Als Innovationsnetzwerk fördern und koordinieren wir Forschungs- und Entwicklungsprojekte insbesondere mittelständischer Unternehmen. Hier finden Sie eine Übersicht über die bereits laufenden FuE-Projekte im Rahmen des Innovationsnetzwerkes smart3.

Bereits entwickelte Prototypen finden Sie unter den Demonstratoren.

 

Neben den BMBF-geförderten F&E-Projekten unterstützen wir zudem Studentinnen und Studenten verschiedener Hochschulen im Rahmen von Semesterprojekten bei Ihrer Auseinandersetzung mit smart materials: [Direkt zu den Studierendenprojekten].

Basisprojekte

 

SmartTransfer

Strukturentwicklung für Technologietransfer und Wertschöpfungsorganisation im Bereich piezokeramikbasierter Funktionskomponenten

Das Basisverbundvorhaben SmartTransfer verfolgt das Ziel, strategische Organisations- und Kooperationsstrukturen für den Transfer von Schlüsseltechnologien der Piezokeramiken zu entwickeln. Diese sollen geeignet sein, Innovationshemmnisse in bestehenden Innovationsprozessen zu überwinden. Das Vorhaben konzentriert sich auf KMU entlang der Piezo-Wertketten, deren wirtschaftlicher Erfolg jedoch durch Faktoren, wie

  • Fehlende Integrationstechnologien
  • Pfadabhängigkeiten in Innovationsprozessen
  • Unzulängliche Kooperationskulturen und
  • Ungenutzte Marktpotenziale

begrenzt ist.

 

Durch Öffnung des Potenzials der im smart³-Netzwerk verankerten Technologien sollen Konzepte für Versuchsproduktionen entwickelt und praktisch erprobt werden, die die Markteinführung smarter Produkte bei deutlich geringerem Investitionsrisiko unterstützen.

Grafik SmartTransfer - Bezug der Partner zueinander
Grafik Projektfortschritt 66%
Projektlaufzeit: 01.01.2015 - 31.10.2017
Logo Fraunhofer IAP
Logo Fraunhofer IKTS
Logo Fraunhofer IWU
Logo FU Berlin
Logo THD
Logo Xenon Automation

Smart Tools for Smart Design (ST4SD)

Design als Mehrwert im Entwicklungszyklus

Die Entwicklung von Produkten auf Basis von smart materials setzt umfassendes technisches Fachwissen voraus und erfolgt daher meist durch Ingenieure und in der Regel für sehr spezifische Applikationen. Designern hingegen steht Wissen über die relevanten Technologien, Funktionsweisen und Verarbeitungsparameter oft nicht in für sie verständlicher Form zur Verfügung. Hierdurch wird ihnen der Zugang zur Technologie und somit die grundlegende Einbindung in den Produktentwicklungsprozess erschwert.

Ziel von ST4SD ist daher, Design am Beginn eines Entwicklungszyklus zu integrieren, um so Produkte mit neuen, auf smart materials basierenden Alleinstellungsmerkmalen zu entwickeln. Dafür wurden auf Grundlage einer eigens erstellten Werkstoff-Datenbank Vorgehensweisen, Formate und Werkzeuge konzipiert und getestet, die es Designern ermöglichen, ohne die Hürde des komplexen technischen Know-hows für die Potentiale von smart materials sensibilisiert zu werden, um diese in ihre Produktideen einzubringen. Möglichkeiten, aber auch momentane Einsatzgrenzen derartiger Materialien können so ad hoc abgeschätzt werden, was die Konzeption und Umsetzung von zukunftsweisenden, nicht stereotypen Ideen für konkrete Anwendungen erst ermöglicht.

