Jedes Jahr werden in Deutschland mehr als 20 Millionen Quadratmeter an Sandwichelementen für den Bausektor produziert, insgesamt sogar 200 Millionen in der Europäischen Union. Es gibt Potenzial für Einsparungen bei Material und Energie durch eine Optimierung der Produktionsprozesse. Um ressourceneffiziente Herstellung von Sandwichelementen zu fördern, hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie ein neues Forschungsprojekt namens „Ressourceneffiziente Sandwichelemente durch zerstörungsfreies Monitoring für den Leichtbau ReSaMon“ gestartet.

Die Sandwichelemente bestehen aus zwei dünnen metallischen Deckschichten und einem Kern aus Polyurethan-Hartschaum und sind wichtige Bauprodukte. Mögliche Schwachstellen wie Schäden durch wärmeinduzierte Spannungen sind jedoch nicht immer im Herstellungsprozess erkennbar und treten erst während der Verarbeitung am Bau auf. Das führt zu Reklamationen, längeren Bauzeiten und anderen Problemen.

Das Projektteam von „ReSaMon“ wird eine neue zerstörungsfreie Ultraschallmesstechnik entwickeln, die Fehlstellen und Ungenauigkeiten sofort erkennen kann, um mögliche Schwachstellen und Änderungen der Materialeigenschaften im Produktionsprozess zu identifizieren. Die Messtechnik arbeitet berührungslos und beeinträchtigt somit nicht den Produktionsprozess. Die Baubranche und Endverbraucher werden von dieser Technologie profitieren.

Das Projektkonsortium besteht aus Industriepartnern, Sandwichelement-Experten, Messtechnik-Spezialisten und Simulationsexperten, die ihre Expertise zusammenbringen, um ein besseres Verständnis der Einflüsse der Produktion auf die Produkteigenschaften zu erreichen. Zu den Projektpartnern gehören u. a. das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das Institut für Stahlwerktechnik IFSW, das Unternehmen Inoson, Hersteller wie ArcelorMittal und Covestro Deutschland sowie wir, das Fachgebiet Mess- und Sensortechnik (MuST) der TU Darmstadt als Forschungspartner mit Fokus auf Ultraschallmesstechnik.

Herkömmliche Methoden zur Richtungskontrolle, wie beispielsweise der Einsatz von Spiegeln, haben erhebliche Einschränkungen, da sie wellenlängenabhängige Verluste oder sogar die vollständige Absorption des Lichts verursachen können. Insbesondere bei großen Lichtleistungswerten sind die optischen Eigenschaften von Festkörpermaterialien oft begrenzt. Stattdessen nutzt SOPHIMA berührungslose Methoden zur Manipulation von Licht, indem es Ultraschallwellen (Sono) einsetzt, um Licht in Gasen zu kontrollieren. Das Projekt beinhaltet umfangreiche Grundlagenforschung zur Entwicklung neuartiger Methoden wie Sono-Photonischen Lichtwellenleitern, Phasemodulatoren, nichtlinearen und aktiven optischen Elementen sowie rückwirkungsfreien optischen Methoden zur Vermessung von akustischen Phänomenen und Sensoren in Gasen.

Durch die Integration von nichtlinearer Optik, Laserphysik und Elektrotechnik/Ultraschalltechnologie eröffnet SOPHIMA ein neues Forschungsfeld mit großem Potenzial für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Das Projekt hat das Ziel, die grundlegende Kontrolle und Leitung von Lichtstrahlen auf eine neuartige und innovative Weise zu ermöglichen und somit eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu revolutionieren.

Originalveröffentlichung:

Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air; Yannick Schrödel, Claas Hartmann, Tino Lang, Jiaan Zheng, Max Steudel, Matthias Rutsch, Sarper H. Salman, Martin Kellert, Mikhail Pergament, Thomas Hahn-Jose, Sven Suppelt, Jan Helge Dörsam, Anne Harth, Wim P. Leemans, Franz X. Kärtner, Ingmar Hartl, Mario Kupnik, Christoph M. Heyl; „Nature Photonics“, 2023; DOI: 10.1038/s41566-023-01304-y

Sophima Webseite der Carl-Zeiss-Stiftung

Autoklaven, selbstverschließende Geräte, finden breite Anwendung in Industriezweigen wie Medizin, Chemie und Bau. In einem speziellen Projekt zur Kalksandstein- und Porenbetonproduktion wird die Herausforderung angegangen, den optimalen Zeitpunkt zum sicheren Öffnen des Autoklaven präzise zu bestimmen, um Effizienz und Sicherheit zu optimieren. Die gängige Drucksensorik im Autoklaven zeigt jedoch aufgrund von Kalibrierungsproblemen und Ablagerungen im Dampfstrom Ungenauigkeiten.

Das Projekt zielt darauf ab, einen neuartigen Flügelradsensor für Autoklaven zu entwickeln. Der Sensor nutzt bestromte Spulen, um die Drehzahl des Flügelrades zu messen, das Wasserdampf antreibt. Durch die Integration von Aktor-Funktionen kann der Sensor selbstüberwachend sein, Selbsttests durchführen und sich eigenständig kalibrieren. Die Entwicklung umfasst die Konstruktion des Flügelrades, die elektrische Kontaktierung, die Auswerteelektronik sowie die Messmethodenentwicklung und wird in verschiedenen Phasen getestet, beginnend mit einem Demonstrations- und Labormuster. Die Elektronik wird über geschirmte Kabel mit Meldeleuchte und Bedienelement verbunden, wobei besonderer Schutz vor elektromagnetischen Störungen von Drehstrom- und Asynchronmaschinen erforderlich ist. Die Entwicklung durchläuft drei Phasen: Grundlegende Entwicklung und Konstruktion, Überprüfung von Varianten und Optimierung sowie die Realisierung des finalen Prototyps.

