Öffentlich geförderte Projekte

Thema

AkLo-Nat: Aktivlote für niedrige Arbeitstemperaturen

 

Im Rahmen des Projekts soll ein Lötverfahren für das Fügen verschiedener Keramiken und von Keramiken mit metallischen Werkstoffen entwickelt werden. Dies bietet die Möglichkeit, unikale Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil zu vereinen. Neben der Funktionalität kann in besonderem Maße die Lebensdauer von Leichtbaukomponenten, durch die hohe mechanische und thermische Stabilität der Keramik, erweitert werden. Bisher werden relativ hohe Fügetemperaturen benötigt, die den Einsatz einer günstigen Lottechnologie für zahlreiche Werkstoffkombinationen verhindert. Herausforderungen, die es technisch zu lösen gilt, sind große Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die begrenzte thermische Belastbarkeit der Leichtmetallkomponenten. Als wesentlichen Beitrag werden Lotwerkstoffe entwickelt, die einen Fügeprozess unter 600 °C ermöglichen. Die erforderliche Anbindung der Lote an die Keramikoberfläche soll durch Zusätze, die reaktive Prozesse innerhalb des Lotes initiieren, oder eine vorausgehende Oberflächenaktivierung abgesichert werden. Anhand von Festigkeitsmessungen an Aluminiumoxidverbunden wird die erzielte mechanische Stabilität bewertet. Die Messung der Gasdichtigkeit soll klären, inwieweit das Lötverfahren für die Herstellung komplexer Komponenten der Vakuumtechnik genutzt werden kann.

 

Finanzierung: AiF Projekt GmbH

Projektzeitraum: Februar 2019 bis Januar 2021

Projektpartner:

  • Alumina Systems GmbH
  • LOT-TEK GmbH

AMTEC-D: Entwicklung eines Alkalimetall-Konverters zur hocheffizienten Direktumwandlung von Wärme in elektrischen Strom
 

Teilprojekt: Materialtechnische Entwicklung von Schlüsselkomponenten des Alkalimetall-Konverters

Das Ziel des Verbundvorhabens ist es, unter Nutzung neuartiger keramischer Werkstoffe und innovativer Laserverfahren einen hocheffizienten, umweltfreundlichen und wirtschaftlich wettbewerbsfähigen Alkalimetall-Konverter (Alkali-Metall-Thermo-Electrical-Converter = AMTEC) zu entwickeln. AMTEC ist eine innovative Technologie mit der Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Als Wärmequelle kann die Abwärme aus technologischen Prozessen, Wärme aus Solar-Receivern, Abwärme aus Kraftfahrzeugmotoren oder Wärme, die bei der Wasserstoffherstellung entsteht, genutzt werden. Ein AMTEC trägt somit zur effizienten Nutzung von Abwärme bei.

Das Teilprojekt des Fraunhofer IKTS trägt zur Lösung folgender Aufgabenstellungen bei:

  1. Materialtechnische Entwicklung der keramischen Membran, der Kontaktierungsmatrix und der Elektroden
  2. Adaptierung von Fertigungstechnologien zur Herstellung der keramischen Komponenten
  3. Aufbau und Test der Membran unter einsatzrelevanten Bedingungen

Finanzierung: SAB/EFRE

Projektzeitrum: März 2017 bis Februar 2020

Projektpartner:

  • Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
  • Technische Universität Dresden – Institut für Automobiltechnik Dresden (IAD)
  • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – Institut für Fluiddynamik (HZDR)
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Keramik, Glas, und Baustofftechnik (IKGB)

DELTA: Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese
 

Teilprojekt: Werkstoffentwicklung und Komponentenherstellung, Protonenleiter

Das Ziel des Verbundvorhabens DELTA ist die Entwicklung einer protonenleitenden Hochtemperatur-Elektrolysezelle. Im Gesamtsystem soll hochreiner Wasserstoff elektrolytisch erzeugt und mit Kohlendioxid aus anderen Prozessen für die integrierte Kohlenwasserstoffsynthese zur Verfügung gestellt werden. Das Gesamtsystem ermöglicht somit die Umwandlung von generierter elektrischer Energie in chemische Energie und trägt zu einer zuverlässigen und kosteneffizienten Energiespeicherung bei. Gleichzeitig ermöglicht das System die Verwertung von CO2-Emissionen.

