Unsere 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.

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.

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Herkömmliche Faseroptiken haben drei zentrale Herausforderungen, die mit Blick auf verschiedene Forschungs- und Anwendungsgebiete adressiert werden müssen:

• Die Zerstörungsschwelle festkörperbasierter Lichtwellenleiter limitiert die Weiterentwicklung von Technologien (wie zum Beispiel Trägheitsfusion), die hohe Laserleistungen benötigen.
• Darüber hinaus sind die übertragbaren Signalbandbreiten begrenzt.
• Eine dynamische Anpassbarkeit von optischen Übertragungseigenschaften ist nur eingeschränkt möglich.

In dem interdisziplinären Verbundprojekt SPOTLITE werden diese Herausforderungen gemeinsam mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) aufgegriffen. Aufbauend auf der bereits erfolgreichen Demonstration der Methode zur Kontrolle von Licht durch intensive Ultraschallfelder ( Ultraschall lenkt Laser ab), ist das Ziel dieses Projektes die Realisierung einer verlustarmen Lichtwellenleitung durch eine akustisch modulierte Gasphase in einem zylindrischen Resonator.

Das Fachgebiet für Mess- und Sensortechnik widmet sich in diesem Rahmen der Untersuchung und Realisierung von sono-photonischen Wellenleitern durch die Analyse von Ultraschallparametern und Geometrieoptimierung solcher Resonatoren. Das Ziel ist die Erzeugung stabiler, zylindermetrischer Ultraschallfelder, die gleichzeitig dynamisch anpassbar sind. Dies ermöglicht die Umsetzung maßgeschneiderter Brechungsindexfelder für verschiedenste optische Anwendungen.

Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Forschungsprogramms Quantensysteme unter dem Kennzeichen 13N17124 gefördert.

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 an den 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

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.

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.

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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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.

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.