Das Basisvorhaben hat zum Zweck, eine innovative Zusammenarbeit von Designern und Wissenschaftlern zu ermöglichen, um mit dieser Grundlage umsetzbare Konzepte und Prototypen für neue und verbesserte Produkte mit smart materials zu gestalten.

smart³-Projekt ST4SD vereint Technologie und Gestaltung
Projektfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.12.2014 - 31.05.2016
Logo Fraunhofer IAP
Logo Fraunhofer IKTS
Logo Fraunhofer IWU
Logo weißensee kunsthochschule berlin

 

SmartProcesses

Prozesstechnologien für smart materials

Das technische Ziel des Konsortiums smart³ besteht in der Entwicklung marktfähiger Produkte, die zur Energiewandlung und als sensorisch und/oder aktorisch wirkende Bauteile auf so genannte smart materials setzen. Langfristig soll so ein Paradigmenwechsels in der Gestaltung mechatronischer Produkte eingeleitet werden. Durch die Verlagerung sensorischer und aktorischer Funktionalität in die Werkstoffebene werden bestehende Grenzen hinsichtlich Bauraum, Gewicht und wachsender Komplexität bestehender Lösungen aufgebrochen und neue Sprunginnovationen ermöglicht. Dies bringt tiefgreifende Umwälzungen nicht nur hinsichtlich Produktdesigns (Basisvorhaben Smart Tools for Smart Design), der Gestaltung der Wertschöpfungsketten bzw. -netzwerke (Basisvorhaben Smart Transfer) sondern auch hinsichtlich der zur Fertigung benötigten Produktionstechnologien mit sich. Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel der Entwicklung in der experimentellen Untersuchung verschiedener prinzipiell geeigneter Produktionstechnologien.

Im Ergebnis entstehen Technologielandkarten die das Einsatzpotential der untersuchten Technologien beschreiben und die weiteren notwendigen Schritte hin zur Serienreife definieren.

Smarte Greifersysteme von Festo
Projektfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.06.2015 - 30.11.2016
Logo Allresist GmbH
Logo ETO Magnetic GmbH
Logo Festo GmbH & Co. KG
Logo Fraunhofer IAP
Logo Fraunhofer IWU
Logo Gerodur GmbH & Co. KG
Logo Polysax Bildungszentrum
Logo SITEC GmbH
Logo Schicktanz GmbH
Logo TU Ilmenau

 

SmartImplant

Studie zur Machbarkeit von Implantaten mit integrierten Formgedächtnismaterialien für die Dental-, Wirbelsäulen- und Beckenchirurgie

Häufiger Grund für eine Wechseloperation bei Implantaten sind septische wie auch aseptische Lockerungen. Sowohl das durch den Wechsel geschädigte knöcherne Umfeld als auch degenerativ erkrankte Knochenregionen stellen hohe Anforderungen an das Implantat. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen neuartige Verankerungskonzepte auf Basis thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) untersucht werden. Insbesondere bei der Einbringung von Dental- sowie Becken- und Wirbelsäulenimplantaten wäre der Effekt des zusätzlichen Verankerns im Knochen von großer Bedeutung. Gerade in diesen Disziplinen stellen minimalinvasive Zugänge, die mechanische Fixierung und die zeitnahe Belastung von Implantaten direkt nach der Implantation einen wesentlichen Anspruch dar.

Im Rahmen des Vorhabens werden drei unterschiedliche Anwendungen von Implantaten (Zahnimplantate, Implantate für das Becken speziell in der Unfallchirurgie, Implantate für die Wirbelsäulenchirurgie/Neurochirurgie/Orthopädie) betrachtet. Die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Implantate sind dabei sehr unterschiedlich und hängen stark von den anatomischen/medizinischen Randbedingungen ab. Sie stellen die Basis für die jeweiligen Implantatkonzepte dar. Die aktiven Werkstoffe, die notwendigen Herstellungstechnologien und regulatorischen Anforderungen bilden den gemeinsamen Rahmen für alle drei Anwendungsbereiche. Aus den Ergebnissen der Teilprojekte sollen Entwicklungs- und Prozessketten für Formgedächtnisimplantate abgeleitet werden, die auch auf andere Implantatsysteme übertragen werden können.

Bild Implantat im Mundraum
Projektfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 30.09.2016
Logo Asklepios Klinik
Logo Fraunhofer IWU
Logo Medizinische Hochschule Hannover
Logo Zahntechnik Goepel

Network Identity für smart3

Smarte Innovation durch smarte Vernetzung

Das Projekt Network-Identity zielt auf die Stärkung der Innovationskraft der Mitglieder und der FuE-Projekte von smart3. Innovationen können jedoch nur entstehen, wenn die etablierten Kooperationsgewohnheiten im Feld smarter Materialien überdacht und neue branchenübergreifende und interdisziplinäre Kooperationen eingegangen werden. Um diesen Wandlungsprozess zu ermöglichen, benötigt smart3 einen gemeinsamen Bezugspunkt, eine Network-Identity, an der sich alle Partnerinnen und Partner verbindlich bei der Planung und Umsetzung innovativer Ideen orientieren. Zwar lässt sich eine solche Netzwerkidentität nicht einfach verordnen, ihre Entwicklung lässt sich jedoch gemeinsam fördern. Das Basisprojekt der TU Berlin initiiert diesen Entwicklungsprozess und unterstützt die notwendigen Schritte auf mehreren Ebenen: Durch partizipative Forschungsmethoden (Interviews, Workshops, Mitgliederbefragung, Feedback, etc.) wird die Erarbeitung eines Regelwerks der Zusammenarbeit (Leitbild) und ein von allen Mitgliedern getragenes Management zur Vernetzung (Netzwerkmanagement) angestoßen und begleitet. Beide Prozesse dienen dazu, es den Mitgliedern von smart3 (zukünftig) zu erleichtern, neue Partnerkonstellationen einzugehen, Wissen und Ideen vertrauensvoll zu teilen und diese in konkrete Projekte umzusetzen.

Grafik Best Practice Netzwerke
Projektfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.08.2015 - 30.06.2017
Logo TU Berlin

 

Logo Säule I

SÄULE I -TECHNIK & TECHNOLOGIE

Smart Production Komponenten für Produktionssysteme und -prozesse

 

PERMAVIB

Universelle und robuste Schwingsysteme

Die Schwingungsüberlagerung bei der Zerspanung im kontinuierlichen Schnitt (Drehen, Bohren) sowie im unterbrochenen Schnitt (Fräsen) reduziert sowohl den abrasiven und tribochemischen Werkzeugverschleiß und erreicht eine teils signifikante Absenkung der Prozesskräfte. Praxisrelevante Schwingungssysteme für den zerspanungstechnischen Einsatz sind wenig verbreitet. Universell einsatzbare, robuste Schwingsysteme fehlen am Markt.

  • Erstellung von Anforderungsprofil, Marktanalyse + Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
  • Ausarbeitung von Konzepten für Schwingsysteme und Variantenvergleich
  • FE-Modellierung und Simulation der Schwingsysteme
  • Konstruktion und Auslegung ausgewählter Schwingsysteme
  • Entwicklung eines Energieversorgungssystems
  • Systemerprobung und Maschinenintegration unter Laborbedingungen
  • Zerspanungsuntersuchungen unter Laborbedingungen
  • Verfahrensuntersuchungen unter Produktionsbedingungen

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung universeller, robuster Schwingsysteme für die anregung rotierender Werkzeuge beim Zerspanen, eine berührungslose, autarke Energieversorgung dieser Systeme sowie die Kompatibilität zu diversen Werkzeugmaschinen.

Grafik Spindelkopf Werkzeugmaschine
Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.05.2016 - 30.04.2019
Logo DEVAD GmbH
Logo EAAT
Logo Fraunhofer IWU
Logo Parker Hannifan
Logo TIXBO

SMS 2.0

Smart Magnetic Shape Memory Valves

Das Ziel des F&E-Verbundvorhabens sms2.0 besteht darin, sowohl den Werkstoff als auch entscheidende Befähigungstechnologien (Simulationstechnik, Automatisierungstechnik, Ansteuerelektronik, Ventiltechnik) weiter zu entwickeln, um schnellschaltende Pneumatikventile mit Antrieben auf Basis magnetischer Formgedächtnistechnologien zu realisieren. sms2.0 ist als Leitprojekt prädestiniert durch die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten derartiger Ventile in der Nahrungsmittelindustrie, im Wertstoffrecycling oder in der Automatisierungstechnik. Weiterhin werden entscheidende Fragen zu den Werkstoffen selbst adressiert, die für smart³ insgesamt von großem Wert sind: Die Lebensdauer soll weiter gesteigert und die Einsatztemperaturgrenze auf über 80°C erhöht werden.

