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.

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.

 

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.

 

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.

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.

SÄULE I -TECHNIK & TECHNOLOGIE

FuE-Projekte 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.

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.

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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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 flexiblen Produktion. Neben den bekannten aktorischen Eigenschaften der MSM-Werkstoffe werden Prinzipien zur Erfassung des aktuellen Zustandes des Aktorelementes durch Eigenschaftsänderungen im MSM-Werkstoff selbst erarbeitet. Somit wird die Integration von aktorischer und sensorischer Funktion 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 Verwirklichung von Kraftsteuerung in offener Kette, Positionserkennung sowie Eigenüberwachung heranziehen. 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 aufgefassten Anwendungen. Hierzu zählen insbesondere Modellierungs- und Simulationstechniken, Komponentenentwicklung, Strukturintegration der MSM-Elemente, Magnetkreisentwurf sowie Leistungs- und Sensorelektronikentwicklung.

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.

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.

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.

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:

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.

  • 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)

AdapStiff

FGL-Integration in Umformwerkzeugen

Die Produktion von Blechteilen in der Automobilindustrie durch Umformprozesse folgt zunehmend dem Trend der Herstellung hochkomplexer Bauteile. Diese Komplexität geht in der Regel mit einer Verkleinerung des Prozessfensters einher. Dies bedeutet, dass der Bereich, in dem mit Schwankungen aller Eingangsgrößen noch Gutteile entstehen, kleiner wird. Dieser Umstand begrenzt die Fertigbarkeit und Fertigungsgüte von Bauteilen einerseits, andererseits werden Ausschusskosten auf die Teilekosten umgelegt, was zu einer signifikanten Kostensteigerung in der Produktion und damit für den Endanwender führt. Darüber hinaus trägt auch der Mehraufwand an Werkzeugeinarbeit dazu bei, dass zum einen deutlich mehr Zeit für den Werkzeugbau eingeplant werden muss. Zum anderen müssen zusätzliche Rüstzeiten im Serienbetrieb berücksichtigt werden, da die Unterschiede von Einarbeits- und Serienpresse nur unzureichend berücksichtigt werden können. Die Kompensation der einzelnen Pressenunterschiede erfolgt damit primär durch die Einstellung von Antriebs- und Ziehkissenparametern.

Eine Einflussgröße, die den Prozess direkt beeinflusst, stellt die Kraftverteilung in der Werkstückebene dar, da diese direkt auf das Einlaufverhalten einwirkt. Eine ungewollt inhomogene Kraftverteilung, etwa durch sich ändernde Maschineneinlüsse oder Temperaturrandbedingungen führt so z.B. zu einem ungleichmäßigen Einlaufverhalten, was im schlimmsten Fall zu einer gleichzeitigen Riss- und Faltenbildung führt. Die Anpassung der Antriebsparameter bei einachsigen Umformmaschinen (ein Stößelantrieb, ggfs. Ein-Punkt-Ziehkissen) ist daher nicht ausreichend, den Prozess in den Gutteil-Bereich zu überführen. Hier ist die manuelle Nacharbeit des Werkzeugs oft die einzig sinnvolle Alternative.

Ziel von AdapStiff ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die eine geregelte Anpassung der Kraftverteilung ohne manuellen Eingriff im eingebauten Zustand des Umformwerkzeugs erlaubt. Auf diese Weise soll eine direkte Prozessbeeinflussung beispielsweise zur Kompensation von Stoßgrößen realisiert werden. Damit kann der Ausschuss von Bauteilen infolge schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen gesenkt und so Prozesssicherheit und -fähigkeit gesteigert werden.

FGL-Risssensor

Rissortung und Rissweitenbestimmung an Betonstrukturen mittels Sensoren aus Formgedächtnislegierungen

Beton ist der meistverwendete Baustoff unserer Zeit. Im Zusammenspiel mit Bewehrungselementen wird dieser kostengünstige, dauerhafte und nachhaltige Baustoff, trotz seiner strukturbedingten Sprö-digkeit, zur Herstellung von hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen mit duktilem Materialverhalten eingesetzt. Die Duktilität auf der Makroebene resultiert aus der verformungsbedingten Ausbildung von zahlreichen feinen Rissen in der spröden Betonmatrix, die aber durch eine Bewehrung überbrückt wer-den. Die Geometrie der Risse hängt von der Belastung, der Bewehrungskonfiguration und den Betonei-genschaften ab. Mikrorisse weisen Rissweiten von wenigen Mikrometern auf. Die Rissweiten von Mak-rorissen können im Extremfall mehr als 1 mm betragen. Die Risskonfiguration eines Betonbauwerkes bestimmt maßgeblich dessen Dauerhaftigkeit unter Umwelteinwirkungen und ist ein wichtiger Indikator für den vorliegenden Belastungs- und Schädigungszustand. Darüber hinaus können Risse zu Schäden und zum Versagen von Betonstrukturen wie z.B. Tunneln, Talsperren oder Brücken führen (Abbildung 1). Bei zu später Risserkennung entstehen hohe Kosten für Instandsetzung oder Abriss und Neubau geschädigter Betonstrukturen. Außerdem ist die Gewährleistung der Sicherheit von Bauwerken von höchster Wichtigkeit, um die Gefährdung der Nutzer auf ein gesellschaftlich akzeptiertes Minimum zu reduzieren.

Die Ortung von Rissen in einem Betonbauwerk und deren Überwachung sind zudem sehr komplex und kostenintensiv. Ferner bietet der Markt bisher keine robuste und dauerhafte Methode zur kontinuierli-chen Rissfrüherkennung, Risslokalisierung sowie Rissbreitenmessung.

Ziel des Vorhabens ist es, Methoden und Technologien für eine robuste, dauerhafte Risserkennung in Betonstrukturen zu entwickeln, die zugleich auch eine Rissortung sowie Rissweitenbestimmung ermög-lichen. Als Sensormaterial sollen Formgedächtnislegierungen (FGL) auf Nickel-Titan-Basis zum Ein-satz kommen. Damit können z.B. an kritischen Infrastrukturelementen der Schädigungszustand konti-nuierlich überwacht und gezielt Sicherheitsvorkehrungen getroffen bzw. Instandsetzungsmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. Des Weiteren ist eine breite Anwendung in allen kritischen Strukturele-menten des Betonbaus hinsichtlich der Steigerung der Dauerhaftigkeit sowie der Überwachung der Be-lastung denkbar.

Im beantragten Vorhaben sollen verschiedene Ansätze zur Rissortung und Rissbreitenbestimmung mit Formgedächtnislegierungen auf Nickel-Titan-Basis optimal zusammengeführt und so ein robustes und zuverlässiges Sensorsystem entwickelt werden. Dabei sollen eine Low-budget und High-budget-Aus-führung marktverfügbar gemacht werden.

