JAHRESBERICHT

2013 /2014

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F R C H E M I S C H E T E C H N O L O G I E I C T

TITELBILD

Carbonfaser-Rovings zur Fertigung von

Faserverbundkunststoffen (Detailaufnahme).

JAHRESBERICHT

2013 / 2014

INHALTWir sind eine Familie! .....................................................................................................6

Die Fraunhofer-Gesellschaft .............................................................................................8

Das Fraunhofer ICT ..........................................................................................................9

PRODUKTBEREICHE UND PROJEKTGRUPPEN

Energetische Materialien ................................................................................................12

Energetische Systeme ....................................................................................................16

Angewandte Elektrochemie ...........................................................................................20

Umwelt Engineering ......................................................................................................24

Polymer Engineering ......................................................................................................28

Institutsteil Fraunhofer ICT-IMM .....................................................................................32

Fraunhofer-Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS .....................................................34

Fraunhofer-Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL ..........................................36

AUSGEWHLTE PROJEKTE

Nutzungsdauer von Explosivstoffen ................................................................................40

Schnell aufblasbares und mobiles Schutzsystem gegen ballistische Bedrohungen ..............42

Brennstoffzelle als Range Extender fr ein Elektrofahrzeug ..............................................44

Analytische Methoden zur Bewertung von Produktemissionen und Gerchen ..................46

Lebensmittelverpackungen aus PLA ................................................................................48

ANHANG

Ausbildung und Nachwuchsfrderung ............................................................................52

Wirtschaftliche Entwicklung ...........................................................................................54

Organigramm & Kontakt ................................................................................................56

Kuratorium ....................................................................................................................58

Verbnde, Allianzen und Innovationscluster ....................................................................59

Besondere Laborausstattung und Grogerte .................................................................61

Lehr- und Gremienttigkeiten .........................................................................................64

Veranstaltungen, Messen und Fachausstellungen ............................................................72

Verffentlichungen ........................................................................................................74

Patente .........................................................................................................................81

Impressum.....................................................................................................................83

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WIR SIND EINE FAMILIE!

Die ICT-Familie wird immer grer! Auch dieses Jahr ist ein neues Mitglied hinzugekommen:

Das Institut fr Mikrotechnik Mainz GmbH wird in die Fraunhofer-Gesellschaft integriert.

Innerhalb von 5 Jahren, also bis 2018, soll es sich zu einem eigenstndigen Fraunhofer-Institut

entwickeln. Das Forschungsportfolio des neuen Teil-Institutes Fraunhofer ICT-IMM ist beein-

druckend und passt auch aufgrund der groen Anzahl seiner Kunden, die in verschiedenen

Branchen zu Hause sind, sehr gut in die Fraunhofer-Gesellschaft. Am Fraunhofer ICT-IMM

forschen und entwickeln derzeit ca. 180 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in den Gebieten

dezentrale und mobile Energietechnik, kontinuierliche chemische Verfahrenstechnik, mikroflui-

dische Analysesysteme, medizinische Sonden und technische Sensorik. Der Kompetenzbereich

Mikrostrukturtechnik fr Nanopartikel wird unter dem Namen Micro4Nano neu in Mainz

aufgebaut. Das ehemalige IMM ist bereits seit 1990 etabliert und hat einen sehr guten und

aufgrund der Forschungsbreite auch krisensicheren Kundenstamm. Somit haben wir dieses

Mal kein neues Kind bekommen wie in den vergangenen Jahren, sondern sind der aktive

Begleiter des etablierten Institutes whrend seiner bergangszeit zum Fraunhofer-Institut. Die

Forschungsthemen sind weitestgehend komplementr zu unseren am Fraunhofer ICT, es wer-

den dadurch viele neue Kooperationsmglichkeiten entstehen. Prof. Michael Maskos und seine

Mannschaft sind eine willkommene Ergnzung und wir freuen uns, die neuen Kolleginnen

und Kollegen in unsere Familie aufzunehmen!

Auch bei unserer Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL in Augsburg luft es rund:

Das DLR und das Fraunhofer ICT haben am 14. Mai 2013 gemeinsam die Bro- und Techni-

kumsgebude im Augsburger Innovationspark erffnet. Dort forschen wir auf dem Gebiet

Leichtbau als eine der wichtigsten Zukunftstechnologien fr Flugzeug-, Fahrzeug- und Maschi-

nenbau. DLR- und Fraunhofer-Wissenschaftler arbeiten in einigen Projekten auch gemeinsam

an automatisierten Fertigungsverfahren fr kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe CFK, um die-

se fr Groserienanwendungen technisch und wirtschaftlich tauglich zu machen. Wir verfgen

in Augsburg ber die modernsten Anlagen im Bereich der automatisierten Fertigung von CFK

und sind mit zahlreichen dort ansssigen Industriepartnern gut vernetzt. Enge Verbindungen

bestehen auch zum Lehrstuhl fr Carbon Composites an der TU Mnchen und zum Institut fr

Flugzeugbau der Universitt Stuttgart. Die Projektgruppe FIL ist auerdem ein wichtiger Partner

im Spitzencluster MAI Carbon. Alle diese sehr positiven Umstnde haben dazu gefhrt, dass die

Evaluation der Frderphase I der Projektgruppe im Jahr 2013 erfolgreich war. Die unabhngige

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Kommission hat der Fraunhofer-Gesellschaft empfohlen, die Projektgruppe FIL zum 1. Januar

2015 in die gemeinsame Frderung durch Bund und Lnder zu berfhren und sie zu einem

eigenstndigen Institut weiter zu entwickeln.

Bei der Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS in Karlsruhe war die Evaluation im Frhjahr

2014 ebenfalls erfolgreich. Auch hier gelingt der Aufbau der Themen und des Mitarbeiter-

stamms nach den geplanten Vorgaben. Somit sind wir hier ebenfalls sehr zuversichtlich, die

Hrde der Frderphase 1 zu nehmen. Bei der Projektgruppe NAS beschftigen wir uns mit

hybriden Antrieben, Leichtbau im Antriebsstrang, Restwrmenutzung, Thermomanagement,

Energiewandlern, Verbrennungsmotoren, Testmethodiken fr den Antriebsstrang und Block-

heizkraftwerken.

In Kanada sind wir genauso erfolgreich angekommen. Unser Fraunhofer Project Center for

Composites Research FPC im kanadischen London hat den Auenwirtschaftspreis Global2013

der IHK Karlsruhe gewonnen. Besonders anerkannt wurde unsere modellhafte Kooperation im

Bereich innovative Faserverbund-Fertigungstechnologie Made in Germany mit der kanadi-

schen University of Western Ontario als herausragende Leistung in der Auenwirtschaft.

Bei der ICT-Mutter liegt aber natrlich nach wie vor unser Forschungs- und Entwicklungs-

schwerpunkt. Was die ber 550 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Pfinztal und die bereits

erwhnten in Mainz, Augsburg, Karlsruhe, Ontario sowie die noch nicht erwhnten in Gar-

ching, Leuna und Wolfsburg im vergangenen Jahr geleistet haben, knnen Sie auszugsweise

dem vorliegenden Jahresbericht entnehmen. Einen tieferen Einblick erhalten Sie natrlich gerne

vor Ort. Ich lade Sie herzlich ein, kommen Sie vorbei!

Viel Spa beim Lesen und beim Planen Ihres Besuchs am Fraunhofer ICT!

Ihr

Peter Elsner

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Forschen fr die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer-

Gesellschaft. Die 1949 gegrndete Forschungsorganisation

betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der

Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner

und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter-

nehmen sowie die ffentliche Hand.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit

67 Institute und Forschungseinrichtungen. Rund 23 000 Mit-

arbeiterinnen und Mitarbeiter, berwiegend mit natur- oder

ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das

jhrliche Forschungsvolumen von 2 Milliarden Euro. Davon

fallen rund 1,7 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich

Vertragsforschung. ber 70 Prozent dieses Leistungsbereichs

erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Auftrgen aus

der Industrie und mit ffentlich finanzierten Forschungspro-

jekten. Knapp 30 Prozent werden von Bund und Lndern als

Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problem-

lsungen entwickeln knnen, die erst in fnf oder zehn Jahren

fr Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden.

Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungs-

partnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen fr

einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwrtigen und

zuknftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsrumen.

Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung

und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlssel-

technologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale

Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die

Wirkung der angewandten Forschung geht ber den direkten

Nutzen fr die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und

Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbe-

werbsfhigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie

frdern Innovationen, strken die technologische Leistungs-

fhigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und

sorgen fr Aus- und Weiterbildung des dringend bentigten

wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-

Gesellschaft die Mglichkeit zur fachlichen und persnlichen

Entwicklung fr anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten,

an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden

erffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und Er-

fahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende Einstiegs- und

Entwicklungschancen in Unternehmen.

Namensgeber der als gemeinntzig anerkannten Fraunhofer-

Gesellschaft ist der Mnchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer

(17871826). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer

gleichermaen erfolgreich.

DIE FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT

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Das Fraunhofer-Institut fr Che mi sche Technologie ICT forscht

und entwickelt in den Bereichen Ener getische Materialien,

Energetische Systeme, Angewandte Elektro chemie, Umwelt

Engineering und Polymer Engineering. Unsere Expertise reicht

von der Konzeption und Auslegung von Prozessen, ber

Materialentwicklung, -charakterisierung und -verarbeitung,

bis hin zu Konzeption, Aufbau und Betrieb von Pilotanlagen.

Vertragsforschung

In der Vertragsforschung bearbeitet das Institut vorwiegend

kunststoff be zogene Aufgaben wie Werkstoffentwicklung

und -auswahl, Produktentwicklung und Bauteilauslegung

sowie die Ver arbeitungstechnik, insbesondere im Hinblick

auf die Weiterentwicklung von Direktverfahren. Kreislauf-

wirtschaft und Nachhaltigkeit bestimmen die Unterneh mens-

strate gien der kommenden Generation. Das Fraunhofer ICT

gehrt dabei, ins besondere in der Umwelttechnik, zu den

profiliertesten Forschungseinrichtungen. Die Entwicklung der

Umweltsimulation wurde mageblich vom Fraun hofer ICT

mitgestaltet. Hier werden die Wirkungen von Umweltein-

flssen auf Werkstoffe und technische Erzeug nisse un tersucht.

Das Institut ist seit mehr als 40 Jahren Sitz der renommierten

Gesellschaft fr Umweltsimulation GUS.

Verteidigungsforschung

Das Fraunhofer ICT ist das einzige Explosivstoff-Forschungsin-

stitut in Deutschland, das den gesamten Ent wicklungsbereich

vom Labor ber das Technikum bis zum System bearbeitet.

Es verfgt ber langjhrige Kernkompetenz bei chemischen

Energietrgern wie beispielsweise Raketenfesttreibstoffen,

Rohrwaffentreibmitteln oder Sprengstoffen und ist seit ber

50 Jah ren Forschungspartner des Bun desverteidigungs-

ministeriums. Be deutsame zi vile Anwendungen der energeti-

schen Produkte sind die Gasgenerator- und Airbag-Technologie

sowie Feststoffraketenantriebe fr die Raumfahrt.

Synergie

Die aktuelle wirtschaftliche Situation verdeutlicht, dass die

thematische Breite unserer Themen sowie der einzigartige

Dualismus in verteidigungsbezogener und ziviler Forschung

uns die Mglichkeit bietet, unabhngig vom wirtschaftlichen

Umfeld erfolgreich zu sein. Das Fraunhofer ICT beschftigt am

Standort Pfinztal rund 550 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Insgesamt stehen 25.000 m2 gut ausgestattete Labors, Techni-

ka und Bros fr die Bearbeitung der Forschungsauftrge zur

Verfgung.