Die Besonderheit des Projekts besteht im Zusammenwirken von insgesamt acht Partnern aus Industrie und Wissenschaft verteilt über praktisch alle Schritte der Wertschöpfungskette.

Darstellung sms 2.0
Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.02.2016 - 31.01.2019
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
 
 

SensoTool

Werkzeugintegrierte Prozessüberwachung in der Zerspanung

Die steigende Komplexität von Fertigungsaufgaben erfordert eine immer exaktere Einstellung von Prozessparametern. Schon geringe Abweichungen führen zum Verlassen des stabilen Prozessfensters. Die Produktivität und die Qualität sinken. Gleichzeitig steigt der Einfahraufwand bis zum Erreichen einer stabilen Fertigung.

Am Beispiel der spanenden Fertigung erarbeitet dieses Projekt eine aktive Regelung von Prozessparametern. Auf Schwankungen im Prozess kann so sehr schnell reagiert werden. Prozessparameter, wie z.B. Vorschub oder Schnittgeschwindigkeit, können in Echtzeit nachgeführt werden. Der Prozess befindet sich dadurch immer im optimalen Betriebsbereich. Produktivität und Qualität werden gesteigert, Ausschuss wird reduziert. Wesentliche Größen zur Beurteilung des Prozesses sind Schnittkräfte und Werkzeugtemperatur. Diese sollen direkt am Werkzeug gemessen und an die Maschinensteuerung übergeben werden. Diese wiederum realisiert den Prozesseingriff.

 

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Grafik Prozessnahe Sensorik Werkzeugmaschine
Projektfortschritt: 75%
Projektlaufzeit: 01.11.2015 - 31.10.2017
Logo Fraunhofer IKTS
Logo Fraunhofer IWU
Logo LTI Motion GmbH
Logo MAPAL GmbH
Logo Metrom GmbH
Logo Microsensys GmbH
Logo millfax GmbH
Logo Paul Horn GmbH
 
 
 
 

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.

Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.09.2016 - 28.02.2019
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Logo Fraunhofer IKTS
Logo ESE ITI GmbH

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.

Projektfortschritt: 25%
Projektlaufzeit: 01.01.2017 - 30.06.2019
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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.

Projetkfortschritt: 25%
Projektlaufzeit: 01.03.2017 - 29.02.2020
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SmaRT-MSM

Serienfähige modular automatisierte Röntgenographie und Trennverfahren für MSM

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.

Projektfortschritt: 25%
Projektlaufzeit: 01.05.2017 - 30.04.2020
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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)
  • /ul>

    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: 5%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020

 

Smart Health Erweiterung des Funktionsumfangs medizinischer Hilfsmittel und Instrumente

Cumulino

Aktives Lagerungskissen mit Formgedächtnislegierung

Jährlich werden in Deutschland durchschnittlich 673.500 Kinder geboren. Zur Häufigkeit der Schädelasymmetrien gibt es unterschiedliche Angaben, u.a. differenziert nach dem Alter der Säuglinge. So sind bspw. 19,7% der Neugeborenen im vierten Lebensmonat davon betroffen. Dieser Anteil steigt in denjenigen Ländern, in denen von einer Liegeposition der Säuglinge in Bauchlage abgeraten wird, um so einem wesentlichen Risikofaktor des plötzlichen Kindstodes (SIDS) vorzubeugen.
Die Deformationen können durch Lageanomalien im Mutterleib oder postnatal verursacht werden. Unter einer Schädeldeformation versteht man das veränderte Wachstum des kindlichen Schädels, hervorgerufen durch äußerlichen Druck in Zusammenhang mit seinem schnellen Wachstum und der weichen Schädelstruktur (Plagiozephalus). Der Fakt, dass die Säuglinge in den ersten Lebensmonaten noch sehr immobil sind und deshalb viel auf dem Hinterkopf liegen, verstärkt den Effekt im negativen Sinn.