Das IKTS arbeitet an der werkstofflichen Schlüsselkomponente des Gesamtvorhabens. Die Entwicklung effizienter und wirtschaftlich herstellbarer keramischer Protonenleiter ist werkstoffliche Voraussetzung für das Gesamtkonzept.

Aktuelle Arbeiten und Ergebnisse: Am IKTS werden protonenleitende Perovskite auf Basis von Bariumzirkonat (BaZrO3) und Bariumcerat (BaCeO3) hergestellt und charakterisiert.

Finanzierung: SAB/EFRE

Projektzeitraum: September 2016 bis April 2020

Projektpartner:

  • Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
  • Technische Universität Dresden – Professur für Technische Thermodynamik (TUD-TTD)
  • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – Institut für Fluiddynamik (HZDR)
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Technische Chemie (TUBAF-ITC)
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik (TUBAF-IKGB)

Entwicklung von kostengünstigen alpha-Sialon-Werkstoffen und prototypischen Bauteilen mit gesteigerter Härte und Verschleißfestigkeit auf Basis einer wässrigen Aufbereitungstechnologie sowie kostengünstiger Siliciumnitridpulver

 

Das Forschungsziel ist die Entwicklung kostengünstiger alpha/beta-Sialon-Werkstoffe und prototypischer Bauteile mit gesteigerter Härte und Verschleißfestigkeit auf Basis einer wässrigen Aufbereitungstechnologie sowie kostengünstiger Siliciumnitrid-Pulver.

Die Herstellung von Sialon-Werkstoffen ist für KMUs nicht ohne weiteres umzusetzen, da die Hydrolyseempfindlichkeit des Additives AlN die wässrige Aufbereitung erschwert. Die lösemittelbasierte Herstellung ist aufgrund eines hohen Explosions- und Arbeitsschutzaufwands für KMUs meist nicht umsetzbar. Der Lösungsweg zur Entwicklung einer wässrigen Aufbereitungstechnologie umfasst die Optimierung der Prozessparameter (pH-Wert, Mahlparameter) und die Passivierung des AlN mit oberflächenaktiven Substanzen, um die Hydrolyse des AlN zu minimieren. Der Lösungsweg zur Herstellung hochwertiger Sialon-Werkstoffe aus kostengünstigen Si3N4-Pulvern umfasst die Entwicklung einer robusten Legierungszusammensetzung. Dafür werden Proben im alpha- und alpha/beta-Sialon-Phasengebiet hergestellt und charakterisiert sowie Sinterregime angepasst.

Angestrebte Ergebnisse sind: Die Minimierung der Hydrolyse des AlN bei der wässrigen Aufbereitung und darauf aufbauend, eine kleintechnische wässrige Aufbereitungstechnologie für Sialon-Werkstoffe im 3–5 kg Maßstab. Aus kostengünstigen Si3N4-Pulvern werden Sialon-Werkstoffe und –Bauteile mit hoher Härte (>1850 HV10), Festigkeit (>800 MPa) und Zähigkeit (>5 MPa*m1/2) hergestellt.

Der Nutzen für KMUs ist, dass sie die wässrige Aufbereitungstechnologie übernehmen und die Herstellung von Sialon-Bauteilen in ihre Geschäftsaktivitäten aufnehmen können. Durch Verwendung kostengünstiger Si3N4-Pulver können KMUs hochwertige Sialonprodukte zu günstigeren Preisen anbieten und neue Märkte erschließen. Maschinenbau-KMUs können mit den Sialon-Bauteilen kosteneffizientere Lösungen und Anwendungen umsetzen, bei denen Nitrid-Werkstoffe vorher nicht eingesetzt wurden.

