Laufende Projekte

In diesem DFG Projekt erforschen wir eine neue Klasse biologisch abbaubarer Elektrete und Ferroelektrete auf Basis von Polylactidsäure (PLA) und deren Derivaten. Diese haben das Potential einer einstellbaren biologischen Abbaubarkeit bei guter elektrischer Performanz, d.h. eine ausreichende Ladungsspeicherung und thermische Ladungsstabilität. Basierend auf unseren früheren Forschungen im Rahmen von DFG geförderten Projekten (KU 3498/1-1, SE 941/21-1) zur Erzielung einer energieeffizienten elektromechanischen Wandlung für diese mechanisch basierten Sensoren, schlagen wir die Verwendung einer Polymer-Luft-Komposit-(Hybrid-) Struktur mit geometrisch definierten luftgefüllten und elektrisch geladenen Hohlräumen vor. Diese mechanisch weichen Hybridsysteme erlauben es, hohe piezoelektrische Koeffizienten auch für sehr schwach polare Polymere wie PLA zu erreichen. Daher sind die Untersuchung und Verbesserung der Ladungsspeicherung und ihrer thermischen Stabilität essentiell, da diese die wichtigsten Eigenschaften sind, um hohe und dauerhafte piezoelektrische Koeffizienten in biologisch abbaubaren Elektret- und Ferroelektret-Hybriden zu erhalten, die dann in mechanisch basierten Sensoren eingesetzt werden sollen. Zielanwendungen sind alle mechanisch basierte Sensoren für Größen wie Kraft, Druck, Drehmoment und Beschleunigung.

Originalveröffentlichung: S. Zhukov, X. Ma, H. von Seggern, G. M. Sessler, O. Ben Dali, M. Kupnik, and X. Zhang, “Biodegradable cellular polylactic acid ferroelectrets with strong longitudinal and transverse piezoelectricity”, Applied Physics Letters, vol. 117, no. 11, p. 112 901, 2020. DOI: 10.1063/5.0023153.

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.

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

Listen2Future soll das Potenzial piezoelektrischer akustischer Wandler für neue Lösungen in den Themengebieten Gesundheit, digitale Industrie und Energie fördern. Akustische Wandlerlösungen und die zugrundeliegenden Schlüsseltechnologien können eine Antwort auf viele der Herausforderungen sein, die sich aus den neuen Anwendungsbereichen für eine zunehmend digitalisierte Gesellschaft ergeben. In medizinischen und industriellen Produkten steigt der Bedarf an „Micro-Electro-Mechanical-Systems“ (MEMS). Solche minaturisierten elektromechanischen Wandler mit geringem Stromverbrauch in Form von Mikrofonen und Ultraschallwandlern werden in diesem Prjojekt weiterentwickelt und erforscht. Ziel ist es dabei, die akustischen Sensoren durch neue piezoelektrische Materialien und Technologien dahingehend zu verbessern, die bestehenden, auf kapazitiven MEMS-Technologien basierenden Sensoren zu übertreffen und neue Anwendungsbereiche zu eröffnen.

An dem Projekt arbeiten 27 Partner aus Wissenschaft und Industrie aus sieben Nationen der europäischen Union.

Zur Listen2Future Website

Beinprothesen und -orthesen können als aktive Bewegungsassistenzsysteme oder kurz “Assistenzsysteme” bezeichnet werden, wenn sie individuell und situationsabhängig einen durchgeführten Bewegungsablauf erfassen und ihn gleichzeitig durch Einwirken von Kräften und Momenten geeignet unterstützen. Ein solches Assistenzsystem kann “nahtlos” in das Körperschema integriert werden, wenn es unterschiedliche Bewegungsabsichten selbstständig erkennt, daraus ein intuitiv vorhersagbares motorisches Verhalten erzeugt und sich damit nahtlos in das Erleben des Bewegungsalltags einfügt.

Im Rahmen des Graduiertenkolleg LokoAssist (GRK 2761 Projekt-Nr. 450821862) arbeiten Forschungsgruppen unterschiedlicher Fachdisziplinen gemeinsam den an vielfältigen und interdisziplinären Herausforderungen, die bei der Entwicklung solcher Assistenzsysteme auftreten. Der Projektbereich A3 beschäftigt sich mit integrierter und verteilter Sensorik. Der Fokus liegt hierbei auf der Erfassung und Auswertung sensorischer Informationen über system- und nutzendenbezogene Zustandsgrößen des betrachteten Assistenzsystems. Dies ist entscheidend für die Nutzung und Regelung des Assistenzsystems.

LokoAssist Webseite

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.

In der Industrie 4.0 ist die Qualität der Prozessdaten von entscheidender Bedeutung für alle nachfolgenden Prozesse. Verbindungselemente sind dafür besonders geeignet, da sie im Kraftfluss liegen und ohne konstruktive Änderungen austauschbar sind.

Im Rahmen des DFG Projektes SiSmaK (Schwerpunkt Programm 2305: Sensorintegrierrende Maschinenelemente beschäftigt sich

das FG Mess- und Sensortechnik mit der mehrachsigen Messung von mechanischen Belastungen in Schrauben. Dadurch können neben den zur Auslegung verwendeten Axialkräften auch Biegemomente erfasst werden. Trotz aller Anpassungen am Maschinenelement soll die Tragfähigkeit erhalten bleiben und durch eine vollständige Integration der Elektronik und des Energiekonzeptes die universelle Anwendbarkeit gewährleistet werden.

Darüber hinaus wird im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 466650813) die Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme auf sensorintegrierte Maschinenelemente erweitert.