DAS FRAUNHOFER-INSTITUT FR CHEMISCHE TECHNOLOGIE ICT

PRODUKTBEREICHE UND PROJEKTGRUPPEN

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E N E R G E T I S C H E M A T E R I A L I E N

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

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ENERGETISCHE MATERIALIEN

Dissolver/Perlmhlen-Kombination

zur Nasszerkleinerung energetischer

Materialien.

Chemische und verfahrenstechnische Prozessentwicklung ist d ie Kernkompetenz der Mitarbeiter innen und

Mitarbeiter des Produktbereichs Energet ische Mater ia l ien. Wir b ieten Forschung und Entwicklung fr die

chemisch or ient ierte Industr ie. Unsere langjhr ige Erfahrung bei der Entwicklung von Treib- und Explos iv-

stoffen sowie pyrotechnischen Komponenten bi ldet die Grundlage fr die s ichere Synthese und Verarbei-

tung energiere icher Substanzen von der Herste l lung der Rohprodukte bis zur Produkt ion von Kle inser ien

und Demonstratoren. Im Rahmen der S icherheitsforschung erarbeiten wir Testrout inen fr die Explos iv-

stoffdetekt ion und entwickeln Brandschutz fr gefhrdete Komponenten.

Unser Interesse an chemischen und verfahrenstechnischen

Fragestellungen von der Synthese ber die Reaktionsfhrung

bis zur Prozessentwicklung, Simulation und Erprobung bildet

die Basis unseres Forschungs- und Entwicklungsangebots

an Kunden aus den Geschftsfeldern Chemie, Energie und

Umwelt sowie Verteidigung, Sicherheit, Luft- und Raumfahrt.

In den Bereichen Chemie und Verfahrenstechnik untersttzen

unsere engagierten Projektteams mit modernster Ausstattung

und einer leistungsstarken Forschungsinfrastruktur sowohl

kleine und mittelstndische Unternehmen als auch die Gro-

industrie. In der chemischen Verfahrenstechnik werden die

Synthese, Aufarbeitung und Veredelung von energetischen

Materialien und Feinchemikalien in Labor- und Technikums-

prozessen realisiert. Hierzu zhlen kontinuierliche Mikrover-

fahrenstechniken, Nitriertechnologien, berkritische Fluidver-

fahren und Zerkleinerungs- und Beschichtungstechniken. Der

Forschungsbereich ist insbesondere auf eine sichere Auslegung

und Optimierung gefahrgeneigter Prozesse spezialisiert.

Mit der Mikroreaktionstechnik bieten wir der chemischen und

pharmazeutischen Industrie einen vielseitigen Werkzeugkasten

zur Prozessanalyse, -auslegung und -optimierung an. Basierend

auf reaktionskalorimetrischen Daten, die in Verbindung mit

mageschneiderter spektroskopischer Prozessanalytik ermittelt

werden, knnen wir chemische Prozesse unter dem Mikros-

kop analysieren, beurteilen und deren Optimierungspotenzial

identifizieren. Diese Prozesse werden von uns vom Labor-

mastab bis zur Technikumsreife weiterentwickelt, betrieben

und auf Kundenwunsch in Konzepten fr Gesamtanlagen

umgesetzt.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die zivile Sicherheitsforschung.

Im Bereich der Explosivstoffdetektion nutzen wir unsere

umfassende Explosivstoffkompetenz, um bestehende oder

neu entwickelte Detektionssysteme, zum Beispiel Flughafen-

scanner, auf die Fhigkeit zur Erkennung und Identifizierung

von sogenannten Explosivstoff-Eigenlaboraten zu testen und

als offizielles deutsches Testzentrum fr die Detektion von

Flssigexplosivstoffen zu validieren. Vernetzt in nationalen

und europischen Expertengremien, wie in dem von der EU

gefrderten Network on the Detection of Explosives NDE,

internationalen Verbundprojekten und nationalen Clustern

(zum Beispiel das Innovationscluster Future Urban Security)

arbeiten wir an der Weiterentwicklung von Techniken zur

Explosivstoffdetektion.

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In der Verteidigungsforschung arbeiten wir in erster Linie

fr das Bundesministerium der Verteidigung und die ver-

teidigungstechnische Industrie. Hier werden Arbeiten im

Rahmen der European Defence Agency (EDA) bzw. der NATO

international abgestimmt. Darber hinaus steht der Produkt-

bereich Energetische Materialien als Ansprechpartner fr die

Sicherheitsforschung anderer Ministerien und Behrden sowie

der Industrie zur Verfgung und bringt seine besonderen

Kompetenzen in entsprechende nationale und internationale

Gremien beratend ein.

Smart Materials ist ein bergreifender Forschungsbereich,

bei dem die Funktionalitten von Komponenten und Produkten

sowie deren gezielte Modifizierung fr unterschiedlichste

Anwendungen im Vordergrund stehen. Aus unseren Laboren

stammen beispielsweise neuartige Brandschutzbeschichtun-

gen, deren schtzende, aufquellende (intumeszierende) und/

oder keramisierende Strukturen erst im Brandfall entstehen.

Die Eigenschaftsprofile der Beschichtungen werden fr den

Einsatz im Bauwesen, im Transportbereich oder zum Schutz von

Gefahrstoffen entsprechend angepasst. Kundenanforderungen

zum Beispiel im Hinblick auf Baustoffklassen oder dekorative

Aspekte (u. a. Transparenz) knnen bei der Entwicklung berck-

sichtigt werden. Molekular geprgte Polymere (MIPs) werden

als sensitive und selektive Low-Cost-Sensorbeschichtungen

entwickelt.

Hierzu werden hochgradig vernetzte Polymere in Gegenwart

von Mustermoleklen synthetisiert. Nach Entfernen der Muster-

molekle werden die verbliebenen Abdrcke selektiv belegt

und dienen damit zum Nachweis der Zielmolekle. Metall-

organische Gerststrukturen (MOF), eine neue Klasse mikro-

porser Materialien, die sich durch groe spezifische Poren-

volumina und hohe spezifische Oberflchen auszeichnen,

werden fr Anwendungen in den Bereichen Gasspeicherung,

Sensorik und Katalyse entwickelt. Weitere Smart Materials

kommen aus dem Bereich der Partikeltechnologie wie zum

Beispiel Kern-Schale-Partikel und Co-Kristalle sowie aus den

Bereichen der energetischen Polymere und energetischen

ionischen Liquide, die beispielsweise in Treibstoffentwicklungen

erprobt werden.

Kontakt: Dr. Horst Krause Telefon +49 721 4640-143 horst.krause@ict.fraunhofer.de

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AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN

CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIKJJ Prozessfhrung mit MikroreaktionstechnikJJ Prozessauslegung und ProzessdiagnostikJJ kontinuierliche KatalyseprozesseJJ HochdruckanwendungenJJ isostatisches PressenJJ berkritische Fluidverfahren

JJ PartikeltechnologieJJ Energy Harvesting

SICHERHEITSFORSCHUNGJJ Testcenter Explosivstoffdetektionssysteme im

Auftrag der BundespolizeiJJ ExplosivstoffdetektionJJ Ferndetektion mit spektroskopischen Methoden JJ European Network Detection of Explosives NDE im

Auftrag der DG HOMEJJ Home Made ExplosivesJJ Herstellung, Leistungs- und Sicherheitsbeurteilung

JJ BrandschutzJJ Hochtemperaturisolierungen auf der Basis von

keramisierenden ElastomerenJJ schnelle pyrotechnische Rettungssysteme

VERTEIDIGUNGSFORSCHUNG EXPLOSIVSTOFFEJJ ExplosivstoffsyntheseJJ pyrotechnische Stze und GasgeneratorenJJ RaketentreibstoffeJJ schnell brennende, raucharme FesttreibstoffeJJ Geltreibstoffe fr RaketenantriebeJJ gewichtsreduzierte Antriebe fr Raumfahrtmissionen

JJ Rohrwaffentreibmittel JJ geschumte TreibladungsformkrperJJ temperaturunabhngige Treibladungspulver

JJ Hochleistungssprengstoffe & insensitive MunitionJJ ExplosivstoffanalytikJJ Alterung, Stabilitt und Vertrglichkeit

SMART MATERIALSJJ geprgte Polymere (MIP)JJ selektive Sensorschichten

JJ metallorganische FrameworksJJ Mikro- und Nanokomposite, Co-KristalleJJ gelbildende StoffeJJ energetische ionische LiquideJJ energetische PolymereJJ Core-Shell-PartikelJJ phasenstabiles AN und ADN-Prills

E N E R G E T I S C H E M A T E R I A L I E N

BILDER

Vorbereitung einer Messung im adiabatischen

Kalorimeter ARC (links) und Test eines Flug-

hafenscanners zur Erkennung von flssigen

Explosivstoffen (rechts).

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

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E N E R G E T I S C H E S Y S T E M E

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

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Hochtemperaturkammer

zur Materialprfung durch

Rntgenbeugung.

Kompetenzen

Das grundlegende Verstndnis und die modellhafte

Beschreibung der physikalischen Eigenschaften energetischer

Systeme bildet die Basis fr das Leistungsspektrum des

Produktbereichs. Die Anwendungsbereiche der untersuchten

energetischen Systeme reichen von explosivstoffbasierten

Systemen bis zu stofflichen und thermischen Energiespeichern.

Experimentelle Untersuchungen an energetischen Materialien

und Systemen fr wehrtechnische und zivile Anwendungen

dienen der Charakterisierung und Bewertung ihrer Leistungs-

und Empfindlichkeitseigenschaften von der Herstellung ber

den Transport und die Lagerung bis hin zur Anwendung. Diese

Fhigkeit zur Charakterisierung und Modellierung der beim

Umsatz von Explosivstoffen stattfindenden Reaktions- bzw.

Verbrennungsvorgnge ermglicht die Entwicklung neuer

oder die Optimierung bestehender Systeme.

Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Produktbereich Energet ische Systeme s ind

die Erzeugung, der Umsatz, d ie Wandlung und die Speicherung von Energie fr z iv i le und wehrtechnische

Anwendungen. Weitere Akt iv i tten fr industr ie l le und ffent l iche Auftraggeber beschft igen s ich mit

n icht- leta len Wirkmitte ln und der Analyse von Sicherheitsr is iken reakt iver und explos ionsfhiger Stoffe.

Die Untersuchung und Entwicklung hochtemperaturbelasteter Mater ia l ien und das Prozess-Monitor ing

ergnzen das Forschungsportfol io. Fr die Bearbeitung von Projekten mit explos iven Substanzen stehen

modernste Laborator ien und Messtechniken zur Verfgung. Die e inz igart ige Infrastruktur er laubt die

Untersuchung reakt iver Vorgnge im Realmastab.

Modernste Messtechniken, teilweise selbst entwickelt, bieten

einen detaillierten und zeitaufgelsten Einblick in chemische

Reaktionen sowie die detonativen oder deflagrativen Umset-

zungen explosiver Materialien. Neben Methoden zur Druck-

und Temperaturmessung werden berhrungslose optische und

spektroskopische Verfahren wie Hochgeschwindigkeitskinema-

tographie, Strmungsvisualisierung, Pyrometrie sowie Emissions-

und Absorptionsspektroskopie eingesetzt. Die Analyse der

ablaufenden Reaktionsvorgnge basiert auf fundierten theo-

retischen Modellen der Reaktionskinetik, Strmungssimulation,

Verbrennungs- und Detonationsphysik. Hierzu werden sowohl

kommerziell erhltliche Programme als auch selbst entwickelte

numerische Berechnungen angewandt.