 

Finanzierung: IGF-Vorhaben-Nr. 20076 N

Das IGF-Vorhaben 20076 N der Forschungsvereinigung Deutsche Keramische Gesellschaft wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Projektzeitraum: 01.11.2018 - 31.10.2020

ExtraHit-TC: Entwicklung und Validierung einer Herstellungsmethode miniaturisierter und langzeitstabiler Thermoelemente für extrem hohe Temperaturen über 1800 °C

 

Moderne Industrieprozesse zeigen seit Jahren einen Trend zu steigenden Prozesstemperaturen. Beispielsweise die Herstellung von hochreinen Halbleiterkristallen, wie sie für Leistungs-, Konsum- oder Rechenelektronik in immer höherer Stückzahl benötigt werden, erfordern oft Prozesstemperaturen von >1600 °C. Zur optimalen und wirtschaftlichen Prozessführung sind hochexakte und zuverlässige Messapparaturen zur Temperaturüberwachung notwendig.

Ziel des Vorhabens ExtraHit-TC ist die Validierung eines Herstellungsverfahrens für hochinnovative Borcarbid-Temperatursensoren für den Einsatztemperaturbereich >1800 °C. Durch die keramischen Eigenschaften des Ausgangswerkstoffs und die gegenüber dem Stand der Technik enorme Verbesserung der Messwertauflösung bietet sich ein breites Anwendungsspektrum, vor allem für die Prozesstechnik der Hochtechnologien. Im Kerneinsatzgebiet der Kristallzucht für konventionelle und zukünftige Halbleiterwerkstoffe sind die vorliegenden Prozessanforderungen durch konventionelle Messlösungen nur unzureichend oder nicht erfüllbar. Durch das neuartige Sensorkonzept ergeben sich erstmalig Möglichkeiten zur definierten Prozesskontrolle auf deutlich höherem Niveau. Dieses eröffnet Möglichkeiten zur Optimierung von ökonomischen und ökologischen Kennwerten für solche Prozesse.

Zur Erreichung der Projektziele werden keramische Pulver zu Thermoelementschenkeln verarbeitet. Dazu sind Formgebungsverfahren, Sinterverfahren und hochtemperaturstabile Fügeverfahren zu validieren. Die realisierten Thermopaare können in Kombination mit einer innovativen Referenztemperaturstelle flexibel an spezifische Einsatzbedingungen angepasst werden und jeweils prozessoptimierte Genauigkeit, Auflösung des Messsignals oder eine Verschiebung des Messbereichs erreichen. Dazu werden mittels Dickschichttechnik Heizstrukturen auf das keramische Ausgangsmaterial appliziert. Das gesamte Sensorkonzept wird anhand resultierender Demonstratoren durch Referenzofenfahrten bei >1800 °C mit konventionellen metallischen Thermoelementen verglichen und validiert. Basierend auf den Validierungsergebnissen werden Handlungsempfehlungen zu Herstellung, Einsatz, Prüfvorschriften und Normungsbedarf des neuartigen Sensorkonzeptes formuliert.

Finanzierung: BMBF / VIP+

Projektzeitraum: August 2018 bis Juli 2021

Projektpartner: keine

HT-Sens: Neuartige Borcarbid-Temperatursensoren für präzise Temperaturmessungen bis 2200 °C, Material- und Technologieentwicklung für Hochtemperatursensoren

 