Die im Beton stets vorhandenen Mikrorisse sind gleichmäßig über das Bindemittelvolumen verteilt und stochastisch orientiert. Kommt es bei Laststeigerung in einem räumlich begrenzten Bereich, der sog. „Rissprozesszone“, zu einer fortschreitenden Vereinigung der Mikrorisse, entsteht am Ende der Riss-entwicklung ein durchgehender, mit bloßem Auge sichtbarer Makroriss, der zum Bruch des Körpers und einem Abfall der Spannungen bei weiterer Steigerung der Dehnung bzw. Rissöffnung führt.

Eine makroskopisch schädigungsfreie Belastung von Beton unter Zugbeanspruchung ist bis zum Last-punkt 2 möglich (siehe Abbildung 2). Bei darüber hinausgehender Dehnung findet eine irreversible Strukturschädigung im Betongefüge statt, die auf Bauteilebene zu einem Strukturversagen führt. Dem-entsprechend ist eine Früherkennung von Rissprozesszonen und sich dort ausformenden Makrorissen sehr wichtig. Sind im Betonkörper Makrorisse vorhanden, sind die Lokalisierung des Rissortes sowie die Ermittlung der Rissweite von hoher Bedeutung. Mittels einer Zustandsüberwachung und -bewertung könnten notwendige und richtige Maßnahmen ergriffen werden.

Damit ergeben sich folgende Anforderungen an das Sensorsystem:

  • Dehnungs-Monitoring / Früherkennung und Überwachung von Rissprozesszonen und entste-henden Makrorissen,
  • Riss-Monitoring / Überwachung zur genaueren Ortung von Rissen und deren Weitenbestim-mung
  • Um diesen Anforderungen zu entsprechen, soll das Sensorsystem auf zwei Messprinzipien ge-stützt werden:
  • DC-Widerstandsmessverfahren (Low-Budget): über das ohmsche Gesetz soll die Widerstand-sänderung der FGL-Leiter bestimmt und darüber der integrale Dehnungszustand am Bauteil ermittelt werden.
  • AC-Widerstandsmessverfahren (High-Budget): mit Hilfe der Netzwerkanalyse wird ein zeitlicher bzw. frequenzabhängiger Verlauf des emittierten und reflektierten Amplituden- und Phasenganges im kompletten System bestimmt, bestehend aus elektri-schen Leitern (FGL) und Dielektrikum (Beton). Durch Verlaufsänderungen soll der Risszustand ortsabhängig detailliert charakterisiert werden.

Die zu entwickelnden Ausführungen hängen von der Ortsauflösung der Netzwerkanalyse ab, die we-sentlich von zwei Faktoren bestimmt wird: Bandbreite des Messsignals und Sensitivität. Für 0,3 m Auf-lösung wird beispielsweise eine Bandbreite von 1 GHz benötigt. Sowohl die Bandbreite als auch die Sensitivität sind Kostentreiber. Für eine reine Bauwerksüberwachung ist es daher nicht sinnvoll, perma-nent kostenintensives Equipment vorzuhalten. Daher bietet sich eine Low-Budget-Variante an, die mit nur MHz Bandbreite (oder im Extremfall als reine DC-Messung) mögliche Schäden identifiziert. Bei einer derart ausgelösten Warnung kann dann mit einem extern angeschlossenen teureren High-End-Equipment die Schadensstelle genauer lokalisiert werden. Dies ermöglicht dann eine gezielte Sichtun-tersuchung am betroffenen Ort und ggf. Reparaturmaßnahmen.

Die Neuheit dieses Sensorsystem besteht in der kompletten Charakterisierung des Strukturzustandes einer Betonkomponente über einen superelastischen FGL-Draht unter Verwendung von zwei Messver-fahren. Somit können Verformungen sowie Rissentstehungen und Risswachstum im Beton ortsaufgelöst registriert werden. Zudem zeigt ein solches Sensorsystem übergreifende Integrations- und An-wendungspotenziale auf, welche nicht nur im Baubereich ein hohes Applikationspotenzial mit sich brin-gen, sondern auch in anderen vielfältigen Bereichen genutzt werden können.

 

PiezoPeening

Piezo-Festhämmerwerkzeug

Das  maschinelle  Oberflächenhämmern  befindet  sich  seit  etwa  2010  als  anwendungsspezifische Sonderlösung im industriellen Einsatz zur Glättung und Verfestigung von Oberflächen im Werkzeug- und  Formenbau.  Die  Optimierung  der  Prozessparameter  durch  eine  Ablösung  konventioneller elektromagnetischer bzw. pneumatischer Aktoren  als Antriebseinheit entsprechender Werkzeuge verspricht  sowohl eine wachsende Anwendungsvielfalt  als auch eine deutliche Effizienzsteigerung des  Verfahrens.  Ziel  des  Projekts  ist  daher  die  simulationsgestützte  Entwicklung  eines Demonstrators  zum  Nachweis  der  industriellen  Tauglichkeit  und  Vorteilhaftigkeit  des  Einsatzes einer piezobasierten Antriebsstrategie beim maschinellen Oberflächenhämmern. Insbesondere die somit  mögliche  Erhöhung  der  Hämmerfrequenz  von  bislang  200  Hz  bis  500  Hz  auf  600  Hz  bis 1000 Hz führt zu einer Steigerung der Produktivität gegenüber bekannter Hämmerverfahren bei der maschinellen  Finish-Bearbeitung  im  Werkzeug-  und  Formenbau  um  mindestens  50%.  Das elektromechanisch geschlossene Antriebskonzept bietet  zudem das Potential der  automatisierten Identifikation  und  Überwachung  prozessbestimmender  Parameter  zur  Erhöhung  der Verfahrensrobustheit  und  Wirtschaftlichkeit.  Die  Kombination  des  piezoelektrischen Werkzeugsystems mit den dafür prädestinierten Einsatzmöglichkeiten von  Industrierobotern  lässt überdies einen wirtschaftlichen Vorteil von etwa dem Faktor 2 erwarten,  insbesondere bei einem Vergleich  mit  dem  Einsatz  klassischer  Großbearbeitungszentren  beim  Schlichtprozess,  dessen Zeitbedarf durch das Verfahren signifikant reduziert wird.

Hierfür adressiert das Projekt die wesentlichen Schwerpunkte:

  • Entwicklung eines mit piezokeramischen Antriebskomponenten versehenen Festhämmerwerkzeugs  
  • Realisierung eines Systemmodells Maschine - Werkzeug - Steuerung - Prozess
  • Entwicklung einer integrierten Leistungselektronik- und Ansteuerungseinheit
  • Entwicklung einer flexiblen CAM-Strategie zur steuerungsseitigen Integration der Bearbeitungstechnologie und optimalen Bahnplanung
  • Realisierung und Erprobung des Demonstratorsystems

Somit  findet  durch  die  Implementierung  von  Smart  Materials  in  das  Werkzeugsystem  eine Befähigung des Verfahrens  zum breiten und hocheffizienten  industriellen Einsatz  im Produktions- und Dienstleistungssektor statt und ein entscheidender Beitrag  zur Weiterentwicklung des neuen Verfahrens wird geleistet.