Das FuE-Projekt im Rahmen der ZIM-Förderung mit den Kooperationspartnern MUST von der TU Darmstadt und Eitner GmbH, einem mittelständischen Unternehmen, fokussiert auf die Entwicklung neuer Konzepte speziell für den Mittelstand. Die ZIM-Förderung selbst zielt darauf ab, Innovationsvorhaben für kleine und mittelständische Unternehmen zu unterstützen. Dabei erfolgt die Förderung durch die AiF im Rahmen ihrer Forschungs- und Transferallianzen, die auf die Entwicklung von Zukunftstechnologien und die industrielle Transformation mit Fokus auf Klimaneutralität und Nachhaltigkeit abzielen.

Für viele Anwendungen, wie z.B. der Überwachung des baulichen Zustands, medizinischen Anwendungen, autonomen Fahrzeugen und Umweltüberwachungssystemen, steigt der Bedarf an Sensornetzwerken stetig. Oft sind die Sensoren an abgelegenen Orten positioniert, wo die Verfügbarkeit von elektrischer Energie oder Möglichkeiten wie das Austauschen oder Aufladen von Batterien eine Herausforderung darstellen. Daher sind andere Methoden zur Stromversorgung elektronischer Schaltkreise, wie z.B. Energy-Harvesting, in den letzten 20 Jahren ein wachsendes Forschungsgebiet gewesen.

Die Ziele dieses Projektes (DFG Projektnummer 392020380) sind das Design neuer Ferroelektret-Materialien und deren Einsatz in Energy-Harvestern, die auf dem transversalen-piezoelektrischen Effekt in diesen Materialien basieren.

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Die Nachfrage nach strukturintegrierten Kraft- und Drehmomentsensoren in Bereichen der Prozessüberwachung im Anlagenbau, der Medizintechnik sowie dem Leichtbau wächst stetig. In diesen Anwendungsfeldern sind meist komplexe Strukturen vorhanden, sodass kommerzielle Allzwecksensoren, die konventionell gefertigt sind, nicht oder nur unter erheblichem Aufwand einsetzbar sind. Die konventionelle Herstellungmethode mit der Erstellung eines Verformungskörpers mittels spanender Prozesse und der anschließenden Applikation von Dehnungsmesselementen limitiert die Geometrie und Größe des Sensors. Additiv gefertigte Kraft- und Drehmomentsensoren schaffen hier einen Mehrwert, da sie einen hohen Grad an Individualisierung und eine Anpassung an anwendungsspezifische Bedürfnisse ermöglichen.

Im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 418628981) soll die Eignung des selektiven Laserschmelzens (Laser-based Powder-Bed-Fusion) als additives Fertigungsverfahren zum Aufbau von Kraftsensoren untersucht werden. Das Ziel des beantragten Forschungsprojekts besteht in der Erarbeitung von reproduzierbaren Verfahren zur Strukturintegration von Dehnungsmesselementen in additiv gefertigte komplexe Bauteile mit Kraftmessfunktion.

Während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs wird die Anzahl der kleinen Zugänge (Ports), z.B. zum Bauchraum, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch sind postoperative Schmerzen und Komplikationsraten gering und Patienten genesen schneller. Allerdings ergeben sich aus dieser Beschränkung der Freiheitsgrade neue Herausforderungen in Form der begrenzten Beweglichkeit und Navigierbarkeit der Instrumente im Körperinneren. Daher wurde im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 172196622) ein Teleoperationssystem mit parallelkinematischer Struktur entwickelt, das austauschbare chirurgische Instrumente (z.B. Greifer) als Endeffektoren besitzt und über fünf Freiheitsgrade verfügt. Zur Steuerung der Endeffektoren wurde ein haptisches Nutzerinterface geschaffen, das mittels einer Delta-Kinematik und einem Bedienelement Bewegungen detektiert, skaliert und überträgt. Umgekehrt messen Kraftsensoren die Interaktionskräfte am Endeffektor, die am Bedienelement haptisches Feedback generieren, um eine intuitive Steuerung für operierende Fachkräfte zu ermöglichen.

Die Hauptanwendung von Herzkatheterisierungen liegt in der vertiefenden Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose. Hierbei führen verschiedene Arten von Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen (Plaque) zu einer Verringerung des inneren Querschnitts. Dies sorgt für eine Minderdurchblutung des Herzmuskels und kann damit zu einem Herzinfarkt führen. Zur minimal-invasiven Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360 μm, in der Regel von der Leiste aus, durch die Arterie femoralis oder auch durch die Arterie radialis am Handgelenk in das Gefäßsystem des Patienten eingeführt und bis in die Herzkranzgefäße an die zu behandelnde Stelle geschoben. Hierzu muss der Arzt die im Gefäß befindliche Drahtspitze durch Drehen und Schieben am äußeren Ende durch die verengten Gefäße navigieren. Schwierigkeiten ergeben sich durch ein fehlendes haptisches Feedback und der dadurch erschwerten Navigation durch die Herzkranzgefäße.

Im Rahmen des Projekts HapCath (DFG Projektnummer 5429061 und 212414892) stand der Entwurf und die Realisierung eines haptischen, kraftvermittelnden Assistenzsystems für Katheterisierungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie. Der Lösungsansatz beruht auf der Kraftmessung an der Führungsdrahtspitze und der Rückführung der Kraftsignale in skalierter Form auf eine in den Behandlungsablauf integrierte haptische Bedieneinheit.