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines langzeitstabilen und robusten Borcarbid-Thermoelements mit herausragender Messgenauigkeit und einer Erweiterung des Messbereichs auf extrem hohe Temperaturen >2000 °C. Durch die Nutzung von hochtemperaturstabilen Borcarbidkompositen kann die Zielstellung erreicht werden. Innerhalb des Vorhabens müssen kostengünstige Technologien zur Herstellung des Hochtemperatursensors und zum Aufbau eines zuverlässigen Messsystems mit dem Sensor entwickelt werden. Für die Funktionalität eines solchen Sensorsystems sind die Kombination des eigentlichen Borcarbidsensors mit neuartigen Dickschichtelementen für die Temperatur-Referenzstelle, die Entwicklung von angepassten Messstrategien und die sensorspezifische Integration in Wärmeprozessanlagen enstscheidend. Die genannten Aufgaben werden in den geplanten Arbeitspaketen adressiert.

Am Projektende sollen mit einem gemeinsam aufgebauten Versuchssensorsystem an einem anwendungsnahen Teststand Funktionalität, überlegene Präzision bei der Temperaturerfassung gegenüber dem Stand der Technik, Einsatzfähigkeit bei  Temperaturen >2000 °C und Robustheit des Messsystems demonstriert werden.

Finanzierung: AiF Projekt GmbH

Projektzeitraum: April 2018 – März 2020

Projektpartner:

  • TMG Temperaturmeßtechnik Geraberg GmbH
  • XERION BERLIN LABORATORIES® GmbH

Keramik im Triebwerk: Teilvorhaben geschlossene Prozesskette für die Herstellung von SiC/SiC Komponenten (Ker_Twk)

 

Zur Steigerung der Effizienz für ein umweltfreundliches Luftfahrtsystem (Flightpath 2050) sollen keramische Leichtbauwerkstoffe für thermisch höher belastbare, ungekühlte Strukturen und deren Integration, auch als hybride Sub-Komponenten im Triebwerk entwickelt werden.

Faserverstärkte Keramiken (CMC), oxidisch oder SiC/SiC, ermöglichen durch die geringe Dichte in Kombination mit hoher Temperaturstabilität Gewichtseinsparungen in den Komponenten um bis zu 40 % gegenüber metallischen Strukturen sowie eine Reduzierung des Kühlluftverbrauchs um ca. 10 %. Bei 50K höherer Einsatztemperatur über konventionellen Superlegierungen soll eine Lebensdauer von ca. 35.000 h erreicht werden. Ein wesentlicher Aspekt zur Herstellung von CMC-Bauteilen liegt in der prozesssicheren Beherrschung der Verbundwerkstoffe (AP2.2) sowie deren Endbearbeitung zur Erreichung der geforderten Bauteiltoleranzen und Integrität. Die Verfahrensweiterentwicklung schließt spanende Verfahren (bestimmte/unbestimmte Schneide), Fügeverfahren und notwendige Qualitätssicherungstechnologien ein.

Zur Erreichung der notwendigen Lebensdauer im Triebwerk sind die Adaption der Beschichtungswerkstoffe sowie die Anpassung der Beschichtungsverfahren in Wechselwirkung mit spezifischen Bauteilgeometrien erforderlich. Vor allem für die Anwendung von SiC/SiC-Werkstoffen sind Schichtsysteme essentiell (Schutz vor Oxidation, Korrosion, Erosion etc.).

Das IKTS beschäftigt sich in diesem Verbundprojekt mit den Themengebieten Faserbeschichtung, SiC/SiC-Matrix-Entwicklung und Bauteilbeschichtung.

Finanzierung: BMWi

Projektzeitraum: November 2017 bis Januar 2021

Projektpartner:

  • MTU Aero Engines AG
  • Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
  • Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
  • Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
  • Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

LasCer: Generative Verarbeitung von keramischen Faserverbundstrukturen mittels Lasertechnologie

 

Teilprojekt: Werkstoffentwicklung und -verarbeitung

 

Das Projekt dient der Untersuchung der Machbarkeit eines völlig neuartigen Verfahrens zur kostengünstigeren Herstellung von keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites, CMC). Dabei wird die gezielte Erforschung anwendungsorientierter keramischer Faserverbundwerkstoffsysteme in Bezug auf die Verarbeitbarkeit mittels Lasertechnologie, sowie die Bestimmung der resultierenden Materialkennwerte (Gefügehomogenität, mechanische Eigenschaften bei Raum- und Hochtemperatur, u.a.) adressiert. Im Fokus steht dabei neben der Validierung der Werkstoffeignung für den Luft- und Raumfahrtsektor die Herleitung von belastungsgerechten und (leichtbau-)optimierten Entwurfsverfahren von langfaserverstärkten CMC-Bauteilen. Im Zuge der Untersuchung des Fertigungsprozesses im Hinblick auf sein Parameterspektrum und die Automatisierbarkeit soll die Datenbasis von CMC-Materialien erweitert und ein Demonstratorobjekt vorbereitet werden.

 

Finanzierung: BMBF (Agent3D)

Projektzeitraum: April 2019 bis März 2021

Projektpartner:

  • Space Structures GmbH
  • Axial Ingenieurgesellschaft mbH
  • Fraunhofer Institut für Werkstoff-und Strahltechnik (IWS)

Neue spritzgegossene Keramikelektroden auf Titanoxidbasis für Atmosphärendruck-Plasmageräte

 

Ziel des Vorhabens ist eine abgestimmte Entwicklung von langzeitstabilen keramischen Elektroden für den Einsatz in Atmosphärendruck-Plasmageräten. Dazu soll der elektrische Widerstand von Titanoxiden so modifizierbar werden, dass Leitung und Isolation nur mit Titanoxiden verfügbar ist. Zur Formgebung der komplex gebauten Elektroden soll eine Zweikomponenten-Spritzguss-Technologie qualifiziert werden. Parametervorgaben werden aus den funktionalen Anforderungen der Plasmageräte abgeleitet. Diese Vorgaben fließen in die Elektrodenentwicklung ein, so dass eine überlegene Betriebsstabilität in einem Demonstrator erreicht wird.

Das Vorhaben bietet einer großen Bandbreite an attraktiven Märkten für spezialisierte Produkte und Dienstleistungen, was die Stärken von KMU bedient. Die Bereitstellung von speziell modifizierten Titansuboxidpulvern für den Spritzguss, spezielle Feedstockbereitstellungen, Formteile aus Titanoxidkombinationen, gerätespezifische Elektroden und optimierte Plasmageräte für zahlreiche Anwendungen im medizinischen oder Hygienebereichen, zur Vermeidung von Gerüchen oder zur Oberflächenbehandlung bietet sowohl Zulieferern, Geräteherstellern und Anwendern Märkte für Innovationen, die auf Basis des beantragten Vorhabens entstehen. Bereits jetzt zeichnet sich ein signifikantes Marktvolumen und -wachstum für neue alltagstaugliche Plasmageräte ab. Die Möglichkeit zur umweltverträglichen Bearbeitung und Reinigung und die hocheffiziente Charakteristik von plasmagestützten Verfahren sind weitere Pluspunkte. Die werkstofflichen, technologischen und gerätetechnischen Grundlagen werden im Vorhaben erarbeitet. Die Breite und Zahl der im projektbegleitenden Ausschuss aktiven Firmen unterstützt eine schnelle Überführung der Projektergebnisse in die Wirtschaft. Der Ergebnistransfer wird von Publikationen, Messepräsentationen und Vorträgen auf Fachtagungen und in Gremien begleitet.

 

Finanzierung:  IGF-Vorhaben 20546 N

Das IGF-Vorhaben 20546 N der Forschungsvereinigung Deutsche Keramische Gesellschaft wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Projektzeitraum: 01.02.2019 - 31.01.2021

Projektpartner: Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst, Hildesheim/Holzminden/Göttingen Fakultät Naturwissenschaften und Technik Forschungsschwerpunkt Laser und Technik

RoKe-TE: Entwicklung eines stromerzeugenden Wärmeübertragers mittels thermogeneratorischer Schichten für industrielle Abgasanlagen

 

Teilprojekt: Entwicklung und simulative Auslegung keramischer thermoelektrischer Komponenten und Halbzeuge für den TEG-Abgaswärmetauscher

 

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kostengünstigen Abgaswärmetauschers in Kombination mit einem thermoelektrischen Generator. Die in den Abgasen vorhandene bisher ungenutzte thermische Energie soll entsprechend den Anforderungen des Verbrennungsprozesses als thermische und elektrische Energie in einem betriebswirtschaftlich und ökologisch optimalen Verhältnis einer Nutzung zugeführt werden. Damit soll die im primären Verbrennungsprozess eingesetzte Energie maximal genutzt werden. Der Technologieansatz im Rahmen des Projekts besteht in der werkstofflichen und konstruktiven Entwicklung der thermogeneratorischen Titanoxidkomponenten und in der Entwicklung von Halbzeugen (Filamenten) für den 3D-Druck von Titanoxiden für den Projektpartner.

 

Finanzierung: BMWi (ZIM) Fkz: ZF4076450CL9

Projektzeitraum: Juni 2019 bis Dezember 2021

Projektpartner: Silber Anlagentechnik GmbH

TE-VorClust: Sächsisches Forschungscluster – Thermoelektrik in industriellen Anwendungen

 

Ziel dieses Vorprojekts ist die Erstellung einer Studie, welche die Basis für ein umfassendes Projektcluster zur Thematik »Thermoelektrik in industriellen Anwendungen« liefert. Inhalt der Studie ist die Identifikation der aktuellen Akteure und des Potenzials der Technologie in der sächsischen Industrie. Daraus wird der Handlungsbedarf abgeleitet.

 

Finanzierung: SMWA/SAB (vorbereitende innovative Maßnahmen) FkZ: 100370667

Projektzeitraum: Juli 2019 bis Juni 2020

Projektpartner:

  • TU Dresden, Professur für Energieverfahrenstechnik
  • Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS)
  • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW)
  • Fraunhofer IFAM Dresden
  • Fraunhofer IWS

WIDDER: Widerstandsplattendetektor

 

Teilprojekt: Entwicklung eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens für Siliciumnitrid-Siliciumcarbid-Kompositplatten

 

Das Ziel des Verbundprojekts ist der Aufbau von Kernstrahlungsdetektoren mittels sogenannter Widerstandsplatten-Detektoren (RPC), die eine deutlich bessere Zeitauflösung als die bisher eingesetzten 3He-Proportionalzählern erzielen und dabei vollständig auf das defizitäre, aus der Kernwaffenproduktion stammende, 3He Gas verzichten. Von herausragender Bedeutung sind die Anwendungen der RPC-Detektoren in der medizinischen Therapie oder Struktur- und Prozessuntersuchungen an Festkörpern in Produktionsprozessen und in der Grundlagenforschung.

Das Fraunhofer IKTS entwickelt für den Aufbau von Widerstandsplatten-Detektoren ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für Si3N4-SiC Keramik, die als Elektroden im Detektor eingesetzt werden. Im Fokus stehen dabei zum einen materialtechnische Aufgaben, um einen dichten Si3N4-SiC-Kompositwerkstoff mit einem semi-isolierenden elektrischen Widerstand zu erhalten.  Zum anderen muss für die effiziente Herstellung größerer Stückzahlen ein kostengünstiges Sinterverfahren umgesetzt werden.

In Zusammenarbeit mit allen Partnern soll final ein RPC-Funktionsmuster konstruiert, gefertigt und getestet werden.

 

Finanzierung: SAB/EFRE

Projektzeitraum: Juni 2019 bis Mai 2021

Projektpartner:

  • GBS Elektronik GmbH
  • iseg Spezialelektronik GmbH
  • MicroCeram GmbH
  • Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf