Laufende Projekte

AiF-Nr. 22233 BR | EFDS Nr. IGF-17/17

Laufzeit: 01.04.2022 – 31.03.2024

Forschungseinrichtung:

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Dresden

Abstract

Die Elektromobilität stellt seit mehreren Jahren ein Thema dar, mit dem sich die Automobilindustrie, die Bundesregierung und die EU auseinandersetzen, und sehr ambitionierte Ziele formuliert haben. Aktuelle Entwicklungen der Elektromobilität, die insbesondere von der Automobilindustrie vorangetrieben werden, erfordern die Entwicklung und Fertigung zuverlässiger und langlebiger Batterien. Zur Abdeckung des zukünftigen Bedarfes müssen neben den Fertigungsstätten für komplette Batteriesysteme auch neue, skalierbare Prozesstechnologien für optimierte Halbzeuge und Rohstoffe (z.B. Aktivmaterialpulver) verfügbar sein. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass Hersteller von Beschichtungsanlagen, Dienstleister/Lohnbeschichter und Anbieter von Rohstoffen gerade am Anfang der Wertschöpfungskette der Batteriefertigung partizipieren können. Ein Problem beim heutigen Stand der Technik für Lithiumionenbatterien ist die Nutzung von kobalthaltigen Aktivmaterialen. Obwohl Kobalt teilweise aus Recyclingprozessen gewonnen werden kann, stellt der Abbau von Kobalterzen im Tagebau in der Demokratischen Republik Kongo noch immer die Hauptressource bei der Gewinnung dieses Metalls dar. Aus diesem Grund besteht ein Hauptziel in diesem Projekt darin, eine Technologien zu entwickeln, die die Nutzung von Kobalt oder anderen kritischen Rohstoffen vermeidet oder stark minimiert, um damit einen Beitrag zu einer nachhaltigen Technologieentwicklung zu leisten. Im Projekt wird deshalb das Co-freie Hochvoltmaterial LiNi0,5Mn1,5O4 sowie ein hoch-nickelhaltiges NCM mit geringem Co-Anteil (10%) verwendet werden. Im Projekt sollen Beschichtungen auf Aktivmaterialien entwickelt und evaluiert werden, die die Verwendung Co-freier bzw. Co-armer Aktivmaterialien deutlich erleichtern und vorantreiben. Wesentliche Ziele im Projekt sind die Erhöhung der Energiedichte und Lebensdauer der Batterien sowie die Vermeidung von Degradation des Elektrolyten durch geeignete Beschichtung des Aktivmaterials.

AiF-Nr. 22449 N  |  EFDS-Nr. IGF-19/14

Laufzeit: 01.08.2022 – 31.01.2025

Forschungseinrichtungen

Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Technische Universität Braunschweig, Institut für Oberflächentechnik

Abstract

Austenitische Stähle werden insbesondere in Bereichen Lebensmittelindustrie, Medizintechnik und chemischem
Anlagenbau zwecks eines erhöhten Verschleißschutzes oft plasmanitriert. Die Verschleißbeständigkeit wird von der Dicke der sich bei der Plasmanitrierung bildenden, harten S-Phase dominiert. Der verwendete Stahl sowie das Werkstoffgefüge beeinflussen die Dicke der S-Phase und das Korrosionsverhalten bei sonst identischen Behandlungsbedingungen signifikant. Daher ist die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit plasmanitrierter Stähle bis heute nach wie vor problematisch und nicht reproduzierbar zu gewährleisten.
Ziel ist die Ermittlung von Kenngrößen für eine auf Werkstoff und Werkstoffzustand austenitischer Stähle individuell
optimierte Plasmanitrierbehandlung, um die zu erreichenden Zielgrößen hinsichtlich des Verschleißschutzes prozesssicher zu erreichen und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit aufrecht zu erhalten.
Die angestrebten Ergebnisse bergen folgendes Innovationspotenzial:

•  – Wissenschaftlich-technische Grundlage zur Auswahl der Behandlungsparameter beim Plasmanitrieren
•  – Identifikation von Grenzwerten und Parameterfenstern zur Sicherstellung eines reproduzierbaren Behandlungsergebnisses
•  – Wirtschaftliche Vorteile durch die werkstoffangepasste Optimierung der Behandlungsparameter sowie die Reduzierung von Schäden bzw. Reklamationen
•  – Ökologische Vorteile durch die Sicherstellung bzw. Erhöhung der Bauteillebensdauer
•  – Vertrauensgewinn durch verbesserte Beratung und Produktqualität zur reproduzierbaren Erzielung des geforderten des Korrosions- und Verschleißschutzes

Damit sind Nutzen und Bedeutung des Projekts insbesondere für kmU sehr hoch. Der potenzielle Nutzerkreis betrifft die Wirtschaftszweige 24 (Metallerzeugung und -bearbeitung); 28 (Maschinenbau), 29 (Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen), 30 (sonstiger Fahrzeugbau) sowie 20 (Herstellung von chemischen Erzeugnissen) und 21 (Herstellung von pharmazeutischen Erzeugnissen).

AiF-Nr. 21708 BR  |  EFDS-Nr. IGF-19/04

Laufzeit: 01.03.2021 – 28.02.2023

Forschungseinrichtungen:
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Fraunhofer-Institut für für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Abstract:
Ultradünne Gläser (UTG) mit Dicken kleiner 100 μm sind leicht, flexibel und formstabil, weisen eine geringe
Oberflächenrauheit sowie eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit auf. Im Vergleich zu organischen flexiblen
Materialien besitzen sie keine Permeabilität für Wasser und Sauerstoff. Durch die Markteinführung faltbarer Displays
hielten UTG vor Kurzem Einzug in die Massenfertigung, allerdings bisher nur in ausgewählten hochpreisigen Produkten.
Um UTG als flexibles Substratmaterial und Alternative zu Polymerfolien zu etablieren, müssen stabile und zuverlässige
Produktionsprozesse entwickelt werden. Bei diesen führt mechanisches Versagen der UTG während des Prozesses bisher
zu zufälligen, zeit- und kostenintensiven Produktionsausfällen. Zur Verringerung der Ausschussquote sollen daher in
diesem Projektvorhaben grundlegende Erkenntnisse über das mechanische Verhalten von UTG während der
Funktionalisierung gewonnen werden. Das ist von besonderer Relevanz, da sich die mechanischen Eigenschaften durch
Vereinzelung, Beschichtung und Handling/Transport der UTG während des Prozesses verändern. Folgende Projektziele
stehen im Vordergrund:
1. Ermittlung der initialen Festigkeit der UTG, insbesondere Kantenfestigkeit
2. Untersuchung des Einflusses ausgewählter Beschichtungs- und Trennverfahren auf die mechanischen Eigenschaften
der UTG, insbesondere auf Kantenfestigkeit und Ermüdungsverhalten
3. Korrelation und Bewertung der Ergebnisse für zwei Anwendungsfälle: Transparente Elektrode und
Antireflexschichtsystem
Die gewonnenen Festigkeitskenngrößen können direkt zur Dimensionierung und Auslegung von Anlagen in der gesamten
Wertschöpfungskette der UTG-Verarbeitung genutzt werden, insbesondere durch die im PbA beteiligten KMU. Weiterhin
wird es den Unternehmen ermöglicht, basierend auf den erlangten Kenntnissen über das mechanische Verhalten von UTG
neue Anwendungsfelder für UTG zu erschließen und in kurzer Zeit innovative Produkte zu entwickeln.
AiF

AiF-Nr. 21807 N  |  EFDS-Nr. IGF-17/10

Laufzeit: 01.05.2021 – 31.10.2023

Forschungseinrichtungen:
Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt

Abstract:
Innerhalb des geplanten Forschungsvorhabens soll die Ermüdungsbeanspruchung mit Blick auf die Haftungseigenschaften funktioneller Beschichtungen vollflächig untersucht werden. Hierzu sollen in Rücksprache mit der Industrie anwendungsrelevante PVD-Schichtsysteme (DLC, t aC, a C:H:Me) ausgewählt und Proben bzw. Bauteilabschnitte beschichtet oder zur Verfügung gestellt werden. Die notwendige Ermüdungsbeanspruchung soll durch die akustische Kavitation mittels Ultraschallkoppelschwinger (Sonotrode) erzeugt werden. Der von der ASTM International (American Society for Testing and Materials) festgelegte Standard ASTM G32-16 gibt eine allgemeine Prüfvorschrift für Untersuchungen an dem Ultraschallkoppel-schwinger vor, die im Projekt abgeändert und weiterentwickelt werden soll. Hierbei erfolgt eine Variation der Versuchsparameter (Frequenz, Amplitude, Versuchsdauer, Medium etc.) unter Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen, um ortsaufgelöst die resultierende Beanspruchung in Relation zu den Eingangsgrößen bewerten zu können. Anhand der Ergebnisse soll eine umfassende Bewertung der flächigen Haftungseigenschaften der anwendungsrelevanten Beschichtungen sowie der Eignung der Methode des Ultraschallkoppelschwingers möglich werden. Die gezielten Parametervariationen und die Bewertung der resultierenden Wechselwirkungen infolge der geänderten Beanspruchungskombination bilden die Basis der qualifizierenden Weiterentwicklung der Kavitationsuntersuchung. Der Einfluss der Mikrostruktur (z. B. kolumnare, amorphe Strukturen, Multilayer-Lagen), sowie das mögliche sich bildende Risswachstum innerhalb der Beschichtung liegen dabei im Fokus der mechanistischen Beschreibung. Die Sonotroden des
Ultraschallkoppelschwingers sollen zur gezielten Beeinflussung der Kavitation ebenfalls angepasst werden, um die Prüfung an einfach konturierten und gekrümmten funktionellen Oberflächen für mögliche pränormative Forschung zu erlauben.

AiF-Nr. 22645 BG  |  EFDS-Nr. IGF-18/04

Laufzeit: 01.10.2022 – 30.09.2024

Forschungsstellen
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
Fraunhofer-Institut für Schicht und Oberflächentechnik IST, Braunschweig

Abstract

Für die Umformung hochfesten Ti(Al)-Legierungen werden sehr hohe Temperaturen von 750 bis zu 1250 °C benötigt, wodurch die Auswahl an geeigneten Werkzeugwerkstoffen stark eingeschränkt ist. Eine zusätzliche Beschränkung tritt durch die Adhäsionsneigung von Titan und Titanaluminiden auf, die zu Problemen während der Umformung führen. Durch die „Verklebung“ kann es zu Beschädigung der Bauteile und des Werkzeuges kommen. Zusätzlich wird der Materialverschleiß durch die Adhäsionsneigung gefördert. Adhäsionen bzw. Rückstände der vorherigen Umformung wirken während der folgenden Umformung als abrasive Partikel, welche die Bauteile und Werkzeuge infolge der hohen Kräfte verschleißen lassen. Schwerpunkt dieses Forschungsantrags ist die Entwicklung von Werkzeugbeschichtungen für die isotherme Umformung von Ti(Al)-Legierungen. Durch geeignete tribologische Untersuchungen und umformtechnische Modellversuche wird das tribologische Verhalten der Randschicht nach dem Plasmaborieren und dem Diffusionslegieren von Hochtemperaturwerkstoffen auf Molybdänbasis wie z. B. Titan-Zirkon-Molybdän, Molybdän-Hafnium-Kohlenstoff oder Zirkonium-Hafnium-Molybdän gegenüber Ti(Al)-Legierungen untersucht, bewertet, weiterentwickelt und optimiert. Mit der Thematik eng verbunden sind die Hersteller von Ti(Al)-Legierungen, Hersteller von Sonderwerkstoffen für Werkzeuge, Werkzeugbauer die sich auf die Verarbeitung von Sonderwerkstoffen spezialisiert haben sowie Hersteller von Sonderschmierstoffen. Absolutes Neuland sind Werkzeugbeschichtungen und Diffusionsbehandlungen für die Hochtemperaturumformung für Beschichtungsunternehmen und Lohnbehandler. Da sich die zu erwartenden Ergebnisse auf den Verschleißschutz anderer thermisch hoch belasteter Maschinenelemente und Werkzeuge übertragen lassen, besteht auch von dieser Seite ein großes Interesse. Insgesamt soll ein hoch spezialisierter Markt für HighEnd-Produkte mit einem hohen KMU-Anteil und sehr guten Wachstumsperspektiven bedient werden.