Im Rahmen des Projektes wird ein Lagerungskissen entwickelt, welches die Kopfbewegung von links nach rechts und umgekehrt erreicht. Realisiert wird dies durch eine kontinuierliche aber langsame Formveränderung. Dadurch werden, ohne den Schlaf zu stören, unterschiedliche Auflagepunkte des kindlichen Schädels angesprochen und eine positionsgebundene, dauerhafte Belastung vermieden. Folglich können Deformationen vorgebeugt und auch behandelt werden. Als Aktorik kommt ein lautloser Formgedächtnisaktor, integriert in einer Kunststoffkinematik, zum Einsatz. Die Umlagerung des Kopfes findet dabei in vom Nutzer festgelegten, elektronisch geregelten Zeitintervallen statt. Als integraler Bestandteil und als direkte Schnittstelle zum Patienten fungiert eine Textilstruktur. Eine zusätzliche Integration vorhandener Systeme wie Babyphone, W-LAN-Anbindung, Sensorik zur Überwachung des Kleinkindes, Sensorik zur Kopfpositionsbestimmung etc. soll im Rahmen des Vorhabens untersucht werden.

 

Cumulino wurde in einem Vorprojekt bereits als Demonstrator entwickelt.

Cumulino wird lautlos und sanft durch FGL angetrieben
Projektfortschritt: 75%
Projektlaufzeit: 01.05.2016 - 30.10.2017
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Logo warmX GmbH

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.

Projektfortschritt: 70%
Projektlaufzeit: 01.07.2016 - 31.12.2017
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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
Projektfortschritt: 5%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020
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Smart Living Lifestyleprodukte und intelligente Gebäudetechnik

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.

Projektfortschritt: 60%
Projektlaufzeit: 01.06.2016 - 30.11.2017
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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.

Projektfortschritt: 25%
Projektlaufzeit: 01.03.2017 - 29.02.2020
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Smart Mobility Smart materials in der Mobilität

SmartFrame+

Sicherheit für Leichtbau-Fortbewegungsmittel

Der Forschungsverbund hat das Thema adressiert, verschiedene zukunftsfähige Mobilitätsbereiche mit einander zu verbinden.Die Untersuchungen gehen vom Fahrrad aus und erkunden sein Leichtbaupotenzial unter dem Gesichtspunkt hoher Sicherheit. Das bedeutet zum einen die Detektierung verdeckter Schäden im Laminat des Rahmens, und zum anderen werden neben den Navigationsdaten Warnungen vor Unfallgefahren der Fahrerin / dem Fahrer auf taktile Weise übermittelt. Um diese Aufgaben zu bewältigen, braucht es ein interdisziplinär aufgestelltes Team, in dem die Schnittstellen der einzelnen Aufgabenbereiche zwar definiert sein müssen, sich auch auch synergetisch überlappen. Die dafür notwendige Herangehensweise hat der Forschungsverbund in etlichen bilateralen sowie alle Partner zusammenführenden Treffen erarbeitet. Er nimmt Bezug auf eine Expertenplattform, die bereits im dem Startprojekt ‘StartSmart‘ konzipiert wurde und nun in diesem Projekt erprobt werden kann.

Nach der exemplarischen Anwendung auf bereits existierende Leichtbaustrukturen für muskelbetrieben Fortbewegung soll ein Demonstrator erstellt werden, an dem komplexe Fahrszenarien unter Einsatz piezokeramischer Sensoren und Aktoren durchgeführt werden können. Daraus sollen innovative Verwertungsoptionen für die Fahrradindustrie und darüber hinaus auch für weitere Mobilitätsbereiche formuliert und exemplarisch visualisiert werden.

Grafik: Interkonnektivität der Fahrzeugkomponenten
Projektfortschritt: 50%
Projektlaufzeit: 01.06.2016 - 31.05.2019
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SÄULE II - INTERDISZIPLINARITÄT & VERNETZUNG

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: 5%
Projektlaufzeit: 01.08.2017 - 31.07.2020
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SÄULE III - SICHTBARKEIT & AKZEPTANZ

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.

Projektfortschritt: 25%
Projektlaufzeit: 01.10.2016 - 31.01.2019
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Studierendenprojekte

Um die Bekanntheit von smart materials zu steigern und gleichzeitig neue Impulse für die Produkte auf Basis von Funktionswerkstoffen zu generieren, arbeitet das Netzwerk eng mit Hochschulen und anderen Bildungseinrichtungen zusammen. So entstanden etwa mit den Kunsthochschulen Weißensee in Berlin und der Burg Giebichenstein in Halle Semesterprojekte, in denen die Studenten die Materialien kennenlernten und in eigenen Ideen umsetzen konnten.

Smart home

smart³ home ist ein studentisches Semesterprojekt, das die Forschungs- und Entwicklungsaktivität der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle im Rahmen des smart3-Projektes aufgriff und in die Lehre überführte.
Elf Studierende des Bachelor- /Master-Studienganges gestalteten visionäre Produkte für den Wohnbereich. Ausgehend von den vier Werkstoffgruppen, Formgedächtnislegierungen, dielektrische Elastomere, Piezoaktoren / -sensoren und magnetorheologische Flüssigkeiten, richteten sie den Fokus Ihrer Gestaltarbeit auf exemplarische Anwendungen Ressourcen sparender Verfahren, die zu völlig neuen Produkten und Gebrauchsweisen führen.

Darüber hinaus ging es um die Erzeugung von Akzeptanz für Innovationen als Voraussetzungen für selbststeuernde, funktionsanaloge und besonders leise arbeitende Produkte. Sie sollen eine hohe Attraktivität besitzen, sinnstiftend wirken und einen nachhaltigen Lebensstil befördern.
Partner des Konsortiums leisteten Informationsarbeit und unterstützten bei der Umsetzung von Ideen. Einige der daraus entstandenen Ideen konnten bereits in Forschungs- und Entwicklungsprojekte überführt werden.

Studierendenprojekt smart home
Projetkfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.04.2014 - 30.09.2014
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CHANGE

Wandelbare und adaptive Flächen finden sich vielfach in Natur und Umwelt. Schutzfunktionen, Täuschung, Anpassungsfähigkeit oder energetischer Austausch werden durch reagible Hüllen, Häute und Membrane ermöglicht.
In diesem Projekt der Weißensee Kunsthochschule Berlin wurden Prinzipien der Wandlungsfähigkeit von Oberflächen bzw. Hüllen untersucht und Anwendungsmöglichkeiten im Kontext von Körper oder Raum konzipiert. Ein Schwerpunkt des Projektes lag auf der Integration von smarten Materialien und der Auslotung ihrer Potentiale für die Gestaltung.

Zwischenpräsentation Studierendenprojekt CHANGE
Projektfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 01.04.2014 - 30.09.2014
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Smart Materials treffen Jahr des Lichts

Zum Jahr des Lichts 2015 konnten Kreative aus Dresden und Umgebung ihre Projektideen mit Hilfe von smart materials verwirklichen. Innerhalb der Workshopreihe „smart materials treffen Jahr des Lichts“ stellten die Materialexperten des Fraunhofer IWU verschiedene Materialien und deren Anwendungsfelder vor und berieten die Teilnehmer bei ihren Projekten. Praktisch umsetzen konnten die Workshopteilnehmer ihre Ideen im Makerspace von SLUB Dresden und smart³. Zwischen April und August 2015 entstanden unterschiedliche Funktionsmuster und Prototypen, von der sich selbstständig zurückstellenden Lampe über fliegende Spielgeräte bis hin zur Holzrahmenbrille mit thermischen Forgedächtnis-Elementen.

Smart³-Workshop zum Jahr des Lichts: Studenten beraten über ihren Projekten
Projetkfortschritt: 100%
Projektlaufzeit: 25.04.2015 - 31.08.2015
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