Being the innovation network for smart materials, smart3 promotes and coordinates research and development projects especially for SME. Current and past R&D as well as students projects within the smart³ network are described bellow.

An overview of existing prototypes can be found here.

 

Besides federally funded research and development projects, we also support students of various universities in research projects: [Go to student projects].

SmartProcesses

Process technologies for smart materials

The focus of the innovation network smart3 lies in developing trendsetting products that rely on smart materials. These can be used for energy harvesting, as actuators or sensors. Thus, a paradigm change in designing mechatronic components and products can be induced. By integrating sensor and actuator functions into the material level, existing barriers regarding space, weight and growing component complexity can be removed. This may lead to profound changes in product design (basic project Smart Tools for Smart Design), value chain design, value networks (basic project Smart Transfer), as well as in regard of new production methods.

The SmartProcesses project will result in maps to describe the potential of smart materials as well as in defining necessary steps for mass production.

Project duration: 06/2015 - 11/2016

SmartImplant

Feasibility study regarding shape memory alloy based implants for dental, spine and pelvis surgery

Main issues for replacement surgery are septic and aseptic loosening of the implant. Both, the bone structure affected by the surgery as well as degenerative diseased bone sections make high demands on an implant. The research project aims at finding new anchoring concepts based on thermal shape memory alloys. Especially withing the field of dental, spine and pelvis implants, an additional anchoring in the bone structure would have significant impact; these disciplines place emphasis on minimally invasive aditus, mechanical fixation and readiness for use directly after surgery.

SmartImplant focusses on three different use cases of implants: dental implants, pelvis implants especialls in trauma surgery, and implants for spine surgery, neurosurgery and orthopedics. The particular requirements differ based on anatomic and medical boundary constitutions. That is the basis of the respective implant concept. The active materials, necessary production technologies, as well as rules and regulations form the framework for all of these fields of application. The results of the subprojects will be used to design development and process chains for SMA implants which can be transferred to other implant systems.

Project duration: 10/2015 - 09/2016

Network Identity for smart3

Smart network for smart innovation

Network Identity aims at strengthening the innocative capacity of smart3 members and R&D projects. Real innovation, especially in fields like smart materials, can only happen aside of worn-out habits, but must focus on interdisciplinary cooperation. To enable this change in process, smart3 must establish a common reference point, a network identity, that provides orientation and guidance for all partners in designing and realising innovation concepts. However, a network identity cannot simply be set up, but its development can be commonly supported. The research project initiates this development process and promotes the necessary steps: participative research (interviews, workshops, surveys, etc.) initiates the formulation of basic rules of cooperation and a commonly accepted networl management. Both processes aim at facilitating new partner constellations in smart3, charing knowledge and ideas and implement these into concrete projects.

Project Duration: 08/2015 - 01/2017
Logo Fraunhofer IAP
Logo Fraunhofer IKTS
Logo Fraunhofer IWU
Logo FU Berlin
Logo THD
Logo Xenon Automation

SmartTransfer

Structure development for technology transfer and value added organisation for piezo-based functional components

SmartTransfer aims at developing strategic organisational structures for transferring key technologies of piezo ceramics. Thus, existing innovation barriers will be removed. The projects focusses on SME that address parts of the value chain, whose economical success on the other hand is limited by

  • Missing technologies for integration
  • path dependencies in innovation processes
  • Insufficient cultures of cooperation
  • Unused market potentials

By opening the potential of the technological know-how within smart3, the project partners design and test pilot production processes that support the rollout of smart products, reducing the investment risk.

Image: project closed
Project duration: 01/2015 - 12/2016

Smart Tools for Smart Design (ST4SD)

Bringing Engineers and Designers together for added value in product development

Developing smart materials based products requires profound technological knowledge. Thus, generally engineers develop specific applications based on smart materials. On the other hand, designers normally cannot easily acces the knowledge about specific technologies, modes of operation and handling parameters. This complicates a proper involvement in product development cycles and hinders cooperation among disciplines.

ST4SD aims at integrating design right at the start of smart materials based product development for generating products with unique selling propositions. Based on a commonly created materials database, processes, formates and tools have been designed, created and tested that allow designers to access the full potential of smart materials. Possibilities and limitations can be estimated ad hoc. This enables design and realisation of trendsetting new products based on smart materials.

Project duration: 12/2014 - 05/2016

 

PILLAR I -TECHNIQUE & TECHNOLOGY

SmaRT-MSM Serienfähige modular automatisierte Röntgenographie und Trennverfahren für MSM

Status: 33%
Project Duration: 01.05.2017 - 30.04.2020

Das Projekt SmaRT-MSM ("Serienfähige modular automatisierte Röntgenographie und Trennverfahren für MSM") hat zum Ziel, wesentliche Teile der Prozesskette zur Herstellung von einkristallinen magnetischen Formgedächtnislegierungen für Aktor- und Sensoranwendungen auf einen Serieneinsatz vorzubereiten. Der heutige Stand sind mehr oder weniger weit fortgeschrittene Laborstadien der betreffenden Prozesse. Bei dem wichtigen Schritt der Vereinzelung eines Magnetic-Shape-Memory-Kristalls (MSM-Kristall) in Elemente steht eine - nach Voruntersuchungen eingeschränkte und konkretisierte - Auswahl an Verfahren teilweise konkurrierend im Raum, so dass es weiteren Klärungsbedarf über die technisch-wirtschaftlich besten Verfahren gibt.

 

Konkret adressiert werden im Projekt die Prozessschritte Orientierungsmessung, Trennverfahren, die anschließende Oberflächenbehandlung sowie Training und Qualitätsprüfung. Im Bereich der Trennverfahren werden Diamantdrahtsägen und elektrochemisches (EC) Drahtschneiden sowie Dicing und EC-Senken bearbeitet. Besonderer Fokus wird dabei auf drei den Verfahren gemeinsamen Schlüsselthemen gelegt: Hochtemperatur-Trennen in der austenitischen Phase des Materials, Parallelisierung zur Effizienzsteigerung und Optimierung jeweiliger Schlüsselparameter. Zu Oberflächenbehandlung werden das Elektropolieren sowie EC-Senken untersucht. Alle diese Arbeiten bilden die Basis für eine rollierend zu verfeinernde technische und wirtschaftliche Bewertung.

 

Im Ergebnis des Vorhabens wird dieser entscheidende Teil der Prozesskette reif für einen Serieneinsatz der MSM-Technologie bei zunehmenden Stückzahlen sein. Verschiedene KMU aus den Neuen Ländern sind an Schlüsselstellen der Wertschöpfungskette von Beginn an eingebunden.

PERMAVIB

Universal and robust oscillation systems

Superimposed vibrations in chipping reduce both the abrasive as well as the tribochemic tool wear, causing significant reduction of process forces. Practice-oriented oscillation systems for chipping processes are more or less uncommon at the moment, the market lacks of universal and robust systems.

Approach:

 

  • Preparation of requirement profile, market analyses and feasibility study
  • Concept development for oscillation systems and variant comparison
  • Modelling and simulation of osciallation systems
  • Construction and design of selected systems
  • Design of energy supply system
  • System testing and machine integration under laboratory conditions
  • Chipping analyses under laboratory conditions
  • Procedure testing under production conditions
Project Status: 75%
Project duration: 01/2016 - 12/2018
Logo ETO Magnetic
Logo BURG Halle
Logo DIGALOG GmbH
Logo Fraunhofer IKTS
Logo TU Dresden IFD
Logo ITI GmbH
Logo SITEC GmbH
Logo XENON GmbH
 
 

SMS 2.0

Smart Magnetic Shape Memory Valves

Sms2.0 aims at enhancing the materials as well as essential enabling technologies (simulation technology, automation, control electronics, valve technology). Thus, fast acting pneumatic valves, driven by magnetic shape memory alloys, will be realised. Sms2.0 is predestined as key project as its outcome is suitable for use in a variety of industries - in food industry as well as in recycling of reusable materials or in automation technology. Furthermore, essential questions towards the material itself are addressed, which can be significantly important for the smart³ network as a whole: the material's lifespan will be enhanced, its working temperature will be increased to more than 80° C.

A peculiarity of the project is the cooperation of eight consortium partners from industry and research, aligned across the whole supply chain.

Project: 66 % due
Project Duration: 02/2016 - 01/2019

SensoTool

Tool-integrated chipping process monitoring

Growing complexity in production processes requires growing accuracy of process parameters. Even minor deviation may cause instable processes which leads to a decline in productivity and quality. Moreover, the effort for reaching stable fabrication increases significantly.

Using the example of chipping, SensoTool develops an active regulation of process parameters. Thus, process variations can be corrected instantly. Process parameters as feed or cutting rate can be updated in real-time. Thus, the process always is within the optimal range, productivity and quality can be improved, waste can be avoided. Main parameters for evaluating the processes are cutting force and tool temperature. These will be measured directly at the tool and transferred to the machine control, which realises the process intervention.

Approach:

  • Development and characterization of suitable piezoelectric film systems (PZT, AIN)
  • Concept development for integrating sensor technology and electronics into the tool
  • Development of an RFID based transfer of measured data and supply energy
  • Testing of single components
  • System integration and installation of several demonstrators
  • Testing of the system in production processes
  • Consideration of cost effectiveness and value chains
Project duration: 11/2015 - 10/2017

SmartSensiAct

Sensible selbstregelnde MSM-Antriebe für flexible Produktionssysteme

Ziel des Vorhabens Sensible selbstregelnde MSM-Antriebe für flexible Produktionssysteme – Smart SensiAct ist die Entwicklung von strukturell einfachen, intelligenten und miniaturisierten Antrieben mit magnetischen Formgedächtniswerkstoffen (MSM-Werkstoffen) für Anwendungen in der flexib-len Produktion. Neben den bekannten aktorischen Eigenschaften der MSM-Werkstoffe werden Prin-zipien zur Erfassung des aktuellen Zustandes des Aktorelementes durch Eigenschaftsänderungen im MSM-Werkstoff selbst erarbeitet. Somit wird die Integration von aktorischer und sensorischer Funk-tion erreicht. Das so entstehende innovative Aktorsystem mit sensiblem Aktorelement befähigt zu weiteren Automatisierungsschritten in der Produktion. Mit einer geeigneten Steuerung entsteht eine sich an die Aktoraufgabe selbst adaptierende Komponente. Beispielhaft in den Fokus genommen werden Anwendungen aus der Automatisierungstechnologie in Form der Greiftechnik zur effektiven und sicheren Handhabung von in Form und Haptik individuell verschiedenen Bauteilen sowie kraft- und geschwindigkeitsgesteuerte Antriebe für Mikroschneidwerkzeuge.

 

Es werden prototypische Demonstratoren geschaffen, die den komplexen Zusammenhang zwischen magnetischem Feld, mechanischen Lastgrößen sowie magnetischen Eigenschaften zur Verwirkli-chung von Kraftsteuerung in offener Kette, Positionserkennung sowie Eigenüberwachung heranzie-hen. Die Integration der sensorischen und aktorischen Funktionen im MSM-Werkstoff eines einzigen Bauteils sorgt für minimale Teileanzahl, hohen Integrationsgrad, kleine Abmessungen des Systems sowie hohe Zuverlässigkeit.

 

Das Vorhaben zielt neben Demonstratoren in den genannten Leitanwendungen auf die Entwicklung der notwendigen Befähigungstechnologien für die Verwertung der Projektinhalte in breiter aufge-fassten Anwendungen. Hierzu zählen insbesondere Modellierungs- und Simulationstechniken, Kom-ponentenentwicklung, Strukturintegration der MSM-Elemente, Magnetkreisentwurf sowie Leis-tungs- und Sensorelektronikentwicklung.

Project Status: 75%
Project Duration: 01.09.2016 - 28.02.2019

Rheoform

Verbesserte Formgebung in Extrusions- und Spritzgussmaschinen durch Schmelzevibrationsanregung

Das Ziel des Projektes ist die Steigerung der Produktivität bei der Herstellung von urgeformten thermoplastischen Kunststoffformteilen und -halbzeugen. Die Innovation des Vorhabens besteht dabei in der Nutzung der sog. Rheofluidisierung, die eine nachhaltige Senkung der Viskosität der Kunststoffschmelze ermöglicht, ohne den Kunststoff zu schädigen. Dieses Phänomen benötigt eine oszillierende Dehn- bzw. Scherbelastung der Schmelze, die in diesem Vorhaben über den Einsatz von Funktionswerkstoffen (Piezokeramiken) eingebracht werden soll. Daraus entstehen völlig neuartige Innovationspotentiale, die vorhandene und aufwendige Produktionen verschlanken oder generell ermöglichen können.

Die Funktionswerkstoffe sollen in bestehende kunststoffverarbeitende Anlagen integriert werden. Dazu sollen im Rahmen des Projektes Spritzgieß- und die Extrusionsanlagen ausgerüstet werden, um den Effekt der Rheofluidisierung produktionssteigernd zu nutzen. Darüber hinaus können weitere Vorteile aus einer rheofluidisierenden Schwingungsanregung generiert werden.

Diese Verbesserungen ermöglichen eine allgemeingültige Erhöhung der Produktivität bei Spritzgieß- und Extrusionsverfahren. Es werden neue Freiheitsgrade in der Form- und Werkzeuggestaltung bereitgestellt, die Herstellprozesse stabilisieren oder ermöglichen können. Darüber hinaus erschließen sich neue Materialkombinationen bei Mehrkomponentenverfahren, insbesondere bei
der Extrusion.

Progress: 50 %
Project Duration: 01/2017 - 06/2019

SmartTiltingSystems

Intelligentes Ausrichten in Finish-Einheiten

Das neue Industriezeitalter 4.0 wird geprägt von Konzepten der selbstlernenden Fertigung mit hochdynamischen Bearbeitungsverfahren und vollvernetzten Maschinen. Im Hinblick auf die Umsetzung von Visionen hat sich das Projektkonsortium das Ziel gesetzt, ein intelligentes Werkzeug und die neuartige Technologie des Kurzhub-Formhonens zu entwickeln.

Mit Hilfe der Interaktion von piezokeramischer Sensorik und Aktorik in unmittelbarer Nähe der Finish-Werkzeuge soll erstmals eine definierte Herstellung von Mikro-Geometrien und tribologischoptimalen Oberflächen an Wälzlagerbauteilen durch das Kurzhub-Formhonen erfolgen. Die technischen Ziele sind eine selbstadaptierende Feinausrichtung des Honwerkzeugs in einer direktangetrieben, adaptiven Finish-Einheit umzusetzen sowie eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Sensorik, Aktorik und der übergeordneten Achssteuerung der Werkzeugmaschine zu entwickeln. Mit Hilfe von standardisierten Schnittstellen soll das Gesamtsystem kompatibel für ein breites Maschinenspektrum sein und nach dem „plug and play“-Konzept ausgelegt werden. Das technologische Ziel verbirgt sich hinter der Regelung der Bearbeitungsparameter hinsichtlich der Online-Einstellung des optimalen Prozessfensters der Werkzeuge, um eine hohe Prozesskontrolle und Qualitäten mit 0%-Ausschuss zu erreichen. Die prozessnahe Sensor-Aktor-Anordnung mit innovativen Regelstrategien lässt einen reaktiven Prozess entstehen. Somit sind produktivitätssteigernd höchste Abträge mit geringstem Werkzeugverschleiß zu erwarten. Mit Hilfe einer sensitiven Prozesskrafterfassung sollen die Aktoren in der Lage sein, auf einer vorgefertigten mikroballigen Werkstückform eine konstante Flächenpressung zwischen dem Werkzeug und Werkstück zu erzeugen und ein selbstschärfendes Werkzeug einstellen. Dies erfordert eine dynamische, dreidimensionale Werkzeugpositionierung vor und während der Bearbeitung im Mikrometerbereich. Neben der gezielten Formgebung von komplexen Werkstückkonturen mit starren Systemen soll das Gesamtsystem auf kleinste Prozessabweichungen reagieren.

Mit der Umsetzung der Projektidee wird erstmal technisches und technologisches Neuland hinsichtlich des Kurzhub-Formhonens betreten sowie ein Beitrag zur neuen industriellen Revolution geleistet.

Project Status: 50%
Project Duration: 03/2017 - 02/2020

PISTOL³

Piezogetriebene Strahlformung zur hochdynamischen Lasermaterialbearbeitung um 3D-Raum

Anspruchsvolle Lasermaterialbearbeitungsprozesse rücken immer mehr in den Fokus der wirtschaftlichen Fertigung. Insbesondere Schweiß- und Schneidapplikationen sowie das Mikrostrukturieren komplexer räumlicher Konturen oder sehr großer Flächen werden für zahlreiche Anwender interessant. Gefordert werden dazu brillante Laserstrahlquellen und angepasste Bearbeitungsoptiksysteme. Brillante Laserquellen mit hohen Leistungen, sehr guter Strahlqualität und sehr hohen Pulswiederholraten stehen industriell zur Verfügung. Bisher gelingt es allerdings nur unzureichend, diese Potenziale in die Fertigung zu transferieren. Ursache ist die begrenzte Performance der Strahlführungs- und -ablenksysteme für Großflächen- und 3D-Applikationen. Hier sind für 3D-Bearbeitungen mit Standardoptiken bzw. für große Strahlauslenkungen bei der Remote-Bearbeitung Korrekturen der Fokuslage in Richtung der Strahlachse erforderlich. Darüber hinaus sind für Hochleistungsschweiß- bzw. Schneidprozesse hochdynamische Modulationen der Fokuslage wünschenswert, um Prozessstabilität und Bearbei-tungsergebnis positiv zu beeinflussen.

 

Gegenstand des Vorhabens ist die Entwicklung eines piezogetriebenen Optikmoduls zur hochdynamischen Brennfleckmodulation für die Lasermaterialbearbeitung. Dieses HiDyn-Piezomodul soll in Laser-Bearbeitungssysteme integriert werden, um die herkömmliche 2D-Strahlmanipulation in der Bearbeitungsebene (X-, Y-Achse) durch eine hochdynamische Bewegung in Richtung der Strahlachse (Z-Achse) zu erweitern. Ziel ist es, anwendungsbereite Optik-Systemtechnik zu entwickeln, um die aktuellen Grenzen der Lasermaterialbearbeitung in den Bereichen Strukturieren, Schneiden und Schweißen signifikant zu erweitern.

 

Die Integration piezogetriebener hochdynamischer Z-Achs-Module in Bearbeitungsoptiken oder 2D-Scanner basiert auf einer zu entwickelnden einheitlichen Hardware- und Softwareplattform die es erlaubt, unterschiedliche Applikationen der Lasermakro- und Mikromaterialbearbeitung zu adressieren:

  1. Vergrößerung des Scanbereiches für das Großflächenmikrostrukturieren für organische Photovoltaik durch integrierte Fokuslagennachführung bei starker Strahlauslenkung
  2. Beeinflussung der Schmelzbaddynamik durch hochdynamische Oszillation der Fokuslage (axiales Wobbeln) zur Effizienzsteigerung und Prozesserweiterung beim Laserstrahlschneiden und –schweißen
  3. Hocheffiziente 3D-Bearbeitung (Schneiden und Schweißen) komplexer Geometrien durch Kombination von schneller Fokuslagennachführung und axialem Wobbeln.

 

Leistungsfähige Systeme der Lasermaterialbearbeitung sind gekennzeichnet durch effiziente Werkzeuge (Laserquellen und Optiken). Die aktuelle Marktentwicklung ist getrieben durch immer leistungsfähigere, brillantere und kostengünstigere Laserstrahlquellen. Auch für die Zukunft ist mit einem starken Marktwachstum zu rechnen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Nutzung dieser Strahlquellen sind Optiksysteme zur dynamischen und flexiblen Strahlablenkung. Für die Bewegung des Laserstrahls stehen bereits aktorische Teillösung wie Linearantriebe und X-Y-Scannersysteme zur Verfügung, die jedoch entweder in der erzielbaren Dynamik (Lineardirektantriebe) oder den adressierbaren Freiheitsgraden (X-Y-Scanner) beschränkt sind. Für eine hochdynamische Bewegung des Laserstrahls in allen Raumrichtungen ist die Erschließung der dritten Dimension (Z) mit hoher Dynamik zwingend erforderlich. Diese überlegene Anlagentechnik wäre Grundlage für eine Steigerung der Produktivität und Qualität in der Lasermaterialbearbeitung sowie für eine Erweiterung des Anwendungsspektrums, z. B. durch:

  • Die Korrektur der optische Verzerrungen infolge großer Strahlauslenkungen in der X-Y-Ebene mittels hochdynamischer Fokuslagenanpassung und Strahlformung sowie
  • hochdynamische axiale Oszillation, zur Stabilisierung von Keyhole und Schnittfront, zur Erweiterung der Prozessgrenzen (höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Wandstärken)
  • Basierend auf einem piezoaktorisch angetriebenen deformierbaren Spiegel (HiDyn-Piezomodul) erfolgt eine Änderung der Ausbreitungscharakteristik des Laserstrahls, um sowohl nominelle Brennweite als auch Brennfleckform gezielt, hochdynamisch zu verändern. Die angestrebten Zielparameter der zu entwickelnden hochdynamischen Bearbeitungsoptiken orientieren sich an den typischen Anwendungsszenarien für Laserstrahlschweißen, -schneiden sowie -strukturieren.

Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020

 

FGL-Implantat FGL-Implantate für die Dental-, Wirbelsäulen- und Beckenchirurgie

FGL-Implantat

FGL-Implantate für die Dental-, Wirbelsäulen- und Beckenchirurgie

Im Rahmen des Basisvorhabens "Entwicklung von Implantaten mit integrierten Formgedächtnismaterialien für die Dental-, Wirbelsäulen- und Beckenchirurgie" konnten die Antragsteller erfolgreich die Umsetzbarkeit von Implantaten mit integrierten Formgedächtnis-Aktoren im Stadium eines Labor-Demonstrators zeigen.

 

Bei den entwickelten Implantat-Konzepten werden die integrierten Formgedächtnis-Elemente nach dem Einbringen des Implantats in den Körper durch die Körperwärme aktiviert und erzeugen dabei eine Druckkraft auf das knöcherne Umfeld. Dadurch erhöht sich die Primärfestigkeit (Verankerungsstabilität ohne Einwachsen des Implantats) nach dem Prinzip eines Dübels. Je nach chirurgischer Disziplin ergeben sich unterschiedliche anatomische Randbedingungen, die bei der Konstruktion Beachtung finden müssen.

 

In umfangreichen Recherchen wurden die klinischen, technischen und rechtlichen Randbedingungen und Anforderungen ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der dringende Bedarf an erhöhter Primärfestigkeit von Schrauben-Implantaten durch integrierte Formgedächtnis-Elemente gedeckt werden kann. Zudem kann der Verankerungsmechanismus mit Formgedächtnis-Elementen umkehrbar gestaltet werden, sodass das Schrauben-Implantat im Falle einer Folgeoperation (Revision) wieder gewebeschonend entfernt werden kann.

 

In Hinblick auf die Biokompatibilität der Nickel-Titan Werkstoffe konnten derzeit keine negativen Studien oder Befunde festgestellt werden. Titan-Werkstoffe gelten in der Medizintechnik als state of the art. Nickel-Titan-Legierungen sind ebenfalls weit verbreitet und werden bspw. für Stents eingesetzt.

 

Das Konzept sieht ein Schrauben-Implantat für die Wirbelsäulen-Chirurgie vor, das aufgrund der anatomischen Randbedingungen im Wirbelkörper seitlich gegen dichte Knochenbereiche (Corticalis) presst.

 

Problemstellung Schraubenimplantate in der Becken- und Wirbelsäulenchirurgie

In der Becken- und Wirbelsäulenchirurgie kommen zur operativen Versorgung von Frakturen häufig Plattensysteme für die Osteosynthese zum Einsatz, die im Knochen verschraubt werden. Die Platten und Schraubenimplantate sollen dabei die Frakturteile möglichst in der vom Chirurgen geplanten Position mechanisch stabil fixieren, um die erfolgreiche Ausheilung der Fraktur zu ermöglichen.

 

Sowohl bei der Implantat-Erstversorgung als auch bei Folgeoperationen ist eine sichere Verankerung und hohe Primärstabilität direkt nach dem Einbringen des Schraubenimplantats im knöchernen Umfeld entscheidend für den klinischen Erfolg der Therapie. Um die gesundheitlichen Risiken, die enorme Belastung für den Patienten und die hohen Kosten von Folgeoperationen zu vermeiden, ist die Verbesserung von Schraubenimplantaten und deren Standzeiten unumgänglich.

 

Häufiger Grund für Folgeoperationen (Revisionen) ist das Versagen des Verankerungselements aufgrund septischer, wie auch aseptischer Lockerungen in Folge von Mikrobewegungen an der Implantat-Knochen-Schnittstelle. Besonders problematisch stellt sich eine stabile Verankerung in Knochenregion dar, die z. B. durch Osteoporose degenerativ, oder durch vorhergehende Operationen geschädigt sind.

Problemstellung Zahnimplantate in der Dentalchirurgie

In der Dentalchirurgie treten durch Entzündungs- und Abstoßungsreaktionen in ca. 5 % der Fälle (ca. 50.000 Fälle pro Jahr) Implantat-Lockerungen auf, die zu einem Versagen der Implantate führen. Ein Großteil der frühzeitigen Implantat-Verluste ist ebenfalls auf mangelhafte Primärstabilität zurückzuführen, was u.a. Komplikationen während der Einheilung und unzureichendes Anwachsen des Knochens an das Implantat zur Folge hat. Derartige postoperative Komplikationen führen zu Entzündungen und einem Rückgang der Schleimhaut und ziehen eine aufwändige und kostenintensive Nachbehandlung des Patienten nach sich.

 

Zudem werden Zahnimplantationen derzeit aufgrund der nicht ausreichenden Primärfestigkeit oftmals zweizeitig durchgeführt. Das bedeutet, dass zunächst in einer ersten Operation das Verankerungselement eingebracht wird, das anschließend versiegelt und ohne den Zahnaufbau in den Knochen einheilen soll. Nach 4-6 Monaten gilt der Eingriff in den Knochen als ausgeheilt und es folgt eine zweite Operation, in der der eigentliche Zahnersatz eingebracht werden kann.

 

Die heute am Markt erhältlichen Implantatsysteme setzen zur Erhöhung der Primärstabilität lediglich auf ein mechanisches Verpressen des Knochenmaterials durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Gewindesteigungen. Dazu ist im oberen Teil der Schraube ein feineres Gewinde vorgesehen. Dabei wird jedoch eine Schädigung des knöchernen Umfelds und damit verbunden eine höhere Ausheildauer in Kauf genommen.

Problemstellung Bandscheibenersatz (Cage)

Im Zuge der Bearbeitung des Basisvorhabens konnte in Zusammenarbeit mit den klinischen Partnern, ergänzend zu den Schraubenimplantaten mit integrierten Formgedächtnis-Elementen ein weiteres Anwendungsfeld erschlossen werden. Es wurde die These aufgestellt, dass sich die aktiven Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen auch bei der Entwicklung eines neuartigen, anatomisch angepassten Bandscheibenersatzes in Form eines Cages nutzen lassen.

 

Bei schweren Bandscheibenvorfällen, sowie massiven Verengungen des Wirbelkanals ist es oftmals nötig, die betroffene Bandscheibe vollständig zu entfernen. In den Wirbelzwischenraum wird daraufhin ein Platzhalter (Cage) eingesetzt, der die Wirbelsäule stabilisiert und den alltäglichen Belastungen standhalten muss. Derzeit werden Cages zum Bandscheibenersatz als massive, starre Blöcke ausgeführt, die von ihrer Form her nicht an die anatomischen Gegebenheiten angepasst worden sind

Inhalte und Ziele des Projektes

Mit dem geplanten Folgeprojekt soll zum einen das Basisvorhaben erfolgreich weitergeführt werden, um die Entwicklung von Implantaten mit integrierten Formgedächtnis-Elementen zur aktiven Verankerung und Erhöhung der Primärstabilität voranzutreiben.

 

Darüber hinaus sollen Strukturen und Abläufe für eine umfassende Planungs-Prozesskette geschaffen werden, in die die neuartigen Implantate in Rahmen einer ganzheitlichen Behandlungsstrategie eingebettet werden. Den Chirurgen der beteiligten Disziplinen (perspektivisch sind Erweiterungen geplant) soll eine Planungs-Prozesskette von der 3D-Planung der Implantation, über die Testung in anatomisch realistischer Knochenumgebung, bis hin zur effizienten Fertigung ermöglicht werden. Unter Einbeziehung von Technologien nach dem Stand der Technik bietet sich eine strukturierte, behandlungs- und patientensichere Versorgung.

 

Ein besonderer Forschungsschwerpunkt liegt zudem auf Untersuchungen zur Implantat-Knochen-Schnittstelle. Bestehende Modelle können die anatomisch realistischen Verhältnisse nur unzureichend abbilden, so dass detaillierte Wechselwirkungen zwischen Implantat und Knochen im Implantat-Planungsprozess bisher keine Berücksichtigung finden. Handlungsbedarf besteht, da diese Schnittstelle oftmals Ausgangspunkt von Entzündungen ist und der Knochen bei Fehlbelastung vom Implantat beschädigt wird oder zurückweicht.

 

Für das Projekt ergeben sich folgende Zielstellungen:

  • Weiterentwicklung der im Basisvorhaben von den beteiligten chirurgischen Disziplinen (Dental-, Becken- und Wirbelsäulenchirurgie) erstellten Konzepte für Schrauben-Implantate mit integrierten Formgedächtnis-Elementen, insbesondere in Hinblick auf die Verankerung in osteoporotischen, bzw. durch vorhergehende OPs geschädigten Knochen
  • Erweiterung der materialtechnischen Betrachtungen zur umfassenden Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Implantat und Knochen
  • Entwicklung von experimentellen und numerischen Analysen zur umfassenden Beschreibung der Implantat-Knochen-Schnittstelle und Auslockerungsmechanismen
  • Entwicklung effizienter Fertigungs- und Montagestrategien zur Überführung der unter Laborbedingungen erstellten Demonstratoren in ein Funktionsmuster 
  • Übertragung der Konzepte für Schraubenimplantate mit integrierten Formgedächtnis-Elementen auf andere Bereiche des menschlichen Körpers 
  • Entwicklung eines neuartigen Cages zum Bandscheibenersatz mit integrierten Formgedächtnis-Elementen, mit dem Ziel, den Cage möglichst gewebeschonend einbringen zu können, um die Schwere des Eingriffs zu reduzieren und körpereigenes, gesundes Knochenmaterial zu schonen
Projektortschritt: 30%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020
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Logo Fraunhofer IWU
Logo Universität Leipzig
Logo Zahntechnik Goepel

Cumulino

Active positioning cushion based on SMA

In Germany, on average 673.500 children are born each year. Research shows that 19.7% of infants in the fourth month are affected by cranial asymmetry. The percentage rises significantly in countries where supine sleeping position is recommended to avoid a major cause of sudden infant death syndrome (SIDS).
These deformities can be caused postnatally, but also by positional anomalies in utero. Cranial asymmetry is an asymmetric growth of the infant's skull caused by external pressure in connection with relatively rapid growth and the skull's weak structure (plagiocephalus). Due to the infants' immobility in the first months, pressure may be applied on the same area of the cranium for relatively long periods of time which intensifies the negative effects.

The R&D project develops a positioning system that continuously moves the infant's head left to right. This is realised by shape memory alloys that steadily deform in a predefined manner. Thus, without interrupting the child's sleep, various contact points of the cranium can be approached which avoids a permanent pressure. Thus, deformation can be avoided and treated.

As acturator, noiseless shape memory alloys, integrated into synthetic kinematics, will be unsed. The head's movement is realised in customizable, electronically controleld intervals. A textile structure serves as direct interface to the patient.

Furthermore, the intergration of periphery like babyphone, child surveillance sensors for detecting the head's position or the like will be researched.

Project closed
Project Duration: 05/2016 - 10/2017

FGL-Saug-/Spülsystem

Chirurgische Saug-/Spülsysteme aus Formgedächtnismaterialien

Die Stirnhöhle ist durch ihre spezielle anatomische Lage operativ besonders schwierig zu erreichen. Das operative Spektrum reicht von der Freimachung des Drainageweges durch die Siebbeinzellen (sogenannte Typ-I-Drainage nach Draf) bis zur maximalen Wegnahme des Stirnhöhlenbodens durch die Nase (Typ-III-Drainage). Besonders wichtig ist die endoskopische Wegnahme und Eröffnung von Siebbeinzellen welche die Stirnhöhlendrainage einengen. Dies verlangt den Einsatz spezieller Winkeloptiken und spezieller Stirnhöhleninstrumente.

 Bedingt durch die besondere Lage besteht unter Anwendung von konventionellen Instrumenten die Herausforderung, die Stinhöhle für die Präparation gut zu erreichen. Vorgegebene Biegungen an Instrumenten wie der Stirnhöhlenstanze, gebogene Zängchen oder Stirnhöhlensauger benötigen auch annähernd gleiche anatomische Strukturen. Stirnhöhlen, die schwer zu erreichen sind, machen die Erweiterung des knöchernen Stirnhöhlenzuganges durch Abtragen des Stirnhöhlenbodens erforderlich.

 

Im FuE-Projekt soll ein chirurgischer Sauger entwickelt werden, der in der geraden Ausgangsform in die Nase eingeführt wird, um dort wenig Platz einzunehmen. Anschließend soll das Instrument durch den Chirurgen "auf Knopfdruck" die eingeprägte gebogene Zielgorm einnehmen, damit die Nische des mittleren Nasengangs zwischen der Stirnhöhle und Nasenhaupthöhle besser erreicht werden kann. Dies soll mit Hilfe thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) umgesetzt werden. Die Aktivierung kann bsp. elektrisch über eine Widerstandserwärmung oder durch werwärmtes Spülwasser erfolgen.

Weiterhin soll die Entwicklung genutzt werden, um den konventionellen Stirnhöhlensauger um die Funktion eines Spülkanals zu erweitern. Bisherige Stirnhöhlenpräparationen erfordern einen stetigen Wechsel zwischen der Einführung eines Saugers und der Spülsonde.

Das Funktionsprinzip soll auch auf Saug-Spül-Vorrichtungen für Eingriffe in der Dental- sowie der Neurochirurgie übertragen werden.

 

Mit der individuell angepassten Form kann ein besserer Winkel erreicht und damit das Verletzungsrisiko minimiert werden. Die angepasste Form könnte dazu beitragen, weniger traumatisch zu operieren. Es wird angenommen, dass Instrumentenwechsel durch die Kombination von Sauger und Spülung reduziert werden und zu einem geringeren Verletzungsrisiko und damit höherer Patientensicherheit beitragen. Es besteht weiterhin die Annahme, dass diese Entwicklung auch zu einer Verkürzung der OP-Zeit führt.

Project Duration: 07/2016 - 12/2017

 

ADAPTEX Intelligent-adaptive textile Hüllen für die Architektur

ADAPTEX

Entwicklung eines textilen Sonnenschutzes mit Formgedächtnislegierungen zur Anwendung für intelligent-adaptive Hüllen im architektonischen Kontext.

Smart Materials werden in wichtigen Industriebereichen wie dem Maschinenbau, der Automobilbranche oder der Medizintechnik bereits serienmäßig eingesetzt. Im Bauwesen finden sie jedoch noch nahezu keine Anwendung. Hohe Ansprüche an Dauerhaftigkeit und Beständigkeit, sowie die Großmaßstäblichkeit von Bauelementen haben bisher eine Anwendung von Smart Materials für „Smarte Bauelemente“ oder „Smart Surfaces“ verhindert.

Genau hier setzt ADAPTEX an. FGL-Elemente sind als Smart Materials aufgrund ihrer Verschleißfreiheit, Langlebigkeit und Wartungsfreiheit prinzipiell sehr gut für Bauanwendungen geeignet. Als Produkt sind sie allerdings eher für die Genauigkeit und Maßstäbe des Maschinenbaus ausgelegt als für Architektur/Fassadenanwendungen. Das Vorhaben ADAPTEX schließt diese Lücke durch textile Anwendungen.

Zielstellung ist die Entwicklung eines textilen Sonnenschutzes, der strukturelle Anpassungen innerhalb der Fläche vornehmen kann. Das Textil kann sich aufgrund seiner Flexibilität selbst komplexen Baukörper-Geometrien anpassen und dynamische Übergänge in seiner Struktur bzw. Funktionalität schaffen.

Die leichte und flexible Struktur ermöglicht den Einsatz sowohl im Neubau, als auch bei der energetischen Bestandssanierung, die einen Großteil des wirtschaftlichen Bauvolumens ausmacht.

Projektfortschritt: 20%
Projektlaufzeit: 01.12.2017 - 30.11.2020
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SmartSkin

Selbstregulierenden Sonnenschutzkomponenten für die Gebäudehülle

Laut EU-Parlament müssen die Mitgliedsländer der Europäischen Union 2020 sicherstellen, dass alle öffentlichen Bauten als Niedrigstenergiegebäude ausgeführt werden. Aus diesem Grund müssen ganzheitliche Energiekonzepte entwickelt werden, die den Primarenergieverbrauch des Gebäudes erheblich reduzieren. Gleichzeitig hat der Kühlenergiebedarf bei Gebäuden in den vergangenen Jahren rasant zugenommen.
Vor allem im Nichtwohnungsbau kommen Klimatisierungsanlagen zum Einsatz, um der sommerlichen Überhitzung entgegenzuwirken. Internationale Studien gehen davon aus, dass es von 1990 bis 2020 zur Vervierfachung des Kühlbedarfs kommen wird. Aus dieser Entwicklung resultieren immense ökologische Probleme. Energieautarke Systeme haben hier ein sehr großes Zukunftspotenzial.

 

Der Einsatz gut ausgelegter Verschattungssysteme kann den Bedarf an Kühlenergie um bis zu 75 % minimieren. Konventionellen Systeme bergen jedoch einen hohen Wartungsaufwand, der Betriebsenergiebedarf ist hoch und die teilweise noch fehlerhafte Steuerung aus ökologischer und ökonomischer Sicht problematisch.
Im angestrebten Projekt soll der Lösungsansatz eines energieautark funktionierenden Verschattungssystems umgesetzt werden mit dem Ziel der Reduzierung des Energiebedarfs zur Raumklimatisierung sowie der kompletten Einsparung der Betriebsenergie in Neu- und Bestandsbauten. Hierfür soll eine thermosensitive Aktorik auf Basis des Formgedächtniseffektes entwickelt werden, die das Verschattungssystem den Umgebungsbedingungen entsprechend reguliert. Gleichzeitig soll ein Eingreifen des Nutzers teilweise ermöglicht werden z. B. im Winter, um trotz nicht benötigtem Überhitzungsschutz einen bedarfsgeregelten Blendschutz zu ermöglichen.

 

Im vorliegenden Projekt soll ein energieautarkes, selbstregulierendes Verschattungssystem entwickelt werden. Dabei soll die Möglichkeit eines manuellen Eingreifens im Bedarfsfall (Blendschutz) gegeben bleiben und dennoch eine reduzierte Komplexität im Vergleich mit bestehenden Systemen gleicher Funktionalität erreicht werden. Gelingen soll dies durch die Entwicklung einer entsprechenden Aktorik auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Diese soll im Sommer mithilfe des thermosensitiven Materials eine auf die Umgebungsbedingungen abgestimmte autarke Verschattung realisieren.
Dadurch wird die Energieeffizienz des Systems extrem gesteigert. Im Winter, wenn in der Regel aufgrund der Umgebungsbedingungen keine selbstregulierende Verschattung eintritt, soll ein manuelles Eingreifen des Nutzers ermöglicht werden, um die Benutzerfreundlichkeit des Systems zu erhöhen und damit die Marktakzeptanz erheblich zu steigern.

Project Duration: 06/2016 - 11/2017
 
 
 

SoundAdapt

Adaptive Oberflächenmodule zur anwendungsspezifischen Optimierung der Raumakustik

Kaum ein Raum ist akustisch perfekt und jeder Raum klingt anders. In Mehrzweckräumen werden akustische Kompromisse gefordert, die nicht selten zu Lasten mehrerer Beteiligter gehen. In Konzertsälen hingegen steht nicht nur der Musikgenuss der Zuhörer im Mittelpunkt, sondern auch die Hörbarkeit der Musiker untereinander. Die akustische Raumwahrnehmung hängt dabei einerseits stark von der Form und dem Volumen eines Raumes ab, andererseits auch von der Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände, Decken und Böden. Je nach Nutzungsart sind zudem verschiedene Klangantworten in Räumen wünschenswert und notwendig. Für eine gute Sprachverständlichkeit ist eine andere Raumwahrnehmung erforderlich als bei der Darbietung von Musik. In der Musik hat jede Stilrichtung eine z.T. deutlich unterschiedliche Anforderung an Aufführungsräume. Meist ist eine Vielzahl von einzelnen Maßnahmen notwendig, um einen Raum an die Bedürfnisse der Nutzer anzupassen. Die raumakustischen Anpassungen verursachen oft sehr hohe Kosten und wurden in größerem Rahmen bisher nur in seltenen Einzelfällen, wie z.B. im Konzertsaal Luzern oder im Royal Opera House in Oman, angewandt.

Die hohe Qualität von dargebotener Musik kann nur durch intensives und kontinuierliches Einstudieren garantiert werden. Gerade in Übungs- und Proberäumen werden nicht nur Opernarien oder Lieder einstudiert, sondern es üben Musiker auf verschiedensten Instrumenten. Weist ein Raum zu wenig Nachhall auf, dann klingt er zu "trocken" und einem Sänger fehlt die Einschätzung der eigenen Stimme. Ist ein Raum hingegen zu "hallig", dann ist der Klang von Instrumenten nicht eindeutig zu erfassen und die Musik "verschmiert". Eine Raumakustik, die an die Erfordernisse der jeweiligen Nutzer gezielt angepasst werden kann, ist vor allem der Wunsch vieler Musiker.

Zudem hat die Raumakustik einen entscheidenden und qualitätssichernden Anteil an der Wahrnehmung von Sprache. Es gibt eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen, die sich mit der kognitiven Lernleistung von Kindern in Abhängigkeit der Akustik von Klassenräumen beschäftigen. Haben Kinder Höreinschränkungen, so sind besondere Anforderungen an Klassenräume gestellt. Häufig kann in den Schulen dann nur ein einziger Raum genutzt werden, der speziell für Kinder mit Höreinschränkungen akustisch ausgelegt werden muss. Ein flexibler und fächerübergreifender Unterricht ist dann nicht mehr möglich.

Ziel des Vorhabens ist es, akustisch veränderliche Oberflächen unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen (FGL) zu schaffen. Damit können raumakustische Parameter von unterschiedlichsten Räumen gezielt verändert werden. Mehrzweck- oder Probenräume können damit einfach und schnell der aktuellen Raumnutzung entsprechend verändert werden.

In Klassenräumen oder Seminarräumen kann die Lernleistung erhöht werden, indem die Innenakustik an die Bedürfnisse der Gruppe angepasst wird. Eine optimale Innenraumakustik senkt im Allgemeinen zusätzlich den Schalldruckpegel im Raum ab, was insbesondere in Kindergärten das Risiko von Gehörschäden bei Kindern und Pädagogen reduziert.

Status: 45%
Project Duration: 03/2017 - 02/2020

 

Smart eDrive Wirkungsgradsteigerung von elektrischen Aggregaten in Kraftfahrzeugen durch aktive Werkstoffe (Machbarkeitsstudie)

Smart eDrive

Wirkungsgradsteigerung von elektrischen Aggregaten in Kraftfahrzeugen durch aktive Werkstoffe (Machbarkeitsstudie)

Die Bundesregierung verfolgt mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität (NEPE) das Ziel, die Abhängigkeit des Verkehrssektors von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und die Verbreitung alternativer Kraftstoffe und Antriebe zu erhöhen. Die Bundesrepublik Deutschland soll in diesem Bereich zum Leitmarkt und Leitanbieter werden. Bis zum Jahr 2020 werden beispielsweise eine Million zugelassene Elektrofahrzeuge in Deutschland angestrebt. Neben der Lösung der technischen und energielogistischen Herausforderungen sind ebenfalls gesellschaftliche Rahmenbedingungen zu schaffen und die Aufgeschlossenheit und Akzeptanz der Gesellschaft zu fördern. Andererseits sollten auch technische Entwicklungen im Kontext der Kundenanforderungen gesehen und so der Erfolg des Produktes ermöglicht werden. Eben diese Kundenanforderungen, zum Beispiel in Bezug auf den Komfort von Fahrzeugen, deren Sicherheit oder auch deren Ressourceneffizienz, steigen stetig an. Dies führt dazu, dass die Anzahl und Funktionsumfänge an elektrischen Stellantrieben und elektrischen Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen kontinuierlich zunehmen. Um den Komfort im Fahrzeug zu erhöhen, können zum Beispiel Sitze und Spiegel elektrisch verstellt werden oder das Klimamanagement an die Kundenbedürfnisse individuell angepasst werden. Außerdem übernehmen elektrische Nebenaggregate Funktionen, die vom Kunden nicht direkt gesteuert werden. Betriebsmittel
wie Öl oder Kraftstoff werden durch elektrische Pumpen gefördert oder die Lenkbewegung durch elektrische Motoren unterstützt. Bei all ihren Vorteilen zur Erhöhung des Fahrkomforts, der Effizienz und der Funktionalität des Fahrzeuges, können die elektrischen Antriebe und Nebenaggregate jedoch auch negativ vom Kunden wahrgenommen werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn sie während ihres Betriebes Geräusche verursachen, die vom Kunden als störend empfunden werden und somit die Qualitätsanmutung des Fahrzeuges deutlich verschlechtern.


Der Trend zur zunehmenden Elektrifizierung des Kraftfahrzeuges wird zukünftig weiter voranschreiten.
Sei es durch den Einsatz alternativer Antriebskonzepte, durch die Optimierung bisheriger Antriebe, zum Beispiel durch die Start-Stopp-Funktionen, oder durch die Zunahme der Anzahl elektrischer Hilfsantriebe. Im Gegensatz zur damit steigenden Anzahl der elektrischen Verbraucher steht das Ziel zum effizienten Umgang mit Ressourcen. Neben dem Verbrauch von Energie in Form von Kraftstoff oder Strom sind hier ebenso der notwendige Einsatz von Kunststoffen und der Einsatz von begrenzten Rohstoffen (z.B. Metallen der Seltenen Erden) zu nennen. Nur mit einem auf den jeweiligen Anwendungsfall optimierten elektrischen Verbraucher kann der Material- und Energieeinsatz so gering wie möglich gehalten werden. Hierzu zählt ebenso eine bestmögliche Auslegung des Systems in Bezug auf den Wirkungsgrad. Wie Erfahrungen gezeigt haben, geht jedoch meist auch eine hohe Geräuschentwicklung mit einem hohen Wirkungsgrad einher. Bei der Entwicklung elektrischer Komponenten wird daher stets ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad respektive dem sparsamen Umgang mit Ressourcen und einem guten akustischem Verhalten gesucht.


Im Rahmen des angestrebten Forschungsvorhabens soll eine Machbarkeitsstudie für den Einsatz von aktiven Materialien (smart materials) in Kraftfahrzeugen zur Wirkungsgradsteigerung elektrischer Aggregate erstellt und anhand ausgewählter Demonstratoren die Wirksamkeit nachgewiesen werden. Da die vollständige Substitution bisheriger elektrischer Antriebe nicht in jeden Fall möglich ist, soll als erster Schwerpunkt dieses Vorhabens die Möglichkeiten der Wirkungsgradsteigerung durch funktionserweiterte Integration von smart materials bei elektrischen Aggregaten untersucht werden.


Das Ziel ist dabei ein optimal angepasster Wirkungsgrad im jeweiligen Betriebszustand und gleichzeitig ein akustisch unauffälliges und vom Kunden akzeptiertes Geräusch.

Den zweiten Themenschwerpunkt bildet die Analyse zu Möglichkeiten der vollständigen Substitution
bisheriger elektrischer Antriebskonzepte durch alternative Antriebskonzepte mit smart materials.

Das Ziel ist hierbei eine Reduktion des benötigten Bauraumes, der Anzahl an Einzelteilen und des Gewichtes bei gleichbleibendem oder höherem Wirkungsrad und mindestens gleichbleibendem akustischem Verhalten.

Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.10.2017 - 31.03.2019

SmartFrame+

Safety for lightweight transportation

The R&D project will interconnect several sustainable areas of mobility. Starting with cycling industry, SmartFrame+ explores the potential of lightweight construction in terms of maximum safety. That means detecting hidden damages in the bicycle's frame as well as the tactile communication of potential dangers ahead of the cyclist.

The interdisciplinary approach is based on an experts plattform that has been developed in the smart³ StartSmart project.

After applying the findings to existing leightweigt bicycles, a demonstrator will be build to test complex scenarios, using piezo-ceramic sensors and actuators. This will result in the introduction of exploration options for the cycling industry as well as other areas of mobility.

Project Duration: 06/2016 - 05/2019

 

Logo Säule II

SÄULE II - INTERDISZIPLINARITÄT & VERNETZUNG

Smart Co-Creation Markterschließung piezokeramischer Werkstoffe und Technologien durch Kundenintegration in den Entwicklungsprozess

Smart Co-Creation

Markterschließung piezokeramischer Werkstoffe und Technologien durch Kundenintegration in den Entwicklungsprozess

Der Weltmarkt für piezoelektrische Bauelemente beträgt aktuell ca. 18 Mrd. €, wobei die jährliche Wachstumsrate bis 2020 mit 6% prognostiziert wird. 1 Industrielle Anwendungen der Produktionstechnologie und Automatisierungstechnik stellen dabei das größte Marktsegment dar. Wachsende Anforderungen an Ultra-Präzisions-Stellantriebe in der Produktionstechnik, Schadensdetektion und die Überwachung von Bauteilen durch geführte Wellen, zerstörungsfreie Prüfverfahren sowie Automobil- und Endverbraucher-/Endkonsumentenanwendungen sind Treiber für das Marktwachstum der kommenden Jahre. Hohe Wachstumschancen werden z.B. durch Präzisionsantriebe in der Mikroelektronikfertigung, Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, Autofokuskameras in Mobiltelefonen und durch piezoelektrische Generatoren für energieautarke Sensoren generiert.

 

Die skizzierte Marktstruktur verdeutlicht, dass piezokeramische Komponenten Schlüsselfunktionen in einer Reihe von Hightech-Anwendungen erfüllen und vielfältige Branchen betroffen sind. Die Wertschöpfung wird dabei vor allem auf der Stufe komplexer Systeme realisiert. Außerdem erfolgen Entwicklung und Integration von Bauelementen in solche Systeme stark interdisziplinär.

 

In Deutschland hat sich eine arbeitsteilige Struktur zur Herstellung piezoelektrischer Bauelemente bzw. Baugruppen entwickelt, die die Wertschöpfungskette vom Pulver zum Bauelement in Technologievarianten bedient. Die relevanten Marktteilnehmer sind die PI Gruppe, CeramTec und Johnson Matthey Piezo Products. Weiterführende Applikationen werden von einer wesentlich größeren Zahl an Firmen realisiert, die ihre Wertschöpfung in der Kette vom Bauelement zum System entfalten. Hierzu gehören Automobilzulieferer mit Großserienfertigung (z.B. Robert Bosch, Continental, Valeo) und eine Vielzahl von KMU. Gemessen am Potential piezoelektrischer Technologien ist der Markterfolg bislang nicht ausreichend. In dem hier beantragten Vorhaben steht die Fragestellung im Zentrum, wie Wachstumspfade für Unternehmen, die vor allem Wertschöpfungsschritte zum System bedienen, eröffnet und entwickelt werden können. Dabei stehen sowohl bereits am Markt operierende als auch neue Unternehmen im Fokus.

 

Grundsätzliche Probleme, die den markterfolg von Entwicklungsleistungen bisher behindern, bestehen in:

  • ungenügender Berücksichtigung der Bedürfnisse des Marktes bei der Umsetzung neuer Ideen
  • der Komplexität des Entwicklungsaufwandes bei Systementwicklungen
  • Risiken der Entwicklungskosten, insbesondere in den höheren TRL
Projektfortschritt: 45%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020
Logo Fraunhofer IKTS
Logo FU Berlin

 

PILLAR III - VISIBILITY & ACCEPTANCE

Smart Materials Satellites

Transdisziplinäre Technikkommunikation mit Methoden des Designs, künstlerischer Forschung und interaktiven Dialogformaten

Smart materials sind bereits heute Bestandteile einiger seriell gefertigter Produkte, allerdings sind sich Endverbraucher kaum ihrer Existenz, Besonderheiten und Vorteile bewusst. Die komplexe und meist versteckte Funktionalität verhindert nicht nur, dass eine breite Öffentlichkeit - also die Konsumenten - den hohen Innovationsgehalt wahrnimmt, sondern führt auch dazu, dass nur wenige der potentiellen Anwender - also Designer, Architekten, Produktentwickler - die enormen, sowohl wirtschaftlichen, technologischen und gestalterischen als auch sozio-kulturellen Potentiale von smart materials erkennen und aufgreifen. Technologieängste, fehlendes Know-How oder mangelndes Vertrauen in neue Produktionsweisen und transdisziplinäre Arbeitsansätze bergen die Gefahr, erfolgversprechende, neue Perspektiven zu vernachlässigen, und sind häufiger Grund für das Scheitern von Innovationsprozessen. Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben smart materials satellites (sms) hat zum Ziel, einen aktiven Wissenstransfer von der Wissenschaft zur breiten Öffentlichkeit zu generieren. Erprobte Design-Methoden als Strategien zur Vermittlung zwischen den beiden Welten kommen ebenso zum Einsatz wie innovative Methoden der Technikkommunikation und Szenografie, wie sie in Technikmuseen und Science Centern, oft in Kooperation mit Partnern aus der Kunst und dem Theater, entwickelt werden. Beides schafft Raum und ermöglicht einen für Wissenschaft und Öffentlichkeit bereichernden Diskurs.

Das transdisziplinäre Konsortium smart³ hat sich u.a. zum Ziel gesetzt, Produkte auf Basis von smart materials zu entwickeln und passende Strategien der Technikkommunikation zu entwerfen, die die Marktfähigkeit und Akzeptanz der entwickelten Innovationsprodukte garantieren bzw. befördern. Ein wichtiger Faktor auf dem Weg zur erfolgreichen Etablierung von Innovationen liegt in dem Maß, in dem reale gesellschaftliche Trends adressiert werden und ein breites Verständnis und Interesse für die innovativen Produkte und die von Ihnen transportierten Ideen bestehen.

 

 

Smart Materials Satellites

Transdisziplinäre Technikkommunikation mit Methoden des Designs, künstlerischer Forschung und interaktiven Dialogformaten

Smart materials sind bereits heute Bestandteile einiger seriell gefertigter Produkte, allerdings sind sich Endverbraucher kaum ihrer Existenz, Besonderheiten und Vorteile bewusst. Die komplexe und meist versteckte Funktionalität verhindert nicht nur, dass eine breite Öffentlichkeit - also die Konsumenten - den hohen Innovationsgehalt wahrnimmt, sondern führt auch dazu, dass nur wenige der potentiellen Anwender - also Designer, Architekten, Produktentwickler - die enormen, sowohl wirtschaftlichen, technologischen und gestalterischen als auch sozio-kulturellen Potentiale von smart materials erkennen und aufgreifen. Technologieängste, fehlendes Know-How oder mangelndes Vertrauen in neue Produktionsweisen und transdisziplinäre Arbeitsansätze bergen die Gefahr, erfolgversprechende, neue Perspektiven zu vernachlässigen, und sind häufiger Grund für das Scheitern von Innovationsprozessen. Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben smart materials satellites (sms) hat zum Ziel, einen aktiven Wissenstransfer von der Wissenschaft zur breiten Öffentlichkeit zu generieren. Erprobte Design-Methoden als Strategien zur Vermittlung zwischen den beiden Welten kommen ebenso zum Einsatz wie innovative Methoden der Technikkommunikation und Szenografie, wie sie in Technikmuseen und Science Centern, oft in Kooperation mit Partnern aus der Kunst und dem Theater, entwickelt werden. Beides schafft Raum und ermöglicht einen für Wissenschaft und Öffentlichkeit bereichernden Diskurs.

Das transdisziplinäre Konsortium smart³ hat sich u.a. zum Ziel gesetzt, Produkte auf Basis von smart materials zu entwickeln und passende Strategien der Technikkommunikation zu entwerfen, die die Marktfähigkeit und Akzeptanz der entwickelten Innovationsprodukte garantieren bzw. befördern. Ein wichtiger Faktor auf dem Weg zur erfolgreichen Etablierung von Innovationen liegt in dem Maß, in dem reale gesellschaftliche Trends adressiert werden und ein breites Verständnis und Interesse für die innovativen Produkte und die von Ihnen transportierten Ideen bestehen.

 

sms setzt darauf, mit den im FuE-Projekt zu entwickelnden Formaten dieses Interesse zu wecken und Verständnis bzw. Akzeptanz in einer breiten Öffentlichkeit zu fördern. Das Projekt operiert mit innovativen Methoden des Designs, der künstlerischen Forschung und öffentlicher Werkstätten, kann Berührungsängste gegenüber innovativen Technologien überwinden und eine mühelose Annäherung an komplexe wissenschaftliche Inhalte stimulieren und gestalten. Damit manövriert es die smart materials aus der Fachwelt der Ingenieure heraus und eröffnet ihnen einen völlig neuen Zugang in die Öffentlichkeit.

Die gezielte und adäquate Ansprache sehr unterschiedlicher Akteure und deren aktive Einbindung in den sich langsam entwickelnden Diskurs zu smart materials werden in diesem Forschungsprojekt von den verschiedenen Partnern initiiert, in (fach-)spezifische Formate überführt und gemeinsam in Pilotprojekten erprobt sowie evaluiert.

Mit dem Forschungsprojekt smart materials satellites wird Transparenz geschaffen, zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit vermittelt und die Gestaltung als Schnittstelle eng mit der Wissenschaft verzahnt. Produkte, die nah am Nutzer gestaltet sind und gezielt auf deren Bedürfnisse eingehen, haben erheblich bessere Chancen, dauerhaft am Markt zu bestehen.

Durch die öffentliche Begleitung des Innovationsprozesses der smart materials in unterschiedlichen Formaten werden Austauschplattformen geschaffen, um die Ideen, die Neugier und die Wünsche, aber auch die Befürchtungen von Teilnehmern aus allen Kreisen der Gesellschaft aufzunehmen, um potentielle Nutzer für smart materials zu begeistern und sie als Botschafter der neuen intelligenten Werkstoffe zu gewinnen, um die gesellschaftliche Akzeptanz von technischen Innovationen im allgemeinen zu verbessern und den Nachwuchs für die MINT-Disziplinen zu fördern.

Project Duration: 10/2016 - 01/2019

 

To increase the awareness of smart materials and simultaneously generate new stimuli for products based on smart materials, smart³ closely cooperates with universities and other educational institutions. Experts of the innovation network accompany students during semester projects or workshops, provide know-how and material so that the students can implement their own ideas.

Smart@Home Semesterprojekt Sommersemester 2014

Smart home

smart³ home was a student project which picked up the research and development efforts of Burg Giebichenstein University of Art and Design in the smart³ context and implemented them into teaching.
Students of the bachelor and master degree programmes designed visionary lifestyle and living products. Based on the network's four material groups, they focussed on resource-saving showcase applications that have the potential for groundbreakning products and processes.

Additionaly, the projects aimed at generating acceptance for innovation as prerequisite for self-steering, noiseless products for accelerating a sustainable lifestlyle.
The smart³ network partners provided deep insights into the technology and accompanied the implementation of the student's ideas.

Several ideas of the smart³ home projects have been transferred into research and development projects in smart³ as well as in actual start-up products.

Project duration: 04/2014 - 09/2014

CHANGE Semesterprojekt Sommersemester 2014

CHANGE

Convertible and adaptive surfaces can be found in various forms in nature. Providing safety, protective mimicry, adaptability oder energetic exchange - reactive covers, skins and membranes serve many purposes.
Within the CHANGE project at weißensee Academy of Art, principles of adaption and change have been analyzed for surfaces and covers and implemented in the context of body and space. Main focues of the project was the integration of smart materials and examining their potentials for design.

Project duration: 04/2014 - 09/2014

Smart Materials treffen Jahr des Lichts Semesterprojekt Sommersemester 2015

Smart Materials meet Year of Light

In the International Year of Light 2015, creative people from Dresden and it's sourrounding had the chance of realizing their project ideas based on smart materials. The workshop "smart materials meet year of light" brought together creatives of various professions and smart material experts of the Fraunhofer IWU. At the Dresden Makerspace, backed by the innovation network smart³, the ideas took shape and resulted in various demonstrators and prototypes - from self-adjusting lights to flying toys, from smart oven lights to intelligent glasses.

Smart³-Workshop
Project duration: 04/2015 - 08/2015