Zentrale Forschungs- und Entwicklungsthemen

Die Forschungsarbeiten zur Charakterisierung, Entwicklung

und Optimierung energetischer Systeme behandeln neben

den etablierten wehrtechnischen Anwendungen auch zivile

Applikationen pyrotechnischer Systeme fr die automobile

Sicherheitstechnik (Airbag) oder zum Umformen von Blechen.

Die auf dem Gebiet der Energiespeicher und der Restwrme-

nutzung bearbeiteten Themen konzentrieren sich auf die

thermochemische und latente Speicherung von Abwrme.

Die Arbeiten reichen von der grundlegenden Charakterisie-

rung der Speichermaterialien bis zur Auslegung und Bau von

Demonstratoren oder Prototypen.

ENERGETISCHE SYSTEME

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Die Charakterisierung und Analyse von Prozessen mit

reaktiven Stoffen wie zum Beispiel Wasserstoff ermglicht

die umfassende Bewertung des Risikos sowie die Ausarbeitung

sicherer Betriebsstrategien.

Das Prozess-Monitoring ermglicht es die steigenden

Anforderungen an moderne Werkstoffe, Produkte und

deren Herstellungsprozesse schnell und zuverlssig zu

erfassen. Spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel

RAMAN-Spektroskopie befhigen durch die Analyse von

Materialien die zielgenaue Produkt- und Prozessentwicklung

bei der Polymerverarbeitung.

Auf dem Gebiet der Hochtemperaturwerkstoffe werden

Oxidations- und Korrosionsprozesse von berwiegend

metallischen Werkstoffen untersucht und charakterisiert.

Im Vordergrund steht dabei die Strukturstabilitt fr

Anwendungen im Temperaturbereich bis 1.700 C bei

unterschiedlichen Umgebungsbedingungen fr Beschich-

tungen und Werkstoffe.

Die Funktionalisierung von Werkstoffen mittels Nanopartikeln,

die sicherheitstechnische Bewertung sowie auch der Einsatz

von Nanopartikeln in Energietrgern bilden die Grundlage

unserer Forschungsttigkeit in der Nanotechnologie. Ein

spezielles Nano-Technikum ermglicht den sicheren Umgang

mit und Reaktionsuntersuchungen an Nano-Stuben.

Umsetzung

Die Kombination fachlicher Interdisziplinaritt und eine her-

ausragende Forschungsinfrastruktur mit modernsten Laboren

und Gerten bildet die Basis fr eine erfolgreiche Bearbeitung

von Auftrgen. Der Bereich Energetische Systeme ist in den

aufgefhrten Themen der kompetente Partner fr Industrie,

Behrden und Ministerien. Wir verfgen ber umfangreiche

Erfahrungen im Forschungsmanagement groer nationaler

und internationaler Projekte.

Kontakt: Gesa Langer Telefon +49 721 4640-317 gesa.langer@ict.fraunhofer.de

Wilhelm Eckl Telefon +49 721 4640-355wilhelm.eckl@ict.fraunhofer.de

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AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN

E N E R G E T I S C H E S Y S T E M E

EXPLOSIVSTOFFBEURTEILUNGJJ Anzndung, Verbrennung, Innenballistik, Detonik

SCHUTZSYSTEMEJJ Nicht-letale Wirkmittel, pyrotechnische Brandstze, Flares

GASGENERATORENJJ Airbagsysteme, Umformtechnik, Lschtechnik

TECHNISCHE S ICHERHEITJJ Explosionen, Brnde, Wasserstoffsicherheit

HOCHTEMPERATURWERKSTOFFEJJ Oxidation, Korrosion, Strukturstabilitt

WERKSTOFFE UND PROZESSANALYSEJJ optische Spektroskopie, Werkstofffunktionalisierung, Chemometrie, Nano-Partikel

ENERGIESPE ICHERJJ Wrme- und Kltespeicher, stoffliche Speicher

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

BILD

Entwicklung von zeolithbasierten

Sorptionsspeichern.

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A N G E W A N D T E E L E K T R O C H E M I E

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

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Sicherheitstest bzw. Abuse-

versuch durch berladen

einer Lithium-Ionen Zelle

(Pouchzelle).

Batter ien, Brennstoffzel len, e lektrochemische Sensoren und Analysesysteme s ind die Arbeitsschwerpunkte

des Produktbereichs Angewandte E lektrochemie. Die z iv i len und wehrtechnischen Forschungs- und Ent-

wicklungsarbeiten re ichen von der Mater ia lcharakter is ierung und -opt imierung bis zur Methodenentwick-

lung und der Herste l lung von Prototypen. Umfangreiche Test- und Entwicklungsmethoden fr Brennstoff-

zel len, Batter ien und Komponenten werden entwickelt und als Serv ice le istung angeboten. Neben einer

umfassenden Laborausstattung ste l len wir unseren Kunden ein breites e lektrochemisches Know-how zur

Verfgung.

Batterien

Die Forschungsschwerpunkte im Bereich der Batterietechnik

liegen auf Lithium-basierten Energiespeichern, insbesondere

hinsichtlich ihrer Sicherheit und der Entwicklung neuer Syste-

me mit hohen Energiedichten (zum Beispiel Lithium-Schwefel

und Lithium-Luft-Batterien). In entsprechend ausgestatteten

Sicherheitslaboren werden zerstrende und nicht-zerstrende

Tests an Lithium-Ionen-Zellen und Modulen in Verbindung mit

einer umfangreichen Gasanalytik durchgefhrt. Der Temperie-

rung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen kommt aus Sicher-

heitsgrnden eine besondere Bedeutung zu. Deshalb werden

eine Vielzahl thermischer Messungen an Zellen und deren

Komponenten in-situ und ex-situ durchgefhrt. Auf dieser

Basis werden thermische Simulationen erstellt und optimierte

Funktionsmuster aufgebaut. Bei den sogenannten next

generation Batterien wie beispielsweise Lithium-Schwefel ist

die grte Herausforderung die Lithium-Metall-Anode, die zur

Dendritenbildung neigt und an deren Oberflche Elektrolyt-

zersetzung sowie Reaktionen mit Polysulfiden stattfinden.

Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich hier auf neue Elektroden-

konzepte und Separatoren.

Redox-Flow-Batterien

Die Arbeiten am Fraunhofer ICT befassen sich sowohl mit

der Untersuchung neuer geeigneter Elektrolyte, Elektroden

und Membranen als auch mit den verfahrenstechnischen

Parametern. Dabei stehen fr stationre Anwendungen eine

Skalierung der Technologie in den MW- und MWh-Bereich

sowie die produktionstechnische Umsetzung entsprechender

Speicher im Vordergrund der Forschung und Entwicklung.

Im Rahmen eines durch das Land Baden-Wrttemberg und

das BMBF gefrderten Projektes wird eine 2 MW / 20 MWh

Redox-Flow Batterie in Verbindung mit einem 2 MW Windrad

auf dem Gelnde des Fraunhofer ICT aufgebaut. Neben

verfahrenstechnischen Herausforderungen liegt ein weiteres

Hemmnis der Redox-Flow-Technik darin, dass die eingesetzten

Materialien und der Stackbau meist abgeleitet von der

Brennstoffzellenentwicklung zu aufwendig und damit ko-

nomisch nicht konkurrenzfhig sind. Aktuelle Arbeiten sind

deshalb auf die Kostensenkung fr den Stackbau auf unter

1.000 Euro / kW sowie die Integration von Funktionswerk-

stoffen (Elektrodenmaterialien, Membranen) in das Fertigungs-

konzept mit dem Ziel der Vereinfachung des Stack-Aufbaus

ausgerichtet.

Brennstoffzellen

Als elektrochemische Wandler weisen Brennstoffzellen in der

Regel eine hhere elektrische Effizienz als thermische Kraftma-

schinen auf, insbesondere im kleinen bis mittleren Leistungs-

ANGEWANDTEELEKTROCHEMIE

2 2

bereich. Im Vergleich zu Batterien erreichen sie zudem hhere

Energiespeicherdichten. Die Nutzung flssiger Treibstoffe kann

dabei nicht nur die Speicherdichte erhhen, sondern auch die

Handhabung erleichtern und somit das Marktpotenzial er-

hhen. Markthinderlich sind die fehlende Infrastruktur fr den

hufig eingesetzten Brennstoff Wasserstoff sowie hohe Kosten.

Das Fraunhofer ICT betreibt angewandte Forschung im Bereich

Brennstoffzellenmaterialien, um hier Abhilfe zu schaffen. Um

Kosten zu senken, werden Katalysatoren und Bindermaterialien

fr alkalische Brennstoffzellen mit einer Anionen-Austauscher-

membran untersucht. Ziel ist, auf Platinmetalle sowie Elektro-

katalysatoren fr die direkte Umsetzung von Alkoholen in

alkalischen und Mitteltemperatur-Polymerelektrolytmembran-

Brennstoffzellen zu verzichten, da dann (kostengnstigere)

flssige Brennstoffe eingesetzt werden knnen. Im Rahmen

dieser Aktivitten hat das Fraunhofer ICT eine groe Expertise

in der in-situ Untersuchung elektrochemischer Prozesse in

Brennstoffzellen, die den Kunden zum Beispiel auch zur Unter-

suchung von Degradationsvorgngen zur Verfgung steht. Im

Systembereich befasst sich das Fraunhofer ICT intensiv mit der

Entwicklung von Brennstoffzellensystemen als APU oder Range

Extender fr Elektrofahrzeuge sowie mit der Entwicklung von

Demonstrationssystemen fr das Verteidigungsministerium und

die nachgeschalteten Behrden.

Sensorik und Analysensysteme

Elektrochemische Sensoren werden fr unterschiedlichste

Messaufgaben im Umweltbereich, in der Sicherheitsber-

wachung, der Prozesskontrolle und der Medizin eingesetzt. Im

Vergleich zu herkmmlichen Sensoren zeichnen sie sich durch

hohe Empfindlichkeit, einfache Handhabung und geringe

Herstellungskosten aus. Sie knnen fr die Untersuchung von

Flssigkeiten, Gasen und Bodenproben eingesetzt werden.

Zustzlich knnen sie aufgrund einer Vielzahl variierbarer Para-

meter flexibel an spezielle Messaufgaben unserer Kunden an-

gepasst werden. Aktuelle Arbeiten zielen auf die Entwicklung

hochempfindlicher Sensoren fr die Schadstoffdetektion in

der Luft und im Meerwasser. Weiterhin wird an Sensoren fr

den Einsatz unter extremen Umweltbedingungen (zum Beispiel

hohe Temperaturen) gearbeitet.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der An-

wendung von Methoden der Mustererkennung fr den

flexiblen Einsatz elektrochemischer Sensoren in komplexen

Matrices. Des Weiteren knnen auch unerwnschte Kor-

rosionseffekte bei Batterien und Bauteilen jeglicher Art mit

elektrochemischen Messmethoden untersucht werden. Mit der

Rntgenspektroskopie werden an den Korrosionsprodukten

Schadensanalysen auf deren Elementzusammensetzung durch-

gefhrt. Darber hinaus gehren Leckagemessungen und

das Wasserstoffmonitoring vom unteren ppb bis zum hohen

Prozentbereich in Echtzeit zum Portfolio.

Der Bereich der Analysensysteme beschftigt sich seit

vielen Jahren mit analytischen Fragestellungen aus den

verschiedensten Themenfeldern. Der Fokus liegt dabei meist

auf elektrochemischen Problemstellungen, zu deren Lsung

auf eine umfangreiche elektrochemische und analytische

Ausstattung zurckgegriffen werden kann. Die Abuse-Tests

von Lithium-Ion-Akkumulatoren, bei denen vielfltige gas-

frmige, teilweise toxische Komponenten entstehen knnen

und deren Nachweis oft schwierig und aufwendig ist (HF,

Schwefelverbindungen), fllt ebenfalls in den Aufgabenbereich

der Analysensysteme.