PROWIPUSAL

Prozesssicheres Widerstandspunktschweißen von Al-Legierungen mit Piezounterstützung

Das Widerstandspunktschweißen (WPS) ist seit Jahrzehnten ein etabliertes, vielseitiges und robustes thermisches Fügeverfahren im Automobil- und Karosseriebau. Die größten Herausforderungen im Automobilbau liegen heute in der Erhöhung des Fahrzeuginsassenschutzes und der Reduzierung umweltschädlicher Abgase. Gegenstand aktueller Forschungen ist u. a. die Reduzierung der Gesamtfahrzeugmasse durch konsequenten Leichtbau. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 1 kg verringert den CO2-Ausstoß um bis zu 8,5 g/km. Daher fokussiert man sich zunehmend auf den Multi-Material-Leichtbau. Das bedeutet, dass neben konventionellen Stahlwerkstoffen auch zunehmend Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Das WPS von Stahlwerkstoffen ist weitestgehend unproblematisch. Das Schweißen von Aluminiumlegierungen hingegen ist prinzipiell zwar durchführbar, allerdings mit sehr hohem Aufwand verbunden, welcher bisher nur in der Kleinserienfertigung gerechtfertigt werden konnte. Problematisch ist hier unter anderem die hohe Anlegierungsneigung an die Elektrodenkappen der Schweißanlage und die starke Heiß- und Kaltrissanfälligkeit der geschweißten Aluminiumlegierungen. Nach nur wenigen Schweißzyklen müssen die Elektrodenkappen mechanisch nachbearbeitet werden, was zu einer deutlichen Verkürzung der Standzeit führt und dadurch häufige Wechselintervalle entstehen. Des Weiteren verändern sich die Kontaktbedingungen in der Fügezone, sodass bereits nach wenigen Schweißungen keine qualitätsgerechte Verbindung mehr erzeugt werden kann.

Mit Piezoaktoren ist es möglich hohe Kräfte bei sehr kleinen Wegen in Bruchteilen von Sekunden zu erzeugen. Durch eine Überlagerung der Elektrodenkraft mit einem hochdynamischen, piezoaktorisch erzeugten Kraftimpuls in Richtung Schweißpunkt ist es möglich eine Kornverfeinerung während des Erstarrungsvorgangs in der Schweißlinse zu erreichen. Des Weiteren können mit Piezoaktoren Schwingungen auf der Oberfläche der zu verschweißenden Bleche erzeugt werden. Hierdurch kann die auf den Aluminiumblechen befindliche Oxidschicht aufgebrochen, der Übergangswiderstand reduziert und damit ein gleichmäßiger, reproduzierbarer Schweißprozess ermöglicht werden. Die Erfassung der Prozessparameter Widerstand, Kraft und Schweißstrom erlaubt zudem Aussagen zur Qualität der Fügeverbindung.

Das Projekt verfolgt drei Hauptziele. Das erste Ziel besteht darin, die Oxidschicht der Aluminiumbleche mit Piezoaktorisch erzeugten Schwingungen aufzureißen. Somit können die Anfangskontaktbedingungen beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen über eine Vielzahl von Schweißungen konstant gehalten werden. Weiterhin wird durch die eingebrachten Schwingungen eine Anlegierung des Werkstoffs an die Elektroden vermieden. Das zweite Hauptziel verfolgt den Ansatz der Kornverfeinerung während des Schweißvorgangs bzw. während des Erstarrungsprozesses der schmelzflüssigen Schweißlinse durch das Einleiten von zusätzlichen Kraftimpulsen mittels piezoaktorischen Komponenten. Beide Effekte sollen als drittes Ziel in einer neuartigen Schweißanlage mit strukturintegrierter Piezoaktorik kombiniert umgesetzt werden um das WPS von Aluminium für den Serieneinsatz zu ertüchtigen.
Mit der Umsetzung des Projektes wird erstmal technisches und technologisches Neuland hinsichtlich des prozesssicheren WPS von Aluminium betreten. Mit erfolgreichem Abschluss der Arbeiten werden insbesondere kleine und mittelständige Unternehmen befähigt kostengünstig gefügte Aluminiumkomponenten anzubieten, ohne sich komplexes und kostspieliges Prozess Know-how aneignen zu müssen.

SmartStack

Entwicklung und Fertigung Dielektrischer Elastomer-Stapelaktoren

Dielektrische Elastomer-Aktoren (DE-Aktoren) repräsentieren eine neue Klasse elektromechanischer Aktoren, die beim Anlegen elektrischer Felder als Folienaktoren vergleichsweise große Deformationen erfahren. In der Multilayer-Bauweise als Stapel- oder Rollenaktoren können Auslenkungen von bis zu 10% ihrer Bauhöhe erzielt werden. Insbesondere DE-Stapelaktoren sind für viele Anwendungen interessant, die Stellwege im Bereich einiger hundert Mikrometer bis hin zu einigen Millimetern erfordern.

So stellen DE-Stapelaktoren z. B. in Ventilen für die Automatisierung und zur Aktuierung elektrischer Schalter in Relais und Schützen eine vielversprechende Alternative zu elektromagnetischen Aktoren dar. Auf Grund des bereits nachgewiesenen deutlich geringeren Energieverbrauchs von DE-Stapelaktoren im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren sowie der Möglichkeit einer Proportionalverstellung stellen DE-Stapelaktoren in diesen Anwendungen nicht nur einen Ersatz für herkömmliche Aktoren dar, sondern können einen deutlichen technologischen Mehrwert liefern. Als DE-Stapelaktoren versteht man Schichtsysteme, die aus einer Vielzahl übereinanderliegender, dünner geeigneter Dielektrikaschichten und dazwischenliegenden dehnbaren Elektroden bestehen.

Dem starken Interesse der Elektroindustrie an dem Einsatz dieser neuen Technologie steht gegenwärtig eine wenig automatisierte, vorwiegend händische Fertigung gegenüber. Mit der fehlenden industrietauglichen Fertigungstechnologie ergibt sich nicht nur ein Mangel an prototypischen DE-Stapelaktoren zur Bewertung ihrer Zuverlässigkeit und Einsatzgrenzen aus Sicht der Anwendung, sondern vor allem ein erhebliches Hemmnis für ihre industrielle Verwertung. Weiterhin begrenzt die bisher benötigte Betriebsspannung der DE-Stapelaktoren von ggw. bis 2,5 kV ihre Einsatzchancen, da dies zu einer deutlichen Verteuerung der notwendigen Ansteuerelektronik führt. Vor allem wegen der leistungselektronischen Komponenten sind Betriebsspannungen von <1.000 V erforderlich, um wettbewerbsfähige Produkte zu etablieren. Diesen technischen Herausforderungen – Entwicklung einer industrietauglichen Fertigungstechnologie für DE-Stapelaktoren, der Evaluierung ihrer Einsatzmöglichkeiten, ihres Leistungsvermögen, ihrer Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität, sowie der deutlichen Absenkung ihrer Betriebsspannung durch die Prozessierung dünnerer Dielektrikaschichten – stellen die Hauptentwicklungsziele im hier vorgeschlagenen Vorhaben dar.

