Mobilitätswende steigen die Ansprüche an die Beanspruchbarkeit der Bauteile in der Antriebstechnik. Gleichzeitig verändern sich mit der Umstellung vom Verbrennungsmotor auf den Elektromotor die benötigten Komponenten. Die additive Fertigung von Bauteilen aus Stahl bietet hohe Freiheitsgrade hinsichtlich der Geometrie neuartiger Maschinenelemente. Zudem führen die charakteristischen Temperaturprofile, die der Stahl während des Fertigungsprozesses durchläuft, zu einzigartigen Werkstoffzuständen mit herausragenden Eigenschaften.

Im Vorhaben IMPAKT 3D sollen unter der Leitung von Prof. Dr. Stefanie Hoja grundlegende Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Struktur additiv gefertigter Vergütungsstähle untersucht werden. Die Verarbeitung solcher Stähle erfordert wegen ihrer schlechten Schweißbarkeit besondere Fertigungsstrategien. Ursache für die schlechte Schweißbarkeit ist der hohe Kohlenstoffgehalt, der jedoch gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet, die Temperaturprofile während der Bauteilfertigung zu nutzen, um durch in-Prozess Wärmebehandlung hochfeste Zustände einzustellen und so ggfs. nachfolgende Wärmebehandlungen einzusparen.

Blutspenden stellen eine kritische Ressource in unserem Gesundheitssystem dar, auf die keinesfalls verzichtet werden kann. Um so wichtiger ist es, dafür zu sorgen, dass das gespendete Blut während Transport und Lagerung keinerlei Qualitätseinbußen erleidet. Um eine Überwachung und Qualitätssicherung bemüht sich das Projekt „Blutsens“. Mit Hilfe eines lackbasierten Sensorelements soll eine Qualitätskontrolle vor der Verwendung stattfinden können, die gewährleistet, dass sich die Blutkonserve in bestmöglichem Zustand befindet. Innovativer Kern des Projekts ist die Entwicklung eines UV- und wärmeempfindlichen Lacks, dessen elektrische Leitfähigkeit sich durch Temperatur und Sonneneinstrahlung ändert. Eingebettet in eine entsprechende Ausleseelektronik gelingt es am Ende, aus dem Zustand des Lacks die notwendigen Lager- und Transportanforderungen rückwirkend zu bestätigen.

Die Realisierung des Sensors stellt eine große Herausforderung dar, die umfangreiche Expertise und Zusammenarbeit erfordert. Aus diesem Grund hat sich ein kompetentes Projektkonsortium formiert, bestehend aus KMUs sowie zwei Hochschulen. Die Hochschule Deggendorf, vertreten durch die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Robert Boesnecker, und FINO bringen ihre akademische Expertise ein. Auf der industriellen Seite vereinen die Tagitron GmbH und die Semasystems GmbH ihre Fähigkeiten, um gemeinsam zum Erfolg des Projekts beizutragen.

Bei der Realisierung des Projekts bringen alle Beteiligten ihre spezifischen Kompetenzen ein. Die Hochschule Deggendorf ist verantwortlich für die Entwicklung der Ausleseelektronik. FINO fokussiert sich auf die Herstellung des erforderlichen Lacks. Die Tagitron GmbH übernimmt die Entwicklung und Produktion der BLUTSENS RFID-Tags. Darüber hinaus ist Semasystems für die Firmware der RFID-Controller zuständig, einschließlich deren Anbindung an den Gesamtdatenspeicher (wie etwa Cloud-Lösungen) sowie die KI-gestützte Auswertung.

Alle Beteiligten beabsichtigen nach 2,5 Jahren Projektlaufzeit eine zuverlässige, kostengünstige Lösung zur marktreife zu bringen, die den benötigten hohen Qualitätsstandard von Blutkonserven garantieren kann.

Otoplastiken beziehungsweise Ohrpassstücke sind Kunststoffformkörper, welche das individuelle Einpassen einer Hörhilfe ins menschliche Ohr ermöglichen. Komplizierte Ohrgeometrien und die Anwesenheit von Körperflüssigkeiten erschweren die Anpassung. Das Ziel des im Rahmen der Ausschreibung „KMU-innovativ“ geförderten Projekts „Skinjob“ ist die Entwicklung und Herstellung neuartiger Ohrpassstücke/Otoplastiken mit erhöhtem Tragekomfort und besserem Sitz. Dies wird ermöglicht durch den Einsatz der Xolographie, einer innovativen additiven Fertigungsmethode, welche durch den Einsatz von multipler Laserstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen das volumetrische Aushärten eines Flüssigharzes ermöglicht, in Kombination mit einer funktionalen Mikrostrukturierung der Oberfläche des Ohrpassstücks.

Im Projektkonsortium befinden sich neben dem Kompetenzzentrum Audiologie (Prof. Dr. Steffen Kreikemeier) und dem FINO der Hochschule Aalen zudem die pro3dure GmbH aus Iserlohn, ein Hersteller von Basiskunststoffen für die additive Fertigung, die xolo GmbH aus Berlin, Entwickler und führender,alleiniger Anbieter der Xolographie, und der Laborservice Eck aus Paderborn, spezialisiert auf die individuelle Anpassung von Otoplastiken ans menschliche Ohr. Generierung geeigneter Oberflächenstrukturen, Auswahl geeigneter Materialien und Umsetzung mittels Xolographie sind die Kernaufgaben, was die Herstellung neuartiger Otoplastiken betrifft. Unmittelbar schließen sich die Charakterisierung der Trageeigenschaften und die Optimierung der akustischen Qualität an. Am Ende stehen Otoplastiken mit erhöhtem Tragekomfort und optimalen akustischen Eigenschaften. Die gewonnen Ergebnisse am Ende des Förderzeitraums von 2025 bis 2027 lassen hoffen, die Erkenntnisse auf andere Arten von „Wearables“ zu übertragen.

Im Rahmen des Projekts „Benzinsensor“, welches im Rahmen der Initiative „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ gefördert wird, soll ein textiler Überwachungssensor für austretende Kohlenwasserstoffe wie Benzin oder Öl entwickelt werden. Grundlage der Sensorik ist ein in ein Gewebe eingebrachtes organisches Leitsalz, welches durch Kontakt mit einem unpolaren Lösungsmittel, wie Benzin oder Öl, eine elektrisch leitfähige Lösung formt. Dies ermöglicht ein elektrisches Auslesen der Leitfähigkeit des Textilsensors und somit die Detektion von austretenden Kohlenwasserstoffen. Die Umsetzung der Idee erfordert detaillierte Kompetenz bei den eingesetzten Garnen und deren Verwirkung bzw. Verwebung.

Hierfür finden sich im Projektkonsortium die industriellen Partner J. K. Effektzwirnerei GmbH, Oelsnitz, und AMOHR technische Textilien, Wuppertal, die genau die benötigte Expertise miteinbringen. Auf akademischer Seite wird die Zusammenarbeit durch die Gruppe von Prof. Dr. R. Boesnecker an der Technischen Hochschule Deggendorf und FINO ergänzt. Einen zentralen Punkt, den es zu lösen gilt, stellt die Selektivität des aufzubauenden Textilsensors in Bezug auf Benzin oder Öl dar, da Kontakt zu Feuchtigkeit bzw. Wasser keinesfalls zu einem Ansprechen des Sensors führen darf. Dieses Problem gilt es, im Förderzeitraum von 2025 bis 2027 zu lösen.

Gemeinsam mit Partnern aus Sport, Politik und Wirtschaft verfolgt die Hochschule Aalen gemeinsam mit den Hochschulen Furtwangen und Pforzheim ein neues Forschungsprojekt, das die Reintegration hochwitterungsbeanspruchter Altkunststoffe in die Kreislaufwirtschaft, kurz „RewitAl“, zum Ziel hat. Für die in Deutschland weit verbreiteten Kunstrasenflächen sollen umweltschonende Verfahren entwickelt werden, die ein vollständiges Recycling der verschiedenen Kunststoffe unter möglichst geringem Mikroplastik-Austrag gewährleisten. Daneben werden ganzheitliche Strategien für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft unter ökologischen und ökonomischen Aspekten bewertet.

Der Fokus des neuen Projekts liegt auf den bislang eher vernachlässigten, aber mengenmäßig bedeutsamen Kunststoffen, wie sie in städtischen Sportanlagen genutzt werden. So findet sich Kunstrasen anstelle von Naturrasen auf verschiedensten Sportstätten wieder, wie z.B. auf Fußball- und Rugbyfeldern oder auch Hockey- und Tennisplätzen. Aufgrund seiner Robustheit kann dieser intensiv bespielt werden und ist leicht zu pflegen. Spätestens nach 12 bis 15 Jahren sind Kunstrasenfelder jedoch größtenteils verschlissen. Dazu tragen neben dem Spielbetrieb vor allem Witterungseinflüsse wie Sonneneinstrahlung, Niederschläge und Temperaturwechsel bei. Die verwendeten Materialien verändern dabei ihre Eigenschaften, was sich negativ auf die Bespielbarkeit auswirkt. Hinzu kommt, dass sich mit zunehmendem Alter des Kunstrasens vermehrt Mikroplastik bildet.

Diesen Verschleiß gilt es zu analysieren, zumal sich die Alterung des Kunststoffs auf die Recycling-Fähigkeit auswirkt. Es werden deshalb für das Recycling verschiedene Methoden untersucht und industriell realisierbare Verfahren erarbeitet. Dazu werden nicht nur die sichtbaren Rasenfasern betrachtet, sondern auch das dazwischenliegende Kunststoff-Granulat und die darunterliegenden elastischen Schichten, die für ein Naturrasen-ähnliches Spielgefühl sorgen. Perspektivisch sollen biobasierte oder recycelte Alternativen anstelle der bisher verwendeten Materialien gefunden werden. Die Arbeitsgruppe am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO) um Prof. Dr. Katharina Weber beschäftigt sich dabei im Projekt um das chemische Recycling, hier v.a. um die Pyrolyse elastomerer Bestandteile. Zudem analysiert das Team auch die chemischen Eigenschaften der Rezyklate, Pyrolyseöle und Alternativkunststoffe.

Um die Transformation in der Mobilität und der Energieversorgung umsetzen zu können, bedarf es neuartiger Technologien. Bislang kommen als Speichermedien Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zum Einsatz. Unter Berücksichtigung der eingeschränkten Ressourcenverfügbarkeit zur Herstellung von LIB und der damit verbundenen Anhängigkeiten auf dem globalen Markt wird aktuell intensiv an anderen Möglichkeiten zur Energiespeicherung geforscht. Natrium-Ionen-Batterien (NIB) erweisen sich aufgrund der hohen Verfügbarkeit von Natrium als vielversprechende und kostengünstige Alternative. Zur Herstellung von NIB werden sogenannte harte Kohlenstoffe benötigt. Sie können beispielsweise aus Naturstoffen bzw. Bioabfällen durch Pyrolyse – die thermische Spaltung chemischer Verbindungen - gewonnen werden und gelten somit als umweltfreundliche und nachhaltige Ressource. Problematisch ist dabei die schwankende Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, die zu erheblichen Einschränkungen in der späteren Performance führen können.

Dieser Herausforderung nimmt sich das Forschungsvorhaben HANa an, indem aus Holz- und Rindenabfällen durch einen schonenden Aufschluss die Holzbestandteile Lignin und Hemicellulose mit definierten Eigenschaften gewonnen und nachfolgend zu harten Kohlenstoffen mit gleichbleibend hoher Qualität pyrolysiert werden. Im Projekt HANa soll neben der Entwicklung geeigneter Anodenmaterialien die gesamte Prozesskette zur Herstellung von NIB abgebildet werden: vom Aufschluss der Naturstoffe, über die Pyrolyse, Elektrodenentwicklung und Aufbau sowie Funktionstest der fertigen Batteriezellen. Die Breite dieses Themenfelds erfordert dabei ein interdisziplinäres Team, bestehend aus dem Projektleiter Prof. Dr. Volker Knoblauch (IMFAA), Prof. Dr. Katharina Weber (FINO) und Prof. Dr. Willi Kantlehner und bildet dadurch ein Expertenteam aus den Bereichen Organische Chemie, Materialwissenschaft und Batterieforschung. Ziel ist ebenfalls ein Wissens- und Technologietransfer mit innovativen Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette, um frühzeitig Markterfordernisse zu identifizieren und dadurch eine effiziente Marktverwertung zu erreichen.

Aktuell sind keine nachhaltigen, biologisch abbaubaren und toxikologisch unbedenklichen Schmierstoffe – insbesondere in Kombination mit einer zusätzlichen primären Kühlfunktion – kommerziell verfügbar. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens „ElAnOil“ ist die Entwicklung, Erprobung und Bewertung nachhaltiger und technologisch hochwertiger Schmierstoffe für elektromechanische Antriebe. Um dieses Ziel zu erreichen wird sich die Arbeitsgruppe von Projektleiterin Prof. Dr. Katharina Weber am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO) mit ihrer chemischen Kompetenz in das Projekt einbringen. Die Betrachtung des tribologischen Kontakts übernimmt die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Joachim Albrecht, die ebenfalls am FINO angesiedelt ist. Prof. Dr. Markus Kley und sein Team vom Institut für Antriebstechnik Aalen (IAA) betrachten schließlich den maschinenbaulichen Aspekt des Projekts. Zudem werden in den Arbeitsgruppen Datenanalyseverfahren auf Basis maschinellen Lernens (ML) sowie virtuelle Modelle, sogenannte digitale Zwillinge, angewendet.

Das Drittmittelprojekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, ist im Förderprogramm „Forschung an Fachhochschulen" mit Förderkennzeichen 13FH566KX1 verankert und hat eine Laufzeit von vier Jahren. An dem Projekt beteiligen sich vier Unternehmen, indem sie sowohl technologische Kompetenz, als auch technische und finanzielle Ressourcen einbringen. Clariant Produkte Deutschland GmbH ist einer der Weltmarktführer bei der Entwicklung und Herstellung von Spezialchemikalien, inklusive biologisch abbaubarer Basisöle. Zeller + Gmelin GmbH & Co. KG ist ein Schmierstoffhersteller mit hoher Entwicklungsexpertise. Ein wichtiger Fokus liegt im Bereich Bioschmierstoffe. J. M. Voith SE & Co. KG ist unter anderem renommierter Hersteller innovativer, elektromechanischer Antriebstechnik. Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH produziert technisch hochwertige Getriebe für Produktionsanlagen sowie mobile Anwendungen.

Die Herstellung von umweltfreundlichen Schmierstoffen für elektromechanische Antriebssysteme ist von entscheidender Bedeutung, um den steigenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Umweltschutz in der Industrie gerecht zu werden.

Auf Initiative von Dr. Jochen Schanz vom LaserApplikationsZentrum (LAZ) hat sich ein Konsortium aus den Bereichen Oberflächentechnik, Werkstofftechnik und Lasermaterialbearbeitung gebildet, welches sich mit der Entwicklung eines intelligenten Sensorkonzepts zur Überwachung von Klebeverbindungen beschäftigt. Unter der Verantwortung der Professoren Dr. Joachim Albrecht, Dr. Harald Riegel und Dr. Volker Knoblauch werden im Projektvorhaben „SmartConn“ intelligente Klebeverbindungen entwickelt, welche ein bevorstehendes Versagen und somit eine verpflichtende Wartung im Vorfeld anzeigen können. Nun hat Invest BW Innovativ eine Förderung für das SmartConn-Projekt bewilligt.

Das adhäsive Fügen unter Verwendung verschiedener Klebstoffe spielt für viele technische Anwendungen insbesondere im Leichtbau eine große Rolle, da eine erhebliche Gewichtseinsparung im Vergleich zu konventionellen Fügetechniken möglich ist. Dadurch ist die adhäsive Fügetechnologie für eine Vielzahl an technischen Anwendungen äußert interessant. Ein bedeutender Nachteil der adhäsiven Fügetechnologie ist jedoch die fehlende Möglichkeit zur Überprüfung des intakten Zustands der Klebeverbindung.

Im Ansatz von „SmartConn“ werden komplex geformte metallische Dünnschichtstrukturen im Inneren der Fügeverbindung eingebracht. Derartige Strukturen können durch eine Kombination von Vakuumbeschichtung und Laserstrukturierung realisiert werden. Beginnt eine Fügeverbindung zu ermüden und erste Schäden aufzuweisen, führt dies zu einer Verletzung der metallischen Schicht. Diese kann in einer einfachen Art und Weise über eine elektrische Kontaktierung ausgelesen werden. Damit erhält man ein Signal aus dem Inneren der Fügeverbindung, das dann den Zeitpunkt einer notwendigen Wartung angibt.

Dieser Ansatz ermöglicht eine intelligente Kontrolle von Fügeverbindungen, wodurch anstehende Wartungsintervalle verlängert und die Wahrscheinlichkeit für den Versagensfall minimiert werden. Ein „smarte“ Fügeverbindung für eine „smarte“ Zukunft.

Das Projekt AViS beschäftigt sich mit der Entwicklung von verschleißgeschützten Oberflächen durh Einsatz additiver Fertigungsprozesse. Insbesondere soll es gelingen, hochwiderstandsfähige Materialien wie Kobalt gebundenes Wolframcarbid (Hartmetall) durch einen 3d-Drock Prozess unter Einsatz selektiven Laserschmelzens in eine maßgeschneiderte Bauteiloberfläche zu verwandeln, die höchste Verschleißfestigkeit aufweist. Innerhalb der Hochschule findet die Bearbeitung im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. M. Merkel vom Zentrum für virtuelle Produktentwicklung statt. Der Förderzeitraum erstreckt sich über die Jahre 2019-2021.

Mit der Gründung des FINO im Jahr 2014 wurde begonnen, die Forschungsschwerpunkte Dünnschichttechnik und Galvanotechnik gewinnbringend miteinander zu kombinieren. Der gemeinsame Projektantrag von Prof. Sörgel und Prof. Albrecht mit dem Titel „Amphiforce - Superamphiphobe Oberflächen durch Elektrophorese" ist das erste geförderte Projekt, bei welchem das FINO die Gelegenheit bekommt, diese Aktivitäten zu intensivieren.

142 Anträge sind im Rahmen der Ausschreibung MINT-Innovationen 2017 bei der Vector Stiftung eingeganen. Dass das FINO mit dem Projekt „Amphiforce“ zum Kreis der nur 12 zur Förderung ausgewählten Projekte zählt, freut alle Beteiligten umso mehr.

Ziel des Projekts ist die Herstellung einer neuen, superamphiphoben Oberfläche. Von superamphiphoben Oberflächen spricht man, wenn es gelingt, die Benetzung der Oberfläche durch wässrige und ölartige Flüssigkeiten nahezu vollständig zu verhindern. Damit lässt sich eine maximale Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzungen erzielen, was für eine Vielzahl von Anwendungen höchst interessant ist. Bekannt ist das Phänomen des Lotus-Effekts. In diesem Projekt sollen die innovativen Oberflächen jedoch zusätzlich ölabweisend sein – eine deutlich komplexere Fragestellung.

Um derartige Eigenschaften zu gewährleisten, ist es notwendig, die Oberfläche mit spezifischen Strukturen im Mikro- und Submikrometermaßstab, welche mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind, auszustatten. Durch Kombination von mikrogeprägten Substraten – Themenschwerpunkt der Dünnschichttechnik – mit einem von Selbstorganisation getriebenen elektrophoretischen Beschichtungsprozess – Aufgabenstellung der Arbeitsgruppe Galvanotechnik – sollen die hochinnovativen Oberflächen mit einzigartiger Strukturierung entstehen.

Für das Meilensteingespräch im Dezember 2018 ernteten die beiden Professoren seitens der Fördermittelgeber viel Lob für die bisherigen Projekterfolge - man darf gespannt sein, wie es in der zweiten Projekthälfte weitergeht.