Kontakt: Dr. Jens Tbke Telefon +49 721 4640-343 jens.tuebke@ict.fraunhofer.de

2 3

AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN

A N G E W A N D T E E L E K T R O C H E M I E

BILDER

Untersuchung eines ausgerollten

Separators und der Elektroden einer

Lithium-Ionen-Zelle (links) und Redox-

Flow Laborzelle zur Testung neuer Mate-

rialien (rechts).

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

BATTERIENJJ Zelle / ModulJJ Lithium-Schwefel-BatterienJJ natriumbasierte AkkumulatorenJJ Performance, Abuse, post-mortem-UntersuchungenJJ Simulation thermisches VerhaltenJJ Super-Caps

JJ BatteriesystemeJJ Auslegung / EntwicklungJJ VerbindungstechnikJJ hybride Energiespeicher-SystemeJJ thermisches Management

REDOX-FLOW-BATTERIEJJ Materialien und StackJJ metallische und mit Kunststoff gefllte BipolarplattenJJ wssrige und organische Elektrolyte sowie ionische

Flssigkeiten, Vanadium und Bromid-SystemeJJ Dichtungs- und StackkonzepteJJ Modellierung von Flow-Batterien von der Einzelzelle

bis hin zum SystemJJ SystemJJ Auslegung regenerativer Energiesysteme

(Erzeuger und Speicher), Mikrogrid-SimulationJJ Vanadium-Luft / Metallionen-Luft SystemeJJ unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

BRENNSTOFFZELLENJJ Materialien und StackJJ Elektrokatalysatoren und Membran-Elektroden-

Einheiten fr alkalische Direktalkohol-BrennstoffzellenJJ schwefeltolerante Elektrokatalysatoren und

Membran-Elektroden-EinheitenJJ Sauerstoffreduktionselektroden

JJ SystemJJ Direktethanol-BrennstoffzellenJJ Brennstoffzellen als Range-Extender und APUJJ Einsatz von Brennstoffzellen im militrischen Umfeld

der Bundeswehr

SENSORIK UND ANALYSESYSTEMEJJ ExplosivstoffdetektionJJ Bereitstellung definierter Explosivstoffkonzentration

in der GasphaseJJ elektrochemische Detektion bis in den ppt-Bereich

JJ elektrochemische SensorikJJ Riechen und Schmecken: Spurendetektion und

MustererkennungJJ Aufbau von Sensorsystemen

JJ Untersuchungen von Korrosionsschden,

Leckagemessungen und BauteilversagenJJ Analytik fr Batterie- und BrandgaseJJ ionische Flssigkeiten in elektrochemischen Systemen

2 4

U M W E L T E N G I N E E R I N G

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

2 5

Die Abtei lung Umwelt Engineer ing bearbeitet se i t Jahren erfolgreich Forschungsthemen im Bereich e iner

ressourceneff iz ienteren Produkt ionstechnik und innovat iver Verwertungsverfahren. Neben einer ausge-

re if ten chemischen Verfahrenstechnik untersttzt d ie Abtei lung ihre Kunden im Bereich e iner k lass ischen

mechanischen Verfahrenstechnik und einem Produktportfol io, dass s ich ber Chemikal ien und Werkstoffe

auf Bas is nachwachsender Rohstoffe bis h in zu neuen Mater ia l ien (B iopolymere, Nanomater ia l ien, Funk-

t ionswerkstoffe, Smart Mater ia ls ) oder spezie l len Rezyklaten erstreckt. E in weiterer Arbeitsschwerpunkt

ist d ie Umweltqual if ikat ion technischer Produkte durch standardis ierte oder kundenspezif isch entwickelte

Testmethoden.

Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz

Die Arbeitsgruppe Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz

bearbeitet Fragestellungen zu rohstoff- und energieoptimierten

Produkt- und Prozessentwicklungen. So konnte beispielsweise

durch ein Hydrothermalverfahren ein effizientes Recyclingver-

fahren fr Baustoffe entwickelt werden, welches hochwertige

Rohstoffe fr die Bauwirtschaft generiert. Textilien und poly-

mere Fasern aus Fahrzeugsitzen lassen sich durch ein stoff-

liches Recycling wieder in Neuware einarbeiten. Fasercompo-

site-Bauteile werden am Fraunhofer ICT durch werkstoffliches

Recycling zunchst fraktioniert, um sie anschlieend in hoch-

wertigen Anwendungen wieder einsetzen zu knnen. Einen

besonderen Schwerpunkt bildet das Recycling von Carbon-

fasern und Glasfaserverbundwerkstoffen. Hierbei kommen

auch neueste Technologien aus dem Bereich der energetischen

Demontage zur Anwendung. kologische und konomische

Tools fr eine ganzheitliche Bewertung dieser Prozesse im Be-

reich des Life Cycle Assessments (LCA) runden die Kompetenz

dieser Forschungsgruppe ab.

Reaktions- und Trenntechnik

Die Arbeitsgruppe Reaktions- und Trenntechnik verfolgt ver-

fahrenstechnische Prozessentwicklungen fr die Synthese von

Plattformchemikalien auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Die

chemischen Prozesse umfassen die gesamte Prozesskette von

der Auswahl und dem Aufschluss biogener Rohstoffe ber das

Downstream-Processing bis hin zur quantitativen Charakteri-

sierung der Produkte. Ziel ist die industrielle Nutzung pflanz-

licher Rohstoffe wie zum Beispiel Zucker, Strke, Cellulose,

Hemicellulose, Lignin, Terpene, Chitin oder l und Fett fr die

Herstellung organischer Zwischenprodukte, Feinchemikalien

und Polymere. So lassen sich beispielsweise durch die basen-

katalysierte Hydrothermolyse (BCD) von Lignin phenolische

Bausteine generieren (Guajakole, Catechole und Syringole),

die bei der Herstellung von Phenol-Formaldehyd-Harzen be-

reits erfolgreich eingesetzt werden konnten. Von besonderem

Interesse sind in diesem Zusammenhang auch hydrothermale

katalytische Prozesse, die Wasser im nahekritischen Zustand als

Lsungsmittel und Reaktionspartner nutzen. Beispielhaft seien

hier die Gewinnung von Olefinen aus Alkoholen oder von

Polyalkoholen aus Cellulose, Hemicellulose und Zuckern fr die

Herstellung von Polymerschumen, aber auch die Gewinnung

von Furanderivaten (5-HMF, 2,5-Furandicarbonsure) aus He-

micellulosen fr die Herstellung thermoplastischer Elastomere

erwhnt. Diese Prozesse sind wegen der Verwendung von

Wasser als Lsungs- und Reaktionsmedium in idealer Weise

mit biotechnologischen Prozessen kombinierbar.

UMWELT ENGINEERING

Schutzartprfung,

Prfung Dichtigkeit.

2 6

Beim sogenannten Downstreaming, d. h. der Komponenten-

trennung, kommen neben thermischer Verfahrenstechnik

(Destillation) und mechanischer Trenntechnik (Crossflow-Mem-

branprozesse) auch berkritische Fluide (SCF) im Bereich der

Extraktion zum Einsatz. Diese Fluide kombinieren ein starkes

Lsungsvermgen mit gashnlichen Transporteigenschaften.

Polymere und Additive

Schwerpunkt der Arbeitsgruppe Polymere und Additive ist

die Entwicklung von Syntheseprozessen fr die Herstellung,

Verarbeitung und Modifizierung von Polymeren basierend

auf nachwachsenden Rohstoffen. Insbesondere Polyester und

Polyamide auf Furandicarbonsure-Basis, die aus Zuckern her-

gestellt wurden, sind im Fokus des Interesses. Fr die Synthese

neuer Polymere eignen sich aber auch lbasierte Fettsure-

derivate, die ber Metathesereaktionen und anschlieende

Derivatisierung aus den natrlichen Rohstoffen hergestellt

wurden.

Im Bereich der Polymere ist eine zunehmende Nachfrage nach

verbesserten Flammschutzsystemen zu verzeichnen. Aus die-

sem Grund beschftigt sich eine Gruppe von Wissenschaftlern

mit der Entwicklung reaktiver Flammschutzsysteme, die bereits

bei der Polymersynthese in das Produkt vernetzt werden.

Analytik

Die Abteilung Umwelt Engineering verfgt ber eine umfas-

sende Analytik, die es ermglicht quantitative Aussagen (auch

spurenanalytisch) zu organischen und anorganischen Frage-

stellungen aus allen Arbeitsgruppen sowie fr externe Kunden

und Partner zu treffen. Spezialisiert hat sich die Gruppe in

den letzten Jahren vor allem auf die Charakterisierung von

Naturstoffen und Biomaterialien (NREL-Analyse, Fettanalytik,

LC-MS), von polymeren Produkten (Pyrolyse-GC-MS) sowie

von mineralischen Bestandteilen in Recyclingprodukten wie

zum Beispiel Asphalten, Bahnschwellen und Leuchtschichten.

Emissions-Prfkammermethoden detektieren mgliche Mate-

rialemissionen, beispielsweise bei Innenraumanwendungen.

Neben VOC-Messungen sind auch andere Luftschadstoffe

oder Partikel wie Feinstaub nachweisbar.

Umweltsimulation und Produktqualifikation

Whrend ihrer Lebensdauer sind technische Produkte einer

Vielfalt von Umwelteinflssen ausgesetzt, die sich auf die

Funktion, die Gebrauchsdauer, die Qualitt und die Zuver-

lssigkeit des Produkts auswirken.

Die Arbeitsgruppe Umweltsimulation und Produktqualifikation

beurteilt im Auftrag zahlreicher Kunden aus den unter-

schiedlichsten Industriebereichen simulierte Umwelteinflsse

auf technische Erzeugnisse und deren Wirkung. Durch eine

Langzeitsimulation in Kombination mit einer definierten

Alterung knnen Lebensdaueraussagen generiert werden.

Anwendungsgebiete sind die Qualifizierung von Fahrzeugbau-

teilen und die Entwicklung bestndiger Komponenten fr die

Lebensmittelindustrie. Korrosionsvorgnge lassen sich durch

Versuche mit gasfrmigen oder flssigen Medien nachstellen,

um beispielsweise einen wirkungsvollen Nachweis von Kor-

rosionsschutzmanahmen zu erbringen. Die Belastung durch

Stube wurde mit der Feinstaubproblematik ins ffentliche

Rampenlicht gedrngt. Daher werden Staubbelastungen in

Versuchen nachgestellt, um eine beschleunigte Wirkung und

somit eine Zeitraffung zu erzielen.

Kontakt: Rainer Schweppe Telefon +49 721 4640-173 rainer.schweppe@ict.fraunhofer.de

2 7

AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN

REAKTIONS- UND TRENNTECHNIKJJ Umsetzung von Bioraffineriekonzepten in den

Miniplant-Mastab an der Projektgruppe

Fraunhofer CBP am Standort LeunaJJ Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur

Herstellung von ChemierohstoffenJJ Anwendung berkritischer Fluide in der Synthese

und der StofftrennungJJ Anlage zur kontinuierlichen Extraktion von Lignocellulose

in ihre wesentlichen Bestandteile unter Druck

UMWELTSIMULATION UND

PRODUKTQUALIF IKATIONJJ Verfahren zur Simulation von KorrosionsvorgngenJJ Methoden zur Simulation von Reinigungsvorgngen

in der LebensmittelindustrieJJ Bestndigkeit von Oberflchen gegen chemische

SubstanzenJJ Entwicklung von Verfahren zur zeitgerafften Aufprgung

von UmgebungseinflssenJJ Untersuchungen zur beschleunigten Alterung von

BauteilenJJ Neue Prfnormen zur Produktqualifikation in

Klimakammern

PROZESS- UND EMISS IONSANALYTIKJJ Entwicklung neuer Messmethoden fr die stoffliche

Charakterisierung

U M W E L T E N G I N E E R I N G

BILD

Produktqualifikation in

Klimaschrnken.