In den bisherigen Arbeiten zur Thematik der DE-Stapelaktoren, insbesondere auch in den Projekten SmartProcesses und Dielastar zeichnet sich ab, dass es prozesstechnisch von Vorteil ist, erst Aktorsubmodule zu erstellen und daraus komplette Stapelaktoren in der Höhe der Anwendungsanforderung aufzubauen. Um diesen Weg konsequent zu entwickeln, schlägt das Konsortium zwei, sich gegenseitig ergänzende und damit das Risiko minimierende Fertigungsverfahren für Aktorsubmodule vor. Verfahren 1 (Stapel aus 10…30 Einzelschichten) geht von vorgefertigten Dielektrikafolien aus, was eine kostengünstige Fertigung der Submodule erlaubt, aber bestimmte Limitationen im Handling ultradünner Filme (≤15 μm) beinhaltet. Verfahren 2 (Stapel aus 5…10 Einzelschichten)geht von einer nasschemischen in situ-Verfilmung der Dielektrikaschichten aus, was eine aufwendigere Fertigung der Submodule bedeutet, jedoch auch ultradünne Einzelschichten (≤ 15 μm) erlaubt. Für beide Verfahren zur Submodulfertigung werden im Projekt die Grenzen für die minimal erzielbare Einzelschichtdicke unter Berücksichtigung der Produktionskosten und der ansteuernden Elektronik untersucht und gesamtheitlich optimiert. Die nach beiden Verfahren in vergleichbarer Baugröße hergestellten Aktorsubmodule werden dann beim Hersteller der finalen Aktoren (Kern Technik)in Kleinserie mechanisch aufgestapelt, kontaktiert und passiviert. Begleitet wird die Fertigung der Aktorsubmodule und der finalen Aktoren durch die maschinenbau-seitige Entwicklung und Demonstration von Kleinserien-tauglicher Anlagentechnik.

Anschließend werden die Aktoren charakterisiert und bewertet sowie von externen Anwendern hinsichtlich ihrer Eignung, Zuverlässigkeit und Einsatzgrenzen untersucht. Final soll ein Verwertungs- und Fertigungskonzept für DE-Stapelaktoren, das durch ostdeutsche KMU getragen wird,vorliegen.

FuE-Projekte 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.

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.

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

Extraplant

Superelastisches Implantat zur Behandlung der Trachealstenose

Durch verbesserte intensivmedizinische Therapien kann die Überlebensrate von Patienten mit schweren und schwersten Erkrankungen (Schlaganfälle, Herzinfarkte etc.) oder Unfallverletzungen stetig erhöht werden. Während der intensivmedizinischen Behandlung werden die Patienten dabei über längere Zeit beatmet und zur Erleichterung des Entwöhnungsprozesses von der Beatmung oft tracheotomiert. Allein in Deutschland werden schätzungsweise ca. 44.000 Tracheotomien (Luftröhrenschnitte) pro Jahr durchgeführt. Bei etwa 10% der langzeitintubierten Patienten kommt es in der Folge zu einer Luftröhrenverengung (Trachealstenose). Neben der Langzeitintubation und der Tracheotomie gibt es noch weitere Ursachen für die Entstehung von Trachealstenosen, wie zum Beispiel Kompression von außen (etwa durch eine vergrößerte Schilddrüse). Patienten jeden Alters – vom Kleinkind bis zum Senior – können von dieser Erkrankung betroffen sein.

Bisher werden Trachealstenosen mittels aufwändiger Operationen versorgt. Ziel der Tracheal-Chirurgie ist häufig die operative Beseitigung von Engstellen. Im Zentrum der Trachealchirurgie stehen die Entfernung des zu engen Luftröhrensegmentes und die "End-zu-End-Anastomose" (Naht) der beiden gesunden Luftröhrenenden.

Der Einsatz von Stents erfolgt stets nur vorübergehend und nie dauerhaft. Stents sind aufgrund konzeptueller Nachteile eine Quelle vielfältiger Patientenbeschwerden. Ein Hauptgrund dafür ist die fehlende Epithelialisierung der Stentoberfläche, die im nicht sterilen Trachealraum zu Infektionen führt. Eingriffe mit Stents implizieren daher immer Folgeeingriffe.

Auch beim Totalersatz eines Teils der Luftröhre durch ein Implantat nach erfolgter Trachealquerresektion (Entfernung eines Teils der Luftröhre einschließlich der enthaltenen Knorpelspangen) sind bisherige Therapielösungen unzureichend. Etablierte Starrimplantate, beispielsweise aus Glaskeramikwerkstoffen, stellen keine dauerhafte Lösung dar und führen zudem zu einer eingeschränkten Bewegungsfreiheit von Kopf und Hals.

Das oben beschriebene Therapiedefizit ist der Ausgangspunkt des geplanten Forschungsprojekts. Der zentrale Forschungsgegenstand ist ein Konzept für eine neuartige Klasse von Tracheaimplantaten, die zum dauerhaften Verbleib im Körper vorgesehen sind.

Im Gegensatz zu Trachealstents, die die Luftröhre von innen stützen, oder starren keramischen Implantaten, handelt es sich bei der neuartigen Klasse von Tracheaimplantaten um hochflexible, exoskelettartige Konstruktionen aus NiTi-Werkstoffen, die von außen auf der Trachea angebracht werden, mit der Trachea zusammenwachsen sollen und dann eine stützende und formerhaltende Funktion ausüben.

Für ein optimales Einwachsverhalten und eine biomechanisch optimierte Anpassung des Implantates erfolgt eine Mikro- und Makrostrukturierung der Oberfläche. Wird das Implantat nach einer Trachealquerresektion eingesetzt, so übernimmt es direkt die Funktion der entfernten Trachea und wird selbst zu einem Teil der Luftröhre. Im Rahmen eines angepassten Operationsverfahrens erhält das Implantat auf seiner Innenseite eine Auskleidung mit Schleimhaut. Diese Auskleidung stellt zum einen die Abdichtung der Luftröhre sicher und ist zum anderen ein wirksamer Schutz vor Infektionen.

Das Gesamtziel des Projekts umfasst die Entwicklung des Implantatkonzepts, die Umsetzung im Labormaßstab einschließlich der erforderlichen biomechanischen und klinischen Versuche sowie die Entwicklung der Prozesskette zur zukünftigen Herstellung der Implantate. Ein eigenes Patent für das Implantatkonzept wurde bereits angemeldet.

FGLSensOPro

Hochelastische Dünnschicht-FGL-Dehnungssensorik zur Materialintegration in der Orthetik und Prothetik

Ziel des Projektes „FGLSensOPro“ ist die Entwicklung und Erprobung eines funktionsfähigen, kostengünstigen Sensorsystems sowie dessen Integration bzw. Applikation in Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit den Anwendungsschwerpunkten Prothetik und Orthetik. Als dehnungssensitives Material sollen mittels Mikrosystemtechnologie abgeschiedene FGL-Dünnschichten eingesetzt werden.

Durch die innovative Kombination von Dünnschicht-FGL-Strukturen mit der Einbettung in FKV-Strukturen entsteht ein Sensorsystem welches viele Vorteile vereint. Durch die Verwendung des FGL-Dünnschicht-Materials können deutlich mehr Lastzyklen als mit DMS erreicht werden. Die Sensorstruktur soll zusätzlich so ausgelegt werden, dass sie temperaturunempfindlich ist, sich leicht in FKV-Strukturen integrieren lässt, und Messdaten sich durch den sehr hohen k-Faktor sehr gut sowie kostengünstig z. B. per Smartphone auslesen lassen. Die Technologie eignet sich auch für eine Skalierung in der Serienproduktion, insbesondere mit der Kombination der gestickten Fixierung.
Zur Bereitstellung von Dehnungssensoren mit großer elastischer Dehnbarkeit sollen Sensoren aus pseudoelastischen Formgedächtnislegierungen (FGL) genutzt werden. Ziel ist es Sensorstrukturen mit einer Dehnbarkeit von bis zu 8 % umzusetzen. Für große Zykluszahlen sollen Dehnungen von bis zu 3 % ermöglicht werden. Diese hohen Dehnungen sind mit bisher existerienden DMS nicht erreichbar. Hier sind FGLs gefordert, die eine hohe Zyklenstabilität aufweisen, bspw. TiNiCu-basierte Legierungen. Dünnschicht-Verfahren sollen dabei zur Herstellung der Sensorstrukturen aus den für die anvisierten Anwendungen optimierten Legierungen eingesetzt werden. Mittels Dünnschichtverfahren wird zudem die Umsetzung der elektrischen Isolation und das Anbringen von Schichten zur direkten und einfachen Kontaktierung beabsichtigt. Die Integration von Sensorstrukturen auf bzw. in FKV-Strukturen durch die Entwicklung der erforderlichen Verfahren ist ein weiteres Ziel des Vorhabens. Der erreichte k-Faktor (Verhältnis aus relativer Widerstandsänderung zur relativen Dehnung) der Sensoren soll im eingebetteten Zustand größer als 5 und damit besser als bei vielen herkömmlichen DMS sein.

Als Endergebnis werden Demonstratorstrukturen für Prothesen und Orthesen mit integriertem FGL-Sensor realisiert und evaluiert, welche die Erfassung von inneren Verformungen erlauben. Damit wird ein robustes System zur dauerhaften Dehnungsmessung in FKV-Strukturen geschaffen. Die zur Aufnahme und Verarbeitung der Messdaten erforderliche Kontaktierung und Elektronik wird ebenfalls prototypisch umgesetzt. Nach erfolgreichem Abschluss des Vorhabens liegen demnach alle Voraussetzungen vor, um konkrete Bauteilanwendungen insbesondere im Bereich der Medizintechnik sowie des Automobilbaus, des Rotorblattbaus oder des Maschinen- und Anlagenbaus (z. B. Produktionsanlagen) zu erschließen.

Ziele

  • Aufbau eines Sensorsystems zur medizintechnischen Anwendung in der Prothetik und Orthetik
  • FGL-Dünnschicht-Sensor für wiederholte Dehnungen bis zu 8% bei Zykluszahlen <10.000 und bis zu 3% für Zykluszahlen >100.000
  • Temperaturstabiles Messsignal des FGL-Dünnschicht-Sensors mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis
  • Realisierung einer soliden und zuverlässigen An- und Verbindungstechnik für FGL-Sensoren
  • Aufbau eines Prothesen/Orthesen Demonstrators

IPUCLEAN

Intelligentes piezoelektrisches Ultraschallsystem zur Erhöhung der Reinigungs- und Schneidleistung von Wurzelkanalfeilen aus FGL

Gegenstand des geplanten Vorhabens IPUCLEAN ist die Erforschung eines piezoaktorisch getriebenen Ultraschallreinigungssystems zur Unterstützung der Wurzelkanalbehandlung mit rotierenden superelastischen Wurzelkanalfeilen aus Formgedächtnislegierungen. Im Ergebnis liegt ein validierter Funktionsdemonstrator des Behandlungswerkzeuges in Echtgröße vor. Das System beruht auf einer neuartigen miniaturisierten piezoelektrischen Schwingungsaktorik, angepasst an die Eigenschaften der superelastischen Wurzelkanalfeile, einer Überwachung des Wurzelkanalwerkzeuges sowie einer integrierten Elektronik für Steuerung, Leistungselektronik und Behandlerinterface. In Gesamtheit entsteht ein closed-loop-System, dass autonom die Reinigung des Wurzelkanals und des Wurzelkanalwerkzeugs direkt im Zahn, integriert im Behandlungsverlauf übernimmt. Gleichzeitig verhindert das System kritische Betriebszustände, die zur Zerstörung des Aufbereitungswerkzeuges im Zahn führen können. Das System bietet somit eine Erhöhung der Behandlungssicherheit und des Behandlungserfolges bei gleichzeitiger Verkürzung der Behandlungsdauer, woraus eine spürbare Verbesserung für Behandler und Patient resultiert. Mit Blick auf die durch die EU vorangetriebene ROHS1-Direktive werden in dem Projekt erste kommerziell zur Verfügung stehende bleifreie Piezokeramiken aufgenommen und in Schwingungsaktoren umgesetzt.

Der Hintergrund des Vorhabens stellt sich wie folgt dar. Die Aufbereitung von Zahnwurzeln ist notwendig, um organisches Gewebe zur Vermeidung protrahierender entzündlicher Erkrankungen aus dem Wurzelkanal zu entfernen und somit den Erhalt des Zahnes sicherzustellen. Dabei handelt es sich um eine für die Betroffenen (ca. 18% der gesetzlich versicherten Kassenpatienten zwischen 30 und 50 Jahren) dennoch sehr unangenehme Routinebehandlung, die in Deutschland ca. 7,5 Millionen Mal im Jahr durchgeführt wird. Wurzelkanalfeilen, welche um ihre Längsachse mit ca. 200 Umdrehungen pro Minute rotieren, ermöglichen eine gute Ausräumung des Wurzelkanals bei hoher Güte der Kanalwand. Bei der typischen Behandlung führt der Behandler eine langsame periodische Vorschub-Rückzugbewegung mit der Feile aus, während die Feile nicht vollständig aus dem Wurzelkanal herausgezogen wird. Diese Bewegung wird als picking-motion bezeichnet. Aufgrund der natürlichen Krümmung des Wurzelkanals treten Torsionsbelastungen infolge von Reibmomenten auf. Infolge des typisch auftretenden mangelnden Abtransportes des abgetragenen Zahnmaterials (Dentin) kommt es außerdem zum Zusetzen der Feilenspanräume, wodurch die Feilenbeanspruchung verstärkt wird. Letztlich kann dies zum Feilenbruch führen, woraus der Abbruch der Behandlung resultiert und das Feilenbruchstück im Zahn verbleiben muss. Aus diesem Grund sieht die Behandlungsroutine die zeitaufwändige Reinigung der superelastischen Feile aus Formgedächtniswerkstoff und des Wurzelkanals durch das vollständige Herausziehen der Feile und der Verwendung eines separaten Spülwerkzeuges vor. Um Zeit zu sparen, werden vom Zahnarzt häufig die Feilenreinigung und Kanalspülung reduziert angewendet oder unterlassen, was das Risiko von Feilenbrüchen erhöht. Das im Vorhaben verfolgte intelligente Ultraschallsystem löst dieses Problem durch eine autonome Reinigung der Zahnfeile und des Wurzelkanals während des routinemäßigen Behandlungsablaufs.

KEIFFON

Neuartige intelligente Fixationsmechanismen für modular aufgebaute künstliche Hüftpfannen und Köpfe aus Keramik in Verbindung mit Formgedächtnis-Legierungen

Moderne Hüftimplantate sind häufig modular aufgebaut, um die Revision einzelner Implantat-Komponenten zu ermöglichen. Im Rahmen einer Revision treten in einigen Fällen jedoch Probleme auf, die sowohl die Verbindung zwischen dem Pfannengehäuse und einem Insert als auch die Verbindung zwischen einem Stielkonus und einem Kugelkopf betreffen. Ein Problem ergibt sich, wenn ein keramisches Insert aus dem Pfannengehäuse entfernt werden muss. Das Lösen des Inserts soll intraoperativ durch einen Schlag auf den Rand des Inserts erfolgen, dabei besteht jedoch die Gefahr von Randabplatzern und Brüchen, außerdem ist dieses Vorgehen, nach Markteinschätzungen, in nur 30% der Revisionen erfolgreich.

Ein weiteres Problem betrifft die Verbindung von Stielkonen und Revisionsköpfen. Im Falle eine Revision des Kugelkopfes kann es zu Schädigungen des Konus kommen. In diesem Fall werden spezielle Revisionsköpfe eingesetzt, welche eine metallische Adapterhülse im Kugelkopf aufweisen, die den Bruch des keramischen Kopfes vermeiden soll. Bei diesem System kommt es jedoch häufigzu insuffizienten Rotations- und Abzugsfestigkeit der modularen Verbindung.

Ziel des Projektes ist es, Formgedächtnislegierungen (FGL) für modulare Hüftimplantate zu verwenden, um die zuvor genannten Probleme zu lösen. Konkret sollen Konzepte und technische Systeme erarbeitet werden, die ein einfaches, zerstörungsfreies Herauslösen eines keramischen Inserts aus einer modularen Hüftpfanne sowie eine abzugs- und rotationsstabile Verankerung eines keramischen Revisionskopfes auf einem in-situ verbleibenden Stielkonus ermöglichen.

Im vorliegenden Verbundprojekt sollen neuartige intelligente Fixationsmechanismen für modular aufgebaute künstliche Hüftpfannen und Köpfe aus Keramik in Verbindung mit Formgedächtnis-Legierungen erforscht und evaluiert werden. Um hiermit das Herauslösen des Keramik-Inserts aus dem Pfannengehäuse zu vereinfachen, sollen FGL-Elemente am Keramikinsert angebracht werden, welche das Insert bei einem gezielten Temperatureintrag aus der Pfannenschale drücken bzw. bei Körpertemperatur in vivo die Verklemmung von Insert und Pfannengehäuse stabilisieren, jedoch die Verklemmung nach einem gezielten Temperatureintrag verringern. Dadurch wird das Lösen des Inserts für den Operateur vereinfacht, d.h. ein definiertes Entfernen des zu wechselnden Inserts wird ermöglicht und das Risiko von keramischen Insertbrüchen, während der Wechseloperation minimiert. Weiterhin wird das Risiko für abgeriebenes Material von Implantat oder Ausschlaginstrument, welches beim Entfernen der Inserts unter Gewalteinwirkung entstehen kann, minimiert. Eine Belastung des Interfaces zwischen acetabulärem Knochen und Pfanne, die zum Abscheren der Knochentrabekel von der Außenseite des Implantates führen kann, wird ebenfalls ausgeschlossen. Dadurch werden Folgeschäden vermieden und die Standzeiten können für die Revisionsimplantate verbessert werden.

Im Falle der Revision von keramischen Kugelköpfen soll der keramische Revisionskopf mit FGLElementen ausgerüstet werden, welche sich durch Temperatureintrag mittels eines speziellen Werkzeugs ausdehnen und dadurch eine feste und rotationsstabile Konusverbindung erzielen. Damit sollen hohe Fügekräfte erzeugt werden, ohne dass dafür hohe Setz- bzw. Aufschlagkräfte für den keramischen Revisionskopf mit dem einhergehenden Risiko des Implantatbruchs benötigt wird. Hierdurch wird letztlich die Implantatsicherheit in Verbindung mit geschädigten Stielkonen erhöht.

SmartMat

Intelligente Matratze zur Dekubitus-Prophylaxe

Druckgeschwüre stellen eine der größten Herausforderungen dar, mit denen sich die Medizin bei der Pflege immobiler Patienten auseinandersetzen muss. Vorsichtigen Schätzungen der Gesundheitsbe-richterstattung des Bundes zufolge erleiden jährlich ca. 400.000 Patienten einen Dekubitus, obgleich die Dunkelziffer deutlich höher liegen dürfte. Unter den Zeichen der vorauszusehenden demografischen Entwicklung wird diese Problematik zukünftig an Bedeutung gewinnen. Der zunehmende Kostendruck, der auf dem Gesundheitssystem lastet, verschärft diese Problematik zusätzlich.

Wesentlich für die Entstehung von Dekubitus ist ein anhaltender Druckzustand (verursacht durch Immobilität) auf empfindliche Hautpartien (vor allem Hautpartien, die nur wenig überdeckendes Gewebe bis zum Knochen haben) in Verbindung mit erhöhten Temperaturen und Feuchtigkeit. Weiterhin spielt die Konstitution des Patienten eine große Rolle. Zwar existieren verschiedene Methoden, um der Entstehung von Dekubitus vorzubeugen, jedoch weisen diese bisher noch erhebliche Nachteile auf. Weichlagerungssysteme verteilen zwar den Druck relativ gleichmäßig auf den Körper, berücksichtigen jedoch nicht die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Körperpartien. Wechseldrucksysteme, meist pneumatisch, können die Druckverteilung in vorgegebenen Zyklen variieren und somit eine zu lange andauernde Belastung einzelner Körperpartien verhindern. Durch den benötigten Kompressor entsteht eine Lärm- und Schwingungsbelastung, die vom Patienten oft als störend empfunden wird. Zudem verhindert die notwendige Dichtheit eine ausreichende Lüftung der belasteten Körperpartien, was die Entstehung von Dekubitus befördert. Eine sensorische Erfassung der kritischen Parameter Druck, Temperatur und Feuchtigkeit ist nicht bekannt.

