Laufende Projekte

Vorhaben-Nr. 01|F0079AE | EFDS-Nr. IGF-LEIT-24-09

Laufzeit: 01.07.2025 – 31.12.2027

Forschungseinrichtung: Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE

Abstract

Das allgemeine Forschungsziel von Laser-VIG ist die Etablierung einer innovativen Produktionstechnologie zur Herstellung der nächsten Generation von Isoliergläsern. Dabei stehen die Optimierung der Wärmeisolationswirkung, die Minimierung des Energieaufwands in der Produktion sowie eine gute Recyclingfähigkeit und niedriger CO2-Fußabdruck im Vordergrund. Es wird der technologische Ansatz des Vakuumisolationsglases (VIG) verfolgt. Für den Randverbund, der die kritische Komponente von VIG darstellt, wird ein neuartiger hocheffizienter Ansatz angewandt. Am Rand der Scheiben werden lötfähige Dünnschichten aufgebracht. Danach wird der Randverbund mit metallischem Lot mittels lokaler Lasererhitzung gefügt. Durch die niedrige Fügetemperatur kann der Prozess mit hohem Durchsatz umgesetzt werden, was eine kostengünstige Produktion erlaubt. Darüber hinaus bleiben die Sicherheitsglaseigenschaften von thermisch vorgespannten Scheiben erhalten. Diese beiden Vorteile sollten zu einer breiten Marktakzeptanz von VIG führen.
In dem vorliegenden Projekt sollen diese Entwicklungen in enger Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) vorangetrieben werden. Der PA deckt dabei die gesamte Wertschöpfungskette der VIG-Herstellung und -verwendung ab. Die verwendeten Technologien Vakuumtechnik, Dünnschichttechnik, Laserfügen und optische Messtechnik „passen“ sehr gut zu bestehenden Technologielinien mittelständischer Betriebe. Es ergibt sich ein ideales Feld für Erweiterung und Ausbau bestehender Geschäftsfelder. Für die weltweit starke deutsche glasverarbeitende und -veredelnde Industrie und die international aufgestellten Anlagenbauer (KMU) erweitert diese Produktionstechnologie das traditionell erfolgreiche Geschäftsmodell.

Vorhaben-Nr. 01|F23642N | EFDS-Nr. IGF-22-01

Laufzeit: 01.07.2025 – 31.12.2027

Forschungseinrichtung: 

Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V.
Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse
Technische Universität Chemnitz – Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (ZfM)

Abstract

Mikroelektronische und mikromechanische Bauelemente (MEMS) sind in nahezu jedem industriellen Sektor von essentieller Bedeutung. Das Waferbonden ermöglicht die Verkapselung von MEMS für die 3D-Integration. Dabei wird der gesamte Substratstapel global sehr hohen Temperaturen (= 550 °C) und Fügedrücken (= 100 MPa) ausgesetzt. Die Aufheiz- und Abkühlvorgänge sind zeitintensiv und können zu thermomechanischen Spannungen und Schädigungen führen. Entsprechend ist das MEMS-Packaging häufig der teuerste, zeit- und energieaufwendigste Teilprozess in der MEMS-Herstellung. Zielstellung des Vorhabens InduAlloy ist die Entwicklung eines induktiven Waferbondprozesses auf Basis von prozessketten- und CMOS-kompatiblen, Al-basierten eutektischen Legierungen bzw. metallischen Gläsern als Fügezusatzwerkstoffe für das Waferbonden. Die eutektischen Mehrstoffsysteme erlauben, die Oxidschicht zu destabilisieren sowie die Schmelztemperatur und Prozesszeit abzusenken. Der Einsatz metallischer Gläser als Fügewerkstoff ermöglicht das Fügen mit elektrisch leitfähigen, amorphen Bondzwischenschichten zur Steigerung der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit. Mit den entwickelten Legierungen soll die induktive Erwärmung der Bondrahmen optimiert und das Potential des induktiven Waferbondens umfänglich ausgenutzt werden. Die verfahrensbedingte Senkung der Prozesszeiten und thermischen Belastung der Bauteile ermöglicht neue Wafer-Aufbaukonzepte, höhere Integrationsdichten und bedeutende Energieeinsparungen. InduAlloy wird insb. den zahlreichen deutschen KMU aus den Wertschöpfungsstufen Vormaterialien, Sputterprozess und Strukturierung, Komponenten, Anlagen und Anwendung Zugang zu den personellen und anlagenseitigen Forschungskapazitäten (z. B. Legierungsentwicklung, Versuchstechnik, Hochfrequenztechnik, Simulation) zur Erschließung der interdisziplinären Problemstellung aus Werkstofftechnik, Elektroprozesstechnik und Mikrotechnologie ermöglichen, wofür diese keine eigenen Kapazitäten haben.

Vorhaben-Nr. 01|F23675N | EFDS-Nr. IGF-23-04

Laufzeit: 01.07.2025 – 30.06.2027

Forschungseinrichtung: Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Abstract

Silikon ist wegen seiner dauerhaften Flexibilität und physiologischen Unbedenklichkeit unverzichtbar für Anwendungen in der Medizintechnik, erfordert aber aufgrund hoher Oberflächenklebrigkeit und Schmutzanfälligkeit eine Oberflächenbehandlung. Industriell wird dazu derzeit Gasphasenfluorierung von Silikonbauteilen eingesetzt, die aufgrund zunehmender gesetzlicher Beschränkungen (PFAS) dringend Ersatz benötigt. In diesem Forschungsvorhaben sollen nachhaltige Alternativen für industrielle Anwendung entwickelt werden, mit denen sich reibungsarme und schmutzabweisende Silikone erzeugen lassen. Die gewünschte Oberflächenmodifikation soll dabei einerseits mittels VUV-strahlungsreicher Niederdruckplasmen erzielt werden, über den Ansatz, Strahlungswirkung allein zu nutzen, andererseits über Abscheidung von graduell an das Silikonsubstrat angepassten, plasmapolymeren Schichten. Neben Verfahren für Flachmaterial sollen gezielt Lösungen für dreidimensionale Strukturen (Formteile) erarbeitet werden. 
Im Projektverlauf wird nicht nur eine gründliche materialseitige Charakterisierung der veredelten Silikone erfolgen, sondern es werden auch Eignung und Wirtschaftlichkeit der Verfahren insbesondere für mögliche Anwendungen in der Medizintechnik evaluiert werden. Somit können KMU entlang der gesamten Wertschöpfungskette (Silikonhersteller und -verarbeiter, Anwender, Anlagenbauer, Lohnbeschichter) profitieren. Hersteller von Silikonprodukten sollten durch die neue Produktqualität (dauerhaft saubere Oberflächen, geringe Reibung, längere Lebensdauer) ihre Stellung am Markt ausbauen und weitere Anwendungsbereiche (z.B. Automotive) erschließen können. KMU aus den Bereichen Silikonverarbeitung oder Lohnbeschichtung, die bereits über Plasmaanlagen verfügen, werden erstmals in die Lage versetzt, den Aufwand zur Silikonveredelung selbst zu leisten, der derzeit extern in Form einer Gasphasenfluorierung erfolgt.

Vorhaben-Nr. 01|F23381N | EFDS-Nr. IGF-22-05

Laufzeit: 01.09.2024 – 31.08.2026

Forschungseinrichtung:

RWTH Aachen, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Nach aktuellem Stand der Forschung und Entwicklung existieren keine selbstschmierenden PVDBeschichtungen für Anwendungen bei T ≥ 500 °C, die auf einem Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur basieren. Eine solche Beschichtung könnte jedoch in Anwendungen wie der Zerspanung und Warmumformung zu einer Steigerung der Performance führen.
Vielversprechend sind TiBN-Beschichtungen mit dem Festschmierstoff hexagonalem Bornitrid (h-BN), der bis T = 900 °C oxidationsbeständig ist. TiBN-Beschichtungen werden in der Zerspanung und Warmumformung bereits eingesetzt. Allerdings werden die auf dem Markt verfügbaren TiBNBeschichtungen bisher ausschließlich mit Chemical Vapour Deposition bei Prozesstemperaturen von 900 °C ≤ T ≤ 1.100 °C hergestellt. Bei Warmumformwerkzeugen kommt es unter diesen hohen Temperaturen zu Bauteilverzug und kostenintensiver Nacharbeit. Hohes Potenzial weist der Einsatz von Physical Vapour Deposition (PVD) auf. Dabei ist die Technologievariante der gepulsten Arc-PVD vielversprechend.
Forschungsziel ist die Herstellung selbstschmierender TiBN-Beschichtungen mit h-BN-Anteil mittels gepulster Arc-PVDTechnologie zur Reibungsreduktion in tribologischen Anwendungen im Hochtemperaturbereich von 500 °C ≤ T ≤ 800 °C. Die angestrebten Ergebnisse sind die Identifizierung geeigneter Prozessfenster und Schichtarchitekturen zur Herstellung der TiBN-Beschichtungen. Weiter wird untersucht, wie hoch die Steigerung der Performance durch die selbstschmierenden TiBN-Beschichtungen im Hinblick auf deren tribologischem Einsatz in der Zerspanung und Warmumformung ist. Die zu erwartenden Ergebnisse zeigen ein sehr hohes Innovationspotenzial. Zudem ergibt sich ein extrem breiter
Nutzerkreis über mehrere Wirtschaftszweige, die überwiegend von KMU dominiert sind. Dazu zählen die Dünnschichttechnologie mit deren Lohnbeschichtern, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie deren Zulieferer, die Targethersteller und nicht zuletzt die Anwender in der Zerspanung und Warmumformung.

Vorhaben-Nr. F23226N  | EFDS-Nr. IGF-21-10

Laufzeit: 01.07.2024 – 30.06.2026

Forschungseinrichtung:

RWTH Aachen, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wird mit einem stetig wachsenden Marktanteil zum Verschleißschutz auf Bauteilen und Werkzeugen eingesetzt, um die Lebensdauer bzw. die Leistungsfähigkeit zu steigern. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei den Eigenspannungen zu. Bei industriellen Sputterprozessen, wie dem High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS), werden Prozessgase, wie Argon, verwendet, um aus einem Targetmaterial Atome bzw. Ionen des schichtbildenden Werkstoffs herauszulösen. Neben dem Target treffen die teils hochenergetischen Argonionen ebenfalls durch die angelegte Biasspannung auf die aufwachsende Beschichtung auf. Hierdurch kommt es zur Implantation dieser Ionen in die Beschichtung und somit einer Beeinflussung der Eigenspannungen. Dies kann sich auf die mechanischen Eigenschaften und somit die Zerspanleistung der Werkzeuge auswirken. Während der Pulszeit eines HPPMS-Prozesses ändert sich die Konzentration der Argonionen im Beschichtungsplasma. Im beantragten Forschungsvorhaben wird ein positiver Biaspuls derart mit dem HPPMS-Kathodenpuls synchronisiert, dass die Argonimplantation und somit der Eigenspannungszustand kontrolliert werden kann. Um den Einfluss des positiven Biaspulses auf die Plasmaeigenschaften wie die Zusammensetzung des Beschichtungsplasmas und die Ionenenergie zu
analysieren, kommen die Plasmadiagnostiken optische Emissionsspektroskopie, Massenspektrometrie sowie Gegenfeldanalyse zum Einsatz. Die Ergebnisse der Plasmaanalysen werden mit den Schichteigenschaften der Beschichtung, wie beispielsweise den Eigenspannungen und der chemischen Zusammensetzung, korreliert. Durch das Forschungsvorhaben wird die konventionelle HPPMS-Prozessführung erweitert, um die Zerspanleistung von Werkzeugen durch die Einstellung des Eigenspannungszustandes zu erhöhen. Somit profitieren von den Ergebnissen KMU im Bereich von industriellen Stromversorgungen, PVD-Anlagenhersteller, Hersteller von Plasmadiagnostiken sowie von Zerspanwerkzeugen.

Vorhaben-Nr. F23260N  | EFDS-Nr. IGF-22-03

Laufzeit: 01.03.2024 – 31.08.2026

Forschungseinrichtung:

Technische Universität Darmstadt
Technische Universität Braunschweig

Abstract

Die Nutzung austenitischer rost- und säurebeständiger (RS)-Stähle für Bipolarplatten in Brennstoffzellen und der
Wasserstoff-Elektrolyse bietet enormes Potenzial zur Kosten- und Volumeneinsparung sowie zur Erhöhung der Effizienz im
Vergleich zu graphitbasierten Bipolarplatten und stellt gleichzeitig eine wirtschaftliche Alternative zu anderen Titan- oder
Nickel-basierten Werkstoffen dar. Allerdings erfordert die natürliche Passivschicht der RS-Stähle zusätzliche
Oberflächenbehandlung. Eine Oberflächenmodifikation mittels Plasmadiffusionsverfahren würde insbesondere hinsichtlich
der Beschichtungskosten, des Materialverbrauchs sowie der Energiebilanz eine alternative zu PVD- / CVD-basierten
Verfahren darstellen und die Nachhaltigkeit steigern.
Ziel des beantragten Projekts ist die Entwicklung von Plasmadiffusionsprozessen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit
und Kosteneffizienz von Brennstoffzellen-Komponenten.

Die angestrebten Ergebnisse bergen folgendes Innovationspotenzial:

– Wissenschaftlich-technische Grundlage für die Herstellung robuster und preiswerter Bipolarplatten
– Identifikation von Prozessparameter-Eigenschaft-Wechselwirkungen
– Wirtschaftliche Vorteile durch Optimierung von Werkstoffauswahl, Behandlungsparametern und Fertigungskosten
– Berücksichtigung des strömungsdynamischen, thermischen und elektrischen Beanspruchungskollektivs unter
praxisnahen Bedingungen sowie Erforschung von Degradationsmechanismen
– Ökologische Vorteile durch die Sicherstellung bzw. Erhöhung der Bauteillebensdauer

Damit sind Nutzen und Bedeutung des Projekts insbesondere für kmU sehr hoch. Der potenzielle Nutzerkreis des
Forschungsvorhabens betrifft folgende Wirtschaftszweige (gemäß IGF-Leitfaden): 24 (Metallerzeugung und -bearbeitung);
28 (Maschinenbau), 35 (Energieerzeugung), 29 (Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen) sowie 30 (Sonstiger
Fahrzeugbau).

AiF-Nr.   |  EFDS-Nr. IGF-22/04