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

KREISLAUFWIRTSCHAFT UND

RESSOURCENEFF IZ IENZJJ Recyclingkonzepte und Verwertungsstrategien

sekundrer Rohstoffe mit der gemeinsamen

Forschergruppe der Simon-Ohm-Hochschule NrnbergJJ Konzepte zum rohstofflichen und werkstofflichen

Recycling von Composite- bzw. Faserverbundkunst-

stoffverbnden (Carbonfasern) und Baustoffen sowie

Herstellung hochwertiger ProdukteJJ Rckgewinnung von Textilfasern fr die stoffliche

WiederverwertungJJ Verwertung von PET in Food-Grade QualittJJ Kreislauffhrung von Kunststoffen aus dem Bereich

Elektroaltgerte und Alt-Fahrzeuge.JJ Recycling von Elektronikschrott JJ Nachhaltigkeit in der Entwicklung und Fertigung

von Flugzeugen

POLYMERE UND ADDIT IVEJJ Synthese neuer Biopolymere (Polyester, Polyamide

und Polyurethane) auf Basis nachwachsender RohstoffeJJ Rohstoffliches Recycling von PU-Blockschumen

(Glykolyse und A-cidolyse)

2 8

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

P O LY M E R E N G I N E E R I N G

2 9

Rohling mit eingeflochtenem

Insert eines Hohlbauteils aus

Faserverbundkunststoffen.

Der Kompetenzbereich Polymer Engineer ing bietet se i t fast zwei Jahrzehnten innovat ive Polymerlsungen

von der Idee ber die Produkt- , Mater ia l - und Verfahrensentwicklung bis h in zur Prototypenherste l lung.

Magebend bei der anwendungsnahen Forschung an Kunststoffen ist d ie Entwicklung von kosten- und

ressourceneff iz ienten Mater ia l rezepturen und Verarbeitungsprozessen. Bei der Umsetzung von Forschungs-

projekten arbeiten thematisch fokuss ierte Arbeitsgruppen eng vernetzt zusammen mit Partnern aus dem

Ausland, aus den Fraunhofer-Al l ianzen und mit dem Kar lsruher Inst i tut fr Technologie KIT. Die Anbindung

und wissenschaft l iche Zusammenarbeit mit dem KIT ermgl icht darber hinaus e ine Vert iefung der Grund-

lagenforschung ber die Lehrsthle fr Leichtbautechnologie und Polymertechnik.

Kompetenzen am Standort Pfinztal

Zum Kern des Kompetenzbereichs Polymer Engineering gehrt

die Auseinandersetzung mit Zukunftsthemen der Kunststoff-

technologie wie beispielsweise der Entwicklung von tempera-

turfesten thermoplastischen, naturfaserverstrkten Polymeren

fr technische Anwendungen. In den Blickpunkt der Material-

forschung rcken zunehmend mageschneiderte geschumte

Werkstoffsysteme, wie auch Schaumstoff-Verbunde, die sich

hinsichtlich ihrer optimierten Eigenschaften unter anderem als

Alternative fr eine nachhaltige Gebudedmmung eignen.

Fr ein bestmgliches Ergebnis bei der Materialentwicklung

kommt es entscheidend auf das Zusammenspiel von Werk-

stofftechnik und Schumtechnologie an. Das Prinzip von

optimiertem Material- und Technologieeinsatz gilt auch fr die

aktuellen Entwicklungen mit Nanopartikeln. Welche Potenziale

sich in Kunststoffen mit Nanokomposites erschlieen lassen,

zeigt sich bei der Spritzgiefertigung von elektrisch leitfhigen

Pfaden mit Sensoreigenschaften. In der Prozessentwicklung

spielen unter den neuen Themen vor allem integrierte Re-

aktivverfahren eine Rolle, wie die reaktive Extrusion, welche

chemische Synthesen oder Werkstoffmodifikationen im

kontinuierlich arbeitenden Reaktionsextruder ermglichen.

Aktuelle Forschungsprojekte wie reaktives Werkstoffrecycling

von PET belegen dabei auch das hohe Synergiepotenzial der

Zusammenarbeit mit dem Produktbereich Umwelt-Engineering

in der Polymerchemie.

Mit der Erweiterung der Spritzgietechnologie werden ver-

strkt Forschungs- und Entwicklungsaufgaben unter anderem

im Schaumspritzgieen gemeistert. So knnen heute mit

dieser Technologie beispielsweise Bauteile mit Sandwichstruk-

tur mit hohen gewichtsspezifischen Steifigkeiten entwickelt

werden ein Thema, das bereits auf hohe Resonanz aus der

Industrie stt. Nach wie vor ist die Schaumplatten-Extrusions-

anlage im PE-Technikum einmalig in der Forschungslandschaft

Deutschlands. Dieses Alleinstellungsmerkmal erklrt auch den

deutlichen Anstieg der Projektertrge auf dem Gebiet der

Schumtechnologien. Neben der Entwicklung neuer Schaum-

materialien ist auch das Interesse an der Rezepturentwicklung

fr konventionelle Materialien ungebrochen. Besonders

stechen vor allem die Themen Nukleierung und alternative

Flammschutzsysteme hervor.

In der Faserverbundtechnik stehen Integrationstechniken,

Produktionsverfahren fr langfaserverstrkte Thermoplaste

und Duromere (LFT, SMC), Gieharzverfahren mit Thermo-

plasten (T-RTM/RIM), groserienfhige Harzinfusionstechniken

(HP-RTM) sowie die PUR-LFI-Faser-Sprhtechnologie zur

Verfgung. Ein Fokus der Weiterentwicklung dieser Themen

liegt aktuell auf der Abbildung gesamter Produktionsprozesse

POLYMERENGINEERING

3 0

und vor allem auf der Industrialisierung dieser ursprnglich in

der Kleinserienfertigung eingesetzten Faserverbundtechno-

logien. So erfolgt im Frhjahr 2014 der Aufbau einer voll

automatisierten Preformanlage fr textile Halbzeuge, welche

die Herstellungskette fr Hochleistungsfaserverbunde im

RTM-Verfahren komplementiert. Zudem liegt ein Schwerpunkt

in der Entwicklung optimierter Verfahren zur Ablage thermo-

plastischer Hochleistungstapes und deren Handhabung in

weiterfhrenden Prozessen.

Auf dem Gebiet der Mikrowellen- und Plasmatechnologie

betreibt ein Team Prozess- und Anlagenentwicklungen zur

mikrowellenuntersttzten Prozesstechnik. Mit der Anschaffung

einer kompakten Induktionsanlage wurde die Technologie zur

beschleunigten Aushrtung von Harzen und Klebstoffen

erweitert. Bei der Erzeugung von Plasmen werden Polymer-

oder metallische Bauteile mit einer meist transparenten

Beschichtung versehen. Neben der Anwendung funktionaler

Kratzschutzschichten haben in den letzten Jahren vor allem

Korrosionsschutzanwendungen zunehmend auch an Hybrid-

bauteilen an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in Verbun-

den aus Hochleistungsaluminiumlegierungen und Kohlenstoff-

faserkompositen kommt es an der Kontaktflche zu starker

Korrosion. Isolierende Beschichtungen, die im Plasmaprozess

auf dem Aluminiumbauteil abgeschieden werden, stellen hier

eine wirtschaftlich interessante und technisch hochwertige

Alternative dar.

Die Kunststoffprfung wurde 2012/2013 weiter ausgebaut:

Zuverlssige Methoden zur Bestimmung der Leitfhigkeit

von Kunststoffcompounds und erweiterte Prfmethoden vor

allem fr Hochleistungsfaserverbunde runden das gesamte

Prfspektrum weiter ab.

Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL

Im Mai 2013 bezog die Projektgruppe FIL das neue Forschungs-

areal am Standort Augsburg. Fast 60 Mitarbeiter beschftigen

sich mit anwendungsorientierter Forschung auf dem Gebiet

der Leichtbauweisen und automatisierten Fertigungsverfahren

fr eine kosten- und energieeffiziente Produktion von Hochleis-

tungsfaserverbundstrukturen fr den Anlagen-, Fahrzeug- und

Maschinenbau. Die Forschungsarbeiten orientieren sich dabei

entlang der Gesamtprozesskette.

Fraunhofer Project Center FPC for Composites Research

Mit der einzigartigen Partnerschaft zwischen dem Fraunhofer

Project Center for Composites Research (FPC) at Western Uni-

versity in London, Ontario, Kanada und der Western University

selbst ist ein Zusammenschluss gelungen, der die Kompetenzen

des Fraunhofer ICT auf dem Gebiet der Faserverbundwerkstoffe

mit dem Know-how in der Material- und Oberflchenforschung

der kanadischen Hochschule verbindet. Das FPC verfgt ber

eine hochmoderne Presse mit einer Presskraft von 25.000 N.

Damit knnen Forschungsauftrge, berwiegend fr den Auto-

mobilbau, im industriellen Mastab durchgefhrt werden.

Karlsruher Innovationscluster fr hybriden Leichtbau

Das Fraunhofer-Innovationscluster KITe hyLITE Technologien

fr den hybriden Leichtbau unter der Leitung von Professor

Dr. Frank Henning vernetzt die Fraunhofer-Institute ICT, IWM

und LBF mit Instituten des Karlsruher Institut fr Technologie KIT

sowie Industrieunternehmen zur gemeinsamen Entwicklung von

hybriden Leichtbautechnologien auf Basis von Faserverbundwerk-

stoffen. Kernthemen sind Werkstoffe, Produktion und Methoden.

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Telefon +49 721 4640-420 frank.henning@ict.fraunhofer.de

3 1

AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN

P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T

P O LY M E R E N G I N E E R I N G

COMPOUNDING UND EXTRUSIONJJ Naturfaser/Biopolymer-CompoundsJJ Partikelschaumbauteile aus BiopolymerenJJ Entwicklung aufgeschumter oder treibmittelbeladener

GranulateJJ Reaktivextrusion von BiopolymerenJJ (nano-) cellulosefaserverstrkte KunststoffcompoundsJJ langglasfaserverstrkte Granulate auf Rezyklatbasis

DUROMERVERARBEITUNGJJ faserverstrkte Polyurethane auf Basis der PUR-Faser-

sprhtechnologieJJ Entwicklung von Leicht-SMC-Formulierungen

HOCHLEISTUNGSFASERVERBUNDEJJ Prozess- und Bauteilentwicklung im

Hochdruckharzinfusionsprozess (HP-RTM)JJ chemisches Fixieren technischer Textilien

Chemical StitchingJJ Automatisiertes Preformen von textilen Halbzeugen

fr die Groserie

MIKROWELLEN- UND PLASMATECHNOLOGIEJJ beschleunigte Aushrtung von (kohlenstofffaser-

verstrkten) Kompositen mittels MikrowellenJJ transparente Kratz- und Korrosionsschutzschichten

ber PECVD-PlasmaverfahrenJJ Reinigen, Entschlichten und Sterilisieren mittels Corona

und Mikrowellen

NANOTECHNOLOGIEJJ Bauteile mit spritzgegossenen leitfhigen StrukturenJJ nanostrukturierte Haftschichten fr HybridbauteileJJ mikrozellulare und durch Nanopartikel verstrkte

SchumeJJ antimikrobielle OberflchenJJ Nanokomposites als Kabelersatz und fr Sensor-

anwendungenJJ Fllstoffadhsion und Grenzflchencharakterisierung

SCHUMTECHNOLOGIENJJ HybridschumeJJ Partikelschume auf RezyklatbasisJJ extrudierte (biobasierte) Schaumplatten (XPS)JJ weiterentwickelte EPS- und EPP-Materialien

THERMOPLASTVERARBEITUNGJJ Thermoplast-SchaumspritzgieenJJ thermoplastisches Tapelegen fr lokale

BauteilverstrkungenJJ Formgebung endlosfaserverstrkter Thermoplaste/

OrganoblecheJJ Spritzgieen geschumter (faserverstrkter) StrukturenJJ Hybridbauteile aus EPP und FaserverbundstrukturenJJ energieabsorbierende HybridstrukturenJJ lastorientiert verstrkte Faserverbundbauteile

(Batteriekasten, Unterbodenverkleidung, Dreieckstrger)

BILDER

Anlagentechnik zur automatisierten Herstellung

(links) eines endlosfaserverstrkten Versteifungs-

inlays mit thermoplastischer Matrix (rechts)

3 2

FRAUNHOFER ICT-IMMINSTITUT FR MIKROTECHNIK MAINZ Das Fraunhofer ICT hat im September 2013 einen weiteren Inst i tutste i l bekommen das IMM ( Inst i tut fr

Mikrotechnik Mainz GmbH). B is zum 17. September 2013 war das IMM im Bes i tz des Landes Rheinland-

Pfalz a ls a l le in igem Gesel lschafter. Nach einer umfangreichen Evaluierung hat s ich die Fraunhofer-Gesel l -

schaft entschieden, das IMM zu bernehmen. Das Fraunhofer ICT hat von 2013 bis 2017 die Aufgabe, das

IMM-Team umfassend in Arbeitsweise und Phi losophie des Fraunhofer Inst i tutsverbunds e inzufhren. Z ie l

i s t , das ICT- IMM bis 2018 fr den bergang in e in e igenstndiges Inst i tut f i t zu machen.

Die Wissenschaftler des ICT-IMM forschen und entwickeln in folgenden Geschftsbereichen:

Der Bereich Dezentrale und mobile Energietechnik deckt die gesamte Technologiekette

in den Bereichen Katalysatorentwicklung, Standzeittests, Prozesssimulation, Systemdesign

und -steuerung, Entwicklung kostengnstiger Fertigungstechnologien, Reaktorkonstruktion,

Systemintegration und -test ab. Neben der Entwicklung einzelner Komponenten und

kompletter Reformersysteme fr konventionelle und regenerative Brennstoffe beschftigen

die Wissenschaftler des ICT-IMM sich mit Flssigwasserstofftechnik, Abgasaufreinigung und

Biotreibstoffsynthese. Mit etwa 20 Mitarbeitern ist es eine der grten Gruppen in Europa, die

sich mit der Thematik Brennstoffaufbereitung beschftigt.

Die Entwicklung kundenspezifischer MEMS-Sensorik und signalableitender Elektroden bildet

das Portfolio des Bereichs Medizinische Sonden und technische Sensorik. Umfangreiche

Kompetenzen in der Auslegung von mikrostrukturierten Komponenten und ihrer Systeminte-

gration, verbunden mit einem weiten Spektrum an Mikrofertigungsverfahren wie mechanische

Przisionsbearbeitung, Lasermaterialbearbeitung, Siliziumtechnik und Dnnschichttechnik, sind

Alleinstellungsmerkmal. Die Anwendungsgebiete reichen von industrieller Gasanalytik ber die

Analyse von Flssigkeiten und Flssigkeitsfilmen bis hin zu medizinischer Diagnostik.

Der Bereich Nanopartikel-Technologien beschftigt sich mit der Herstellung und

Charakterisierung von Nanopartikeln mit unterschiedlichsten Eigenschaften und mglichen

Anwendungen in der Katalyse, Medizin, Pharmazie und der Konsumgterindustrie. Eine

weitere Gruppe beschftigt sich mit Bio-Nano-Schnittstellen.

P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T

3 3

1

Die Kontinuierliche chemische Verfahrenstechnik beschftigt sich mit der Optimierung

bzw. Neudefinition chemischer Produktionsverfahren mittels der Methoden und Apparate der

chemischen Mikroverfahrenstechnik. Die Kernkompetenzen reichen von der Entwicklung und

simulationsuntersttzten Auslegung von Mikroreaktoren bis zur Realisierung von Anlagen fr

Labor-, Pilot- und Produktionsmastab. Weiterer Fokus ist die Prozessentwicklung auf Basis von

Mikroreaktoren und Durchflusschemie.

Der Bereich Prozess-Design entwickelt Technologien, die hauptschlich in den Bereichen

Fein- und Spezialchemie angewendet werden. Aber auch in der Pharmazie und Konsumgter-

industrie sowie Bulk- und Petrochemie sind die Entwicklungen des Fraunhofer ICT-IMM von

groem Nutzen. Chemische Prozesse knnen so mageschneidert werden, dass sie optimal

zu den sehr hohen Massen- und Wrmetransporteigenschaften der Reaktoren bei gegebener

kurzer Verweilzeit (Durchsatzmaximierung) passen.

Der Fokus des Bereichs Mikrofluidische Analysensysteme liegt auf der kundenspezi-

fischen Entwicklung von integrierten, automatisierten Mikrosystemen und Bauteilen fr die

medizinische Diagnostik, Umweltanalyse, Biosicherheitsanwendungen, die Qualittskontrolle

von Nahrungsmitteln, industrielle Analytik und Prozesskontrolle. Mithilfe von Mikrostruktu-

rierungsverfahren und modellbasierter Auslegung entwickeln wir effiziente biomedizinische

Diagnosesysteme (Lab-on-a-chip oder micro total analysis systems (-TAS)) fr vielfltige

Anwendungen. Unsere Systeme ermglichen eine zeitnahe Analyse der Probe im Hinblick auf

biologische Organismen bzw. deren Bausteine oder Stoffwechselprodukte direkt vor Ort am

Point of Care bzw. Point of Use.

Der Bereich Zukunftstechnologien wird am ICT-IMM von zwei Themen geprgt: Geschfts-

feldentwicklung und Simulation. Damit wird die Entwicklung zielgerichteter Manahmen zur

Weiterentwicklung des ICT-IMM mit der Mglichkeit verknpft, diese vor ihrer Implementierung

auf Herz und Nieren zu testen. Fr eine aktive Gestaltung der Zukunft als Fraunhofer-Institut

verfgt das Team sowohl ber die wissenschaftliche Expertise als auch ber die enge Vernet-

zung in der Forschungslandschaft.

1 Das ICT-IMM in Mainz.

Kontakt: Prof. Dr. Michael Maskos Telefon +49 6131 990-100 michael.maskos@imm.fraunhofer.de

3 4

Im vergangenen Jahr hat s ich die Fraunhofer Projektgruppe Neue Antr iebssysteme NAS kont inuier l ich

weiterentwickelt . Neben Versuchen auf dem eigenen Motorenprfstand wurde fr die notwendige Vor-

und Nachbereitung der Versuche eine e igenstndige Werkstatt aufgebaut. Zustz l ich zum bereits be-

stehenden Motorenprfstand wurden des Weiteren P lne fr die Anschaffung eines Heigasprfstandes

im Folgejahr abgeschlossen. Auerdem konnten die Vorbereitungen fr die erste Zwischenevaluat ion der

Projektgruppe Neue Antr iebssysteme begonnen werden.

FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE NEUE ANTRIEBSSYSTEME NAS

Projektbeteiligung und Clusterarbeiten

Zustzlich zur Akquisition und Bearbeitung von ffentlich gefrderten Projekten (Land BW und

Bund) hat sich die Projektgruppe NAS in den landesweiten Clusterinitiativen wie dem Spitzen-

cluster Elektromobilitt Sdwest und dem Schaufenster Living-Lab engagiert. Innerhalb

dieser Clusterinitiativen beteiligt sich die Projektgruppe NAS an unterschiedlichen Projekten im

Bereich der Erforschung von Range Extender Technologien sowie der Realfahrdatenerfassung

bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen. Zusammen mit dem starken Engagement der Projekt-

gruppe innerhalb des Fraunhofer Innovationsclusters REM 2030 sind diese Clusteraktivitten

wichtig, um innovative Technologien zu entwickeln, zu validieren und vor allem um Netzwerke

und Kontakte im Bereich der Elektromobilitt weiter auszubauen.

Neben der weiteren Vernetzung und der Zusammenarbeit mit externen Partnern in Verbund-

forschungsvorhaben und bilateralen Projekten wurde auch die Zusammenarbeit mit den

Mutterinstituten im vergangenen Jahr intensiviert. So konnten unter anderem in den Bereichen

Restwrmenutzung und Leichtbau im Antriebsstrang gemeinsame Forschungsarbeiten

durchgefhrt und verffentlicht werden. Im Bereich Blockheizkraftwerke wurde beispiels-

weise ein Zeolith-Langzeit-Wrmespeicher fr ein innovatives Mini-Blockheizkraftwerk-System

entwickelt.

Auch die Vernetzung der Projektgruppe NAS mit anderen Fraunhofer-Instituten stand im

vergangenen Jahr im Fokus. So ist es gelungen, in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE

in Freiburg einen erfolgreichen WiSA Antrag zu stellen. Im Rahmen des Fraunhofer-internen

Vorlaufforschungsprojektes sollen sowohl simulative als auch experimentelle Arbeiten fr

innovative Kraftstoffverdampfer fr ein HCCI-Brennverfahren durchgefhrt werden.

P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T

3 5

1

Ausbau der Prfstnde und Infrastruktur

Bei der Infrastruktur hat die Projektgruppe NAS im Jahr 2013 eine groe Weiterentwicklung

erlebt. Zustzlich zum bereits vorhandenen Motorenprfstand wurde die Planung zur Be-

schaffung eines eigenstndigen Heigasprfstandes abgeschlossen. Fr diese Investition wurde

ein Antrag auf EFRE Mittel gestellt und genehmigt. Der Prfstand soll verwendet werden, um

Forschungsarbeiten im Bereich der Restwrmenutzung durchzufhren. Ein mgliches For-

schungsgebiet ist die Entwicklung und Erprobung von mobilen Restwrmenutzungssystemen

wie zum Beispiel Turbogeneratoren, welche die thermische Energie aus dem Abgas eines

Verbrennungsmotors mittels eines hochdrehenden Generators in elektrische Energie wandeln

sollen. Diese Technologie wird zuknftig unter anderem in hybriden Antrieben Anwendung

finden. Der Prfstand soll als eigenstndiger Containerprfstand auf dem KIT Campus Ost

aufgebaut und in Betrieb genommen werden.

Aufbau NAS eigener Werkstattcontainer

Um Vor- und Nachbereitung fr Prfstandsversuche durchfhren zu knnen, ist im vergange-

nen Jahr ein eigener Werkstattcontainer eingerichtet worden. Der zweistckige Containerbau

besteht aus einem reinen Werkstattbereich im Erdgeschoss, in welchem Arbeiten an unter-

schiedlichen Antriebskomponenten bis hin zu Fahrzeugvorbereitungen vorgenommen werden

knnen. Im Obergeschoss des Containers befinden sich weitere Arbeitspltze fr Laborversuche

und hier insbesondere fr Arbeiten im Bereich der E-Competence. Hier wird unter anderem

an Zentralsteuerungssystemen fr konventionelle und elektrifizierte Antriebsstrnge sowie an

Leistungselektronik fr batterieelektrische Fahrzeuge gearbeitet.

1 NAS-Heigasbrenner-

prfstand am KIT Campus

Ost (Hersteller: Kratzer

Automation AG).

Kontakt: Dr.-Ing. Hans-Peter Kollmeier Telefon +49 721 9150-3811 hans-peter.kollmeier@ict.fraunhofer.de

3 6

FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE FUNKTIONSINTEGRIERTER LEICHTBAU FIL

Voraussetzung fr die Nutzung dieses enormen Leichtbaupotenzials sind neue Konzepte, die

eine faser- und textilgerechte konstruktive Gestaltung, neuartige Bauweisen, aber auch neue

Struktur- und Werkstoffkonzepte sowie groserienfhige und ressourceneffiziente Fertigungs-

technologien mit hohem Automatisierungsgrad einschlieen.

Die Fraunhofer-Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL des Fraunhofer ICT nimmt

sich unter der Leitung von Professor Dr. Klaus Drechsler (Lehrstuhl fr Carbon Composites der

TU Mnchen) und Professor Dr. Frank Henning (Lehrstuhl fr Fahrzeugleichtbau KIT Karlsruhe)

diesem Auftrag gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten der Region

Augsburg und darber hinaus an. Ziel ist die anwendungsorientierte Forschung auf dem

Gebiet der ressourceneffizienten Bauweisen und Fertigungstechnologien fr Hochleistungs-

faserverbundstrukturen im Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau. Dabei steht sowohl die

Generierung von Grundlagen Know-how als auch die Verbesserung der Wettbewerbsfhigkeit

der Industriepartner durch die Realisierung optimierter, nachhaltiger Produkte im Hinblick

auf den Gesamtlebenszyklus und die Erschlieung neuer Anwendungsgebiete im Fokus. Hier

liegen auch die Schwerpunkte der Projektgruppe, welche sich entlang der gesamten Wert-

schpfungskette orientieren. Sie reichen von der Simulation und Berechnung von Bauteilen aus

CFK ber online-fhiges Prozessmonitoring, Materialentwicklung und -charakterisierung bis hin

zu automatisierbaren Herstellungsprozessen und einem an die Nutzungsphase entsprechender

Produkte anschlieenden Recyclingprozess. Ein weiterer Aspekt, der alle Entwicklungsbereiche

und Teilprozesse umspannt, ist die Bewertung der Nachhaltigkeit und die Identifikation von

Optimierungsanstzen mittels ganzheitlicher Bilanzierung.

Leichtbau gehrt im Zeichen eines ste igenden Umweltbewusstse ins und schwindender Ressourcen zu den

wicht igsten Zukunftstechnologien im F lugzeug-, Fahrzeug- und Maschinenbau. E ine besondere Rol le

kommt hierbei den Hochle istungsfaserverbundwerkstoffen zu, d ie nicht nur das hchste Leichtbaupoten-

z ia l , sondern gle ichzeit ig v ie lf l t ige funkt ionale Vorte i le b ieten. Die grte Bedeutung haben hierbei

kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe mit belastungsgerecht gesta l tbarer Endlosfaserverstrkung, die

gegenber Aluminium ein Leichtbaupotenzia l von bis zu 30 Prozent und gegenber Stahl von 60 Prozent

aufweisen. Aber auch Metal l -Faserverbund-Hybr idbauweisen bieten unter dem Motto das Beste mit dem

Besten verbinden in v ie len Anwendungsbereichen ein hohes Potenzia l .

P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T

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1

Die im Februar 2009 gegrndete Projektgruppe ist mittlerweile auf 45 Mitarbeiter angewach-

sen, die zustzlich von etwa 20 wissenschaftlichen Hilfskrften bei der Bearbeitung der Projekte

untersttzt werden. Im Februar 2013 ist das Forschungsteam in das neue Institutsgebude am

Technologiezentrum in Augsburg gezogen. Der Neubau stellt auf fnf Etagen rund 1.900 qm

gut ausgestattete Bros und Laboratorien sowie ein eigenes Technikum mit rund 1.200 qm zur

Verfgung. Der Ausbau des Technikums und die Installation der Groanlagen erfolgte im ersten

Quartal 2013. Als erstes wurden die FiberForge- und die Pultrusionsanlage von Pfinztal nach

Augsburg umgezogen und bei der Pultrusionsanlage die Khlstrecke verlngert. Im Anschluss

fand der Umzug der AFP-Anlage (Coriolis) vom Universittsgebude in das Technikum statt. Zur

Verarbeitung von thermoplastischen Matrixsystemen wurde die AFP-Anlage um eine Laseranla-

ge erweitert. Auch das Gefahrstofflager, welches sich im Technikum befindet, wurde in Betrieb

genommen. Der Freistaat Bayern stellt fr den Aufbau der Fraunhofer-Einrichtung und Projekt-

gruppe 22 Millionen Euro zur Verfgung, die Stadt Augsburg beteiligt sich mit 3,5 Millionen Euro,

das BMBF mit 3,5 Millionen Euro und die Europische Union (Investition in Ihre Zukunft,

Europischer Fonds fr regionale Entwicklung) mit 3,9 Millionen Euro am neu errichteten

Fraunhofer-Gebude.

Die Ansiedlung der Projektgruppe in Augsburg mit dem Ziel der Etablierung eines ent-

sprechenden Fraunhofer-Instituts ist der konzentrierten Aktion vieler Krfte der Region und

darber hinaus zu verdanken, insbesondere auch dem Bayerischen Wirtschaftsministerium, den

im Carbon Composite e.V. organisierten Firmen, der Industrie- und Handelskammer Schwaben,

dem Institut fr Physik der Universitt Augsburg und natrlich der Stadt Augsburg.

Im Juni wurde die Projektgruppe durch ein Expertenteam aus Wissenschaft und Industrie eva-

luiert. Das Ergebnis war sehr positiv und man bescheinigte dem FIL eine sehr gute Vernetzung

mit der Industrie sowie ein starkes wissenschaftliches Profil, das sich auch in der Struktur und

der Kompetenz der Mitarbeiter widerspiegelt.

1 Die Fraunhofer-Projekt-

gruppe FIL in Augsburg.

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler Telefon +49 821 90678-200 klaus.drechsler@ict.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Telefon +49 721 4640-420 frank.henning@ict.fraunhofer.de

AUSGEWHLTE PROJEKTE

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NUTZUNGSDAUER VON TREIB- UND EXPLOSIVSTOFFENAlterung und Stabi l i tt s ind best immend fr die Nutzungsdauer von Treib- und Explos ivstoffen. Wesent l i -

che Z ie lsetzungen des Forschungsschwerpunkts Alterung/Stabi l i s ierung/Kompatibi l i tt im Produktbereich

Energet ische Mater ia l ien s ind das Ident if iz ieren von Alterungsursachen, die Best immung des Alterungs-

zustands und der Mechanismen, die Voraussage der Nutzungsdauer der Mater ia l ien unter vorgegebenen

Einsatzbedingungen und schl iel ich die Entwicklung von Stabi l i s ierungsmanahmen von Explos ivstoffen,

d ie beispie lsweise in das chemische Reakt ionsgeschehen eingreifen. Insgesamt sol l durch die Analyse der

Alterung und die Ver lngerung von Nutzungsdauern e ine Kostenreduzierung erre icht werden bei g le ich-

ble ibenden oder gar erhhten Sicherheitsstandards.

Zur Bearbeitung der Aufgaben steht eine breite Palette analytischer Methoden zur Verfgung,

hierunter hochempfindliche Mikrokalorimeter und ein adiabatisches Reaktionskalorimeter. Diese

werden ergnzt durch Einrichtungen zur beschleunigten Alterung, kinetische Analysen und

computergesttzte Simulationsverfahren molekularer Wechselwirkungen. Die Forschungs- und

Entwicklungsarbeiten werden anhand von zwei aktuellen Projekten vorgestellt:

Insensitive Munition und Alterung

Von unempfindlicher Munition verspricht man sich eine Verringerung von Kollateralschden,

die beispielsweise bei Brnden oder bei Beschuss der eigenen mitgefhrten Munition verursacht

werden. Im Rahmen des Projekts Insensitive Munitions & Ageing der Europischen Verteidi-

gungsagentur (EDA) wird untersucht, wie Sprengstoffe mit verminderter Empfindlichkeit im

Vergleich zu Standardprodukten altern. Insbesondere interessiert, ob eine reduzierte Empfind-

lichkeit bei der Alterung erhalten bleibt. In dem Projekt arbeiten sechs europische Nationen

zusammen: Frankreich (projektleitend), Deutschland, die Niederlande, Schweden, Finnland und

die Tschechische Republik. Das Fraunhofer ICT untersucht in diesem Rahmen zusammen mit

dem Deutsch-Franzsichen Forschungsinstitut Saint-Louis (ISL) das Alterungsverhalten von vier

Sprengladungen mit einem kristallinen Explosivstoffgehalt von 75 bis 80 % RDX und 20 bis 25 %

Binder. Hierzu wurden zwei Formulierungen mit einem Standardbinder und zwei mit einem

energetischen Binder im Fraunhofer ICT gefertigt, je eine mit einer unempfindlichen und eine

mit einer Standardvariante des eingebundenen kristallinen Explosivstoffs. Die Explosivstoff-

varianten und die Formulierungen wurden in Luft und in Argon bei Temperaturen bis zu

90 C und bis zu 60 Tagen gelagert, was einer Alterung von bis zu 25 Jahren bei 25 C

entspricht. Die Charakterisierung beinhaltet thermische und mechanische Analysen,

A U S G E W H L T E P R O J E K T E

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1 2

1 Prfapparatur zur

Vakuumstabilitt.

2 Einbringen einer Probe

in ein Mikrokalorimeter

(HFMC).

Strukturuntersuchungen des kristallinen Explosivstoffs und die Feststellung der Schockempfind-

lichkeit der Formulierungen in Beschussversuchen. Die Untersuchungen ergaben signifikante

Unterschiede insbesondere im thermischen Verhalten und in der Kristallqualitt des Explosiv-

stoffs, die auf Schdigungen und Alterung der eingebundenen Kristalle bei den Standardexplo-

sivstoffen hinweisen, nicht jedoch bei den insensitiven Varianten. Die Alterungserscheinungen

hatten aber keinen Einfluss auf die Schock- und Beschussempfindlichkeit der Sprengladungen.

Damit belegen die Untersuchungen im Rahmen des betrachteten Alterungsszenarios ins-

gesamt ein zeitlich stabiles Verhalten der insensitiven Sprengstoffvarianten und den Erhalt

der reduzierten Empfindlichkeit nach Alterung. Somit ist der Einsatz von Komponenten mit

verbesserter Mikrostruktur auch bezglich der Nutzungsdauer von unempfindlicher Munition

erfolgversprechend. Zudem kann die entwickelte Analytik auch in zivilen Forschungsbereichen,

wie in der Pharmaindustrie, eingesetzt werden.

Monitoring der Alterung von Treibstoffen in Raketenmotoren

Der wichtigste chemisch bedingte Alterungsvorgang von Komposit-Raketenfesttreibstoffen ist

die oxidative Hrtung, wodurch der Festtreibstoff an Dehnungskapazitt verliert. Bei Tempera-

turwechsellast kommt es zu Spannungszustnden bei der Anhaftung des Festtreibstoffs an der

Motorhlle und zu Ringspannungen im Zentrum des Festtreibstoffs, wenn eine Innenbohrung

vorliegt. Nach Alterung knnen diese Spannungen die Dehnfhigkeit bersteigen, so dass es

zu Rissbildung oder Ablsung kommt, welche zu einem unkontrollierten Abbrand bis hin zur

Zerstrung des Triebwerks fhren knnen. Mithilfe einer geeigneten Sensorik knnen Dehn-

fhigkeit und Rissbildung im Festtreibstoff detektiert werden. Damit knnte die Nutzungsdauer

individuell fr jeden Raketenmotor optimiert werden zudem zerstrungsfrei wodurch

erhebliche Kosten eingespart wrden.

Am Fraunhofer ICT wird daher das in-situ-Monitoring der Alterung von Raketenfesttreibstoffen

untersucht. Hierzu sollen mit adaptierter Sensorik Spannung und Temperatur registriert und

bewertet werden. Bislang wurden Konzepte fr die Adaption der Sensorik in Modellraketen-

motoren erarbeitet und vier Modellmotoren mit Sensoren bestckt. Begleitend wurde das Aus-

und Nachhrteverhalten von Testtreibstoffen in speziell hierfr entwickelten Druckaushrtungs-

ampullen und Mikrokalorimetern untersucht und modelliert. Die Untersuchungen zu diesem

Projekt sind noch im Gange. Sie sollen insgesamt die Machbarkeit fr ein Alterungsmonitoring

in Raketenmotoren nachweisen, welches auch Voraussagen zur Restnutzungsdauer ermglicht.

Kontakt: Dr. Manfred A. Bohn Telefon +49 721 4640-162 manfred.bohn@ict.fraunhofer.de

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SCHNELL AUFBLASBARES UND MOBILES SCHUTZSYSTEM GEGEN BALLISTISCHE BEDROHUNGEN RAPTORZie l des Projektes war die Entwicklung einer mobi len, schnel l e insetzbaren und aufblasbaren Struktur mit

bal l i s t i schem Schutz. Der Schwerpunkt bei der Entwicklung lag hierbei auf dem Schutz von Einzelpersonen

oder Kle ingruppen bis zu 3 Personen. Das System kann beispie lsweise zur Verbesserung der a l lgemeinen

Sicherheit von Veranstal tungen oder dem Schutz von Mitarbeitern von Hi lfsorganisat ionen in Kr isenregio-

nen eingesetzt werden.

Die Grundidee des Projektes basiert auf der Kombination von einer schnell aufblasbaren

Struktur, wie sie zum Beispiel von der Airbag Technologie bekannt ist, mit einer flexiblen ballis-

tischen Schutzstruktur auf Basis von Textilien. Insbesondere die durch die Hochleistungstextilien

erreichte Flexibilitt dieser ballistischen Struktur in Form eines Pakets stellt einen innovativen

Ansatz gegenber den bisher eingesetzten schweren und steifen Panzerungen auf Basis von

Metallen oder Faser-Kunststoff-Kompositen dar.

Die Definition der Bedrohungsszenarien fr dieses System erfolgte durch das deutsche Bundes-

kriminalamt (BKA) auf Basis der Erfahrungen und Wnschen des Bereiches Personenschutz. Als

relevante Bedrohungen wurden Handfeuerwaffen und unkonventionelle Spreng- und Brandvor-

richtungen identifiziert. Die daraus abgeleiteten Anforderungen sind zum Beispiel:

JJ neutrales Erscheinungsbild des betriebsbereiten Sicherheits-KitsJJ transportabel in Flugzeugen, Kraftfahrzeugen und SchiffenJJ geringes GewichtJJ Schutzraum halbkreisfrmig mit einer Flche von ca. 4 mJJ Schutz fr 2-3 PersonenJJ stabile Position nach dem Entfalten bei gleichzeitiger MobilittJJ Schutzvorrichtung entfaltet sich mit Airbag-GeschwindigkeitJJ unempfindlich gegenber extremen TemperaturschwankungenJJ Minimierung der Gefahr beim Entfalten (zum Beispiel Verbrennungen, Lrmentwicklung)JJ wiederverwendbar (zum Beispiel zu bungszwecken)JJ einfache Wartung

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BILDREIHE

High-Speed-Kamera-

Momentaufnahmen von

ballistischen Tests am

Fraunhofer ICT.

Die beiden wesentlichen Komponenten des Schutzsystems sind das ballistische Paket sowie

die aufblasbare Sttzstruktur mit dem Gasgenerator. Die Entwicklung des ballistischen Pakets

erforderte die Charakterisierung der Leistung nicht nur von unterschiedlichen Fasermaterialien

sondern auch der Webarten, um hohe ballistische Schutzwirkung mit gleichzeitiger Flexibilitt

zu ermglichen. Die Fasermaterialien wurden anhand der folgenden Kriterien ausgewhlt:

JJ hohe mechanische Kennwerte (zum Beispiel Zugmodul oder Zugspannung)JJ groe Toleranz gegen Faserschdigungen durch Falten bzw. KnickenJJ niedrige spezifische DichteJJ widerstandsfhig gegen hohe Temperaturen und Umwelteinflsse

In einer Vielzahl von Beschussversuchsserien wurden der Einfluss der genannten Parameter

sowie die Anzahl der bentigten Gewebelagen untersucht. Als bester Kompromiss zwischen

ballistischer Schutzwirkung, Flexibilitt, Flchengewicht und Kosten wurde P-Aramid bekannt

unter den Handelsnamen Kevlar oder Twaron ermittelt.

Den zweiten Schwerpunkt der Arbeiten stellte die Entwicklung der aufblasbaren Sttzstruktur

sowie des pyrotechnischen Gasgenerators dar. Die zum Aufblasen der Schlauchstruktur not-

wendige Gasmenge wird dabei von einem pyrotechnischen Kaltgasgenerator bereitgestellt.

Aufgrund dieser spezifischen Anforderungen an den Gasgenerator wurde eine spezielle

pyrotechnische Mischung entwickelt, die sich durch eine relativ niedrige Abbrandtemperatur

bei gleichzeitig hoher Gasausbeute auszeichnet. Die entwickelte Schlauchstruktur ist in der

Lage, ein ballistisches Paket mit einem Gewicht von bis zu 60 kg innerhalb von ca. 300 ms

aufzurichten und fr mehr als 15 Minuten stabil zu tragen.

Das Gesamtsystem wurde im Rahmen einer letzten Versuchsserie von Ballistikexperten des

BKA erfolgreich getestet.

Das Projekt war Teil des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms mit der Grant Agreement Nr.:

218259 und wurde durch die Research Executive Agency (REA) betreut. Das Projektkonsor-

tium setzte sich aus den Partnern Bundeskriminalamt (D), EXPLOSIA as (CZ), Valmiera Glass

Ltd. (UK), Dr. Lange GmbH (D) und dem Fraunhofer-Institut fr Chemische Technologie (D)

zusammen.

Kontakt: Dr. Jochen Neutz Telefon +49 721 4640-314 jochen.neutz@ict.fraunhofer.de

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BRENNSTOFFZELLE ALS RANGE EXTENDER FR EIN ELEKTROFAHRZEUGIm Rahmen des Innovat ionsc lusters Regional Eco Mobi l i ty REM 2030 arbeiten das Fraunhofer ICT, das

Fraunhofer IWM, die Fraunhofer-Projektgruppe Neue Antr iebssysteme NAS sowie e in ige Inst i tute des

Kar lsruher Inst i tuts fr Technologie KIT mit verschiedenen deutschen und europischen Industr iepartnern

zusammen, um unter anderem die Chancen neuer Technologien zur Erhhung der Reichweite sowie deren

Integrat ion in zuknft ige E lektrofahrzeuge zu demonstr ieren.

Das Projekt REM 2030 ist ein Baustein zur Entwicklung der Mobilitt von morgen, welches von

der Fraunhofer-Gesellschaft und vom Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Wrttemberg

gefrdert wird. Das Projekt steht unter dem Leitthema einer effizienten, regionalen Individual-

mobilitt im Jahr 2030. Das interdisziplinre Team aus Baden-Wrttemberg entwickelt, bewer-

tet und demonstriert ganzheitliche Konzepte fr eine effiziente regionale Individualmobilitt der

Zukunft. Die Betrachtung eines systemischen Ansatzes, der die Themen Fahrzeug, Infrastruktur

und neue Geschftsmodelle verbindet, ist hierbei zentral.

Innerhalb des Kernthemas Hardware werden unter anderem innovative Antriebstopologien

entwickelt und demonstriert. Dazu gehrt auch der Einsatz von Methanol-betriebenen

Brennstoffzellen als Reichweitenerweiterungsmglichkeit (Range Extender) in Elektroautos. Die

sogenannte Reformed-Methanol-Fuel-Cell (RMFC) ist ein System mit attraktivem elektrischen

Wirkungsgrad und Leistungsdichte, welches sich gut dafr eignet, die Reichweite von batterie-

elektrischen Fahrzeugen zu erweitern. Im Rahmen des Projektes stellt die Gesamtbetriebsstra-

tegie des Fahrzeuges einen zentralen Punkt in der Entwicklung des Demonstrator-Fahrzeuges

dar. Weiterhin ist es ein wesentliches Ziel des Projektes, ein integriertes, intelligentes und

aktives Thermomanagementsystem zu demonstrieren. Hier bietet die RMFC Technologie viele

Vorteile, insbesondere die Mglichkeit, nicht nur die Reichweite, sondern auch die Komfort-

eigenschaften von Elektrofahrzeugen zu verbessern. So kann mit einer Tankfllung Methanol

die Reichweite des Elektrofahrzeuges um mehrere hundert Kilometer erweitert werden, wobei

ein wesentlicher Vorteil gegenber der konventionellen Wasserstoff-Brennstoffzelle die schnelle

und einfache Betankung mit Methanol sowie dessen hohe volumetrische Speicherdichte ist. Die

Integration des Systems mit der Brennstoffzelle vom Hochtemperatur-Polymerelektrolytmem-

brantyp (HT-PEMFC) ermglicht zudem die effiziente Nutzung der Abwrme zur Innenraum-

beheizung und generelles aktives Thermomanagement innerhalb des Fahrzeuges.

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1+2 Verbundfasertrger-

kiste zum Heckeinbau des

BZ-Range-Extenders ins

Fahrzeug und der projek-

tierten Einbauposition im

Heckbereich des AUDI A1

Demonstrationsfahrzeugs.

Anhand des von der Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS entworfenen und aufgenom-

menen REM2030 Fahrzyklus konnte in der Simulation ein erstes Konzept zur Nutzung des

ausgewhlten Brennstoffzellensystems entwickelt werden. Im Diagramm ist der Ladezustand

der Batterie im Verlauf der im REM2030 Fahrzyklus gefahrenen Kilometer dargestellt. Zum

einen ist durch die Kurve a die Entladung der Batterie ohne und zum anderen durch Kurve b

ein Beispiel fr den Entladeverlauf mit Range Extender in Abhngigkeit des Batterieladezu-

stands dargestellt. Der durchschnittliche Leistungsbedarf eines Referenzfahrzeugs auf diesem

REM2030-Fahrzyklus betrgt etwa 3,4 kWel und kann wie Kurve b zeigt von dem gewhl-

ten Range Extender abgepuffert werden. Dies besttigt, dass mit Hilfe des Range Extenders in

der gewhlten Leistungsklasse und bei ausreichender Tankgre die Reichweite des Fahrzeugs

auf die von konventionellen Automobilen gesteigert werden kann.

Die aktive Einbindung aller Komponenten (Batterie, Brennstoffzelle, Leistungselektronik,

Wrmemanagement) in das Gesamtfahrzeug erfolgt elektrisch, thermisch und informations-

technisch. Die thermische Einbindung bedeutet zum Beispiel eine Optimierung der Batterie-

khlluftverteilung im Fahrzeug, die Nutzung von Abwrmen zur Batterietemperierung oder

ein effizientes