Das Ziel des Projektes ist deshalb die Entwicklung einer intelligenten Matratze zur Dekubitus-Prophylaxe, einschließlich des dazugehörigen Überwachungs- und Regelungssystems. Dabei existieren im Wesentlichen drei Handlungsstränge:
Aktorik: Mittels Aktorik wird eine Variation der Druckverteilung zwischen Matratze und Patienten angestrebt. Sie soll sich einerseits gut in die textile Umgebung integrieren lassen, anderseits jedoch gleichzeitig eine offene Bauweise ermöglichen, die eine ausreichende Hinterlüftung erlaubt. Als Anforderungen an die Aktorik sind zu nennen: lautlose Funktionalität, möglichst energiesparender Betrieb sowie Beständigkeit beim Waschen und Desinfizieren im eingebauten Zustand. Zudem soll die Aktorik eine modulare Bauweise ermöglichen, um einerseits die Fertigungskosten gering zu halten und andererseits auch Matratzen nur in Teilbereichen mit dem System auszustatten. Formgedächtnislegierungen (FGL) bieten sich hier als Aktorprinzip an. Als relativ flexible, nachgiebige Aktorik können Aktorelemente aus FGL gut in das Textil integriert werden.

Sensorik: Das sensorische Konzept besteht aus verschiedenartigen Einzelsensoren. Dabei ist von Interesse, wesentliche Anhaltspunkte für dauerhafte, lokale Belastung von Körperpartien zu erfassen, welches mithilfe der Messgrößen Druck, Temperatur und Feuchtigkeit bewerkstelligt wird. Langanhaltende, örtliche Druckbelastung ist eine wesentliche Ursache für Dekubitus. Mit einhergehen der Anstieg der Körpertemperatur sowie die Absonderung von Feuchtigkeit. Die sensorische Erfassung dieser Größen sollte durch speziell angepasste intelligente Textilien und Minisensoren erfolgen, welche im Rahmen des Projektes entwickelt bzw. für den speziellen Anwendungsfall angepasst werden. Hierbei ist deutlich zu formulieren, dass grundlegende Entwicklungen bereits erfolgt sowie die Funktion nachgewiesen sind, jedoch noch keine großflächigen Sensoren für die betrachtete Anwendung am Markt zur Verfügung stehen. Durch eine gewollte Nachgiebigkeit der Matratzenoberfläche müssen Sensoren so ausgelegt werden, dass sie von Patienten als nicht unmittelbar störend empfunden werden. Die Integration in die nachgiebige Matratzen-Matrix – ohne Einbuße der sensorischen Eigenschaften – ist hier ein wesentlicher Untersuchungspunkt. Weiterhin bedingt eine flächenmäßig große Abdeckung mit Sensoren, dass die Produkte erschwinglich sind.

Regelung: Die mittels der Sensorik erfassten Zustandswerte werden mit patientenspezifischen Daten kombiniert, um daraus ein patientenspezifisches Risikomapping zu erstellen. Ein zu entwickelnder Algorithmus berechnet daraus iterativ eine im Sinne der Dekubitusprophylaxe optimale Druckverteilung und übergibt die Sollwerte an die Aktor-Sensor-Module, die wiederum den geforderten Druck einstellen. Daneben werden die erfassten Daten in einer Datenbank gespeichert, so dass ein quantitatives Erfahrungswissen entsteht, welches für zukünftige Forschungsarbeiten genutzt werden kann. Das System soll über eine intuitive Benutzeroberfläche verfügen.

Als Ergebnis des Projektes entsteht der Demonstrator eines intelligenten Systems, das sowohl die für die Entstehung von Dekubitus relevanten Faktoren aufzeichnen, auswerten und bewerten kann als auch durch eine adaptive, regelbare Drucksteifigkeit wirksam der Entstehung von Dekubitus vorbeugen kann. Die Nachteile der bisher existierenden Lösungen (fehlende Luftdurchlässigkeit, hoher apparativer Aufwand) werden dabei vermieden.

SmartMicroFluidicActuator

Mikropumpen auf Basis von MSM

Das Projekt SmartMicroFluidicActuator („SMFA“) hat das Ziel, die aktorische Charakteristik von Magnetic Shape Memory (MSM) Elementen als Pumpmechanismus zu nutzen, zu entwickeln und sukzessive in großer Anwendungsbreite zu verwerten. Die zu entwickelnde Pumpe soll im Förderbereich 10 nl/min bis 2 ml/min zum Einsatz kommen. Das erste zu adressierende Marktsegment ist die Point-of-Care (PoC) Diagnostik, die als neue Technologie ein hohes Wachstumspotenzial im Bereich Life Science besitzt. Die Anwendbarkeit des Pumpprinzips soll stellvertretend in zwei Pilotanwendungen gezeigt werden, einmal in einer Medikamenten- bzw. Wirkstoffdosierung sowie in Allergietest-Systemen.

Klinische Tests sind in der Projektlaufzeit nicht vorgesehen. Obwohl der Grundgedanke einer MSM-Pumpe (vgl. Abschnitt 3) bereits seit geraumer Zeit bekannt ist, existiert aufgrund der fehlenden industriellen Herstellung von langzeitstabilen MSMElementen bisher kein industriell verfügbares Pumpsystem. Da Pumpen typischerweise einen hohen Diversifikationsgrad haben, soll die Entwicklung eines neuen mikrofluidischen, MSM-basierten Pumpsystems universell für die Anwendung in weiteren Bereichen (Medizintechnik, Maschinenbau, Chemie, Pharma u.a.) gehalten werden.

Die neue Lab-on-Chip-Technologie für Point-of-Care-Anwendungen soll aufgrund der hohen Wachstumsrate als erstes Marktsegment adressiert werden. Hier ist für die patientennah eingesetzten Einmal-Analysesysteme eine kostengünstige Lösung ("Disposable") beim Fördern kleinster Flüssigkeitsmengen gefordert. Der Zielpreis der bereitgestellten Funktion sollte unter 2 € liegen. Daraus ergibt sich die Forderung einer trennbaren Adaption des Fördermechanismus an entsprechende Chips als Ausführung, d.h. mindestens der Pumpenantrieb ist nicht Teil des Disposables.

Aufgrund der Neuheit der MSM-Technologie in der industriellen Umsetzung ist es notwendig, anwendungsspezifische Grundlagen zu erarbeiten. Die Verfahren zur Fertigung von MSM-Elementen haben entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer des Antriebs und sollten, je nach Anwendung, bis 20.000 Betriebsstunden sicherstellen. Dies gilt auch für das notwendige elastische Dichtsystem, das die Bewegungszyklen bis zum Ende seiner Lebenszeit möglichst verschleißfrei erreichen soll.

Die Aktuierung des MSM-Elementes durch ein orts- und zeitveränderliches Magnetfeld muss dabei die optimale Verformung für die Fluidförderung sicherstellen. Hierzu ist ein elektromagnetisches Antriebssystem zu entwickeln, das die Wanderwellenbewegung induziert und das kostengünstig produziert werden kann. Um eine optimale Kopplung von Antriebssystem und MSM-Element konzipieren zu können, muss die elektromagnetisch aktuierte Materialverformung simuliert werden. In einem zweiten Schritt ist der fluidische Wirkmechanismus, definiert durch ausgewählte Aufbaukonzepte, ebenfalls simulationstechnisch zu untersuchen. Anwendungsspezifische Funktionsmuster werden im dritten Schritt realisiert und erprobt.

Zellisolator

Entwicklung eines in vivo Zellisolators auf Basis einer Formgedächtnislegierung zur Gewinnung von seltenen zirkulierenden Tumorzellen aus peripherem Blut

In der Onkologie konnten in den vergangenen Jahrzehnten wesentliche Fortschritte sowohl in der frühzeitigen Erkennung von Krebserkrankungen als auch deren Therapie verzeichnet werden. Trotz aller Verbesserungen kann es bei der Entstehung und dem Wachstum von Primärtumoren bereits früh im Krankheitsverlauf zu einer hämatogenen Streuung von Tumorzellen kommen, was die Gefahr von Metastasierungen erhöht. Bisher etablierte diagnostische Verfahren sind neben der allgemein bestehenden Problematik von Sensibilität und Sensitivität in der Aussage dadurch begrenzt, dass sie sich lediglich auf ein durch die Technik der Probennahme limitiertes Volumen beziehen, von dem man auf das gesamte Organ bzw. den Organismus extrapoliert. Eine Vielzahl von Faktoren wie z.B. die Art der Probenahme, die Verteilung von pathologischen Zellen (z. B. circulating tumor cell, CTC) im Blut bzw. die Ausdehnung von Tumorgewebe im Organismus beeinflussen die Erfassung pathologischer Merkmale. CTCs können aufgrund ihrer physikalischen und biologischen Eigenschaften mit diversen Technologien aus dem Blut isoliert und anschließend zur weiterführenden Diagnostik, Prognose der Erkrankung und Therapieanpassung genutzt werden. Gemäß der aktuellen Literatur liegt z.B. die avisierte Nachweisgrenze für CTCs bei ca. 9 Zellen pro Liter menschlichen Blutes. Herkömmliche Verfahren mittels Entnahme von bis zu 30 mL Blut sind für diesen Nachweis nicht ausreichend sensitiv, nur die in vivo Anreicherung dieser Zellen kann die Limitierung überwinden. Die GILUPI GmbH stellt derzeit den GILUPI CellCollector® her, mit dem bereits in vivo seltene Zellen angereichert werden können. Dieses Medizinprodukt besteht im wesentlichen aus einem Edelstahldraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm, der mit Gold und Polymer beschichtet ist. Auf der Polymeroberfläche (zellabweisend) sind spezifische Antikörper kovalent gebunden (anti-epithelial cell adhesion molecule; anti-EpCAM) und ermöglichen es, Antigen-exprimierende Zellen1 spezifisch zu binden. Nach Einführen in die Armvene eines Patienten werden die seltenen Zellen an der funktionalisierten Oberfläche angereichert. Die Limitierung dieses Verfahrens liegt in mindestens drei Bereichen: 1. kommen bedingt durch die Geometrie (Durchmesser der Vene ca. 3 mm, Produktdurchmesser 0,5 mm) nicht alle passierenden seltenen Zellen in Kontakt mit Produktoberfläche und 2. exprimieren nicht alle Zielzellen das durch die kovalent gebundenen Antikörper anvisierte Antigen. 3. können vereinzelt Blutzellen mittels Fc-vermittelter Bindung (schwere Kette des kovalent gebundenen Antikörpers) unspezifisch an das Produkt binden. Da die seltenen Zellen in möglichst reiner Form isoliert werden müssen, um optimal für nachfolgende molekularbiologische Analysen zur Verfügung zu stehen, muss diese unspezifischen Bindung verhindert werden. Mit dem nachfolgenden Projektplan sollen alle drei Problembereiche adressiert werden.

Im Projekt soll ein Funktionsmuster eines Zellisolators auf Basis einer Formgedächtnislegierung zur Gewinnung von seltenen zirkulierenden Tumorzellen (CTCs) aus peripherem Blut entwickelt werden. Für nachfolgende molekularbiologische Analysen sollten möglichst viele Tumorzellen in Kontakt mit der Oberfläche des Zellisolators kommen, spezifisch gebunden und in reiner Form isoliert werden.

Aufgrund seiner Anwendung in venösen Gefäßen soll das System eine hohe mechanische Elastizität aufweisen. Um einen größeren Anteil des vorbeiströmenden Blutes zu erfassen und die Anlagerung der zirkulierenden Tumorzellen zu unterstützen, muss die funktionale Oberfläche des Zellisolators vergrößert werden. Das soll einerseits durch eine neue Konstruktion und andererseits durch die Oberflächenstrukturierung geschehen. Das Design könnte z.B. aus Mehrfachverstrebungen bestehen, welche sich im Gefäß leicht entfalten lassen. Aus diesem Grund soll eine strömungstechnische Optimierung stattfinden. Zusätzlich wird die Oberfläche der einzelnen Strebenelemente durch eine gezielte Laserstrukturierung zu maximieren anvisiert. Darüber hinaus besteht der Anspruch, dass der Zellisolator nach Entnehmen leicht in seine Einzelelemente zerlegt werden kann. Dies ist für die nachgeschaltete Diagnostik von Vorteil.

Neben dem bisher verwendeten Material (Edelstahl) werden alternative Materialien (z.B. Nitinol in Kombination mit Polymeren und Edelstahl) auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Es muss die Eignung zur Beschichtung mit Polymeren geprüft werden, hier wird Fokus auf eine homogene Beschichtung gelegt, welche flexibel und dehnbar ist und gleichzeitig auch die Anforderungen an Reißfestigkeit nicht außer Acht läßt. Weiterhin wird die Oberfläche mit spezifischen Antigen-Fängern ausgestattet.

Es ist wichtig, dass die Oberfläche eine definiert vergrößerte Topografie aufweist und gesteuert beschichtbar ist. Nur so ist zu gewährleisten, dass sich die spezifischen Tumorzellen an der Oberfläche anheften und keine Blutzellen eingesammelt werden, denn dies würde zu einer kleineren verfügbaren Oberfläche für die Tumorzellen führen. Eine minimale Topografie, welche ein Anlagern der Tumorzellen ermöglicht, jedoch den Blutstrom nicht beeinflusst, wäre optimal. Da außerdem eine optische Vermessung des Zellisolators erfolgen soll, muss die Struktur von allen Seiten zugänglich bzw. in Einzelteile zerlegbar sein.

Materialien, wie beispielsweise offenporige Polymerschäume erfüllen im Gegensatz zu den Formgedächtnismaterialien (Nitinol) nicht alle oben genannten Eigenschaften. Sie besitzen eine große Oberfläche, die von Flüssigkeiten durchdrungen werden kann und die flexibel einsetzbar ist. Sie können aber nicht definiert beschichtet werden und würden aufgrund ihrer Topografie zusätzlich Blutzellen einfangen. Außerdem beeinflusst die Struktur die Strömungseigenschaften des Blutes stark. Bei der Entnahme des Zellisolators aus der Vene wird beim Komprimieren ein Abstreifen der Zellen befürchtet, sowie dass die Steifigkeit des Polymerschaumes nicht ausreichend für die Injektion und Entnahme ist.

Die bisher eingesetzten Antikörper sollen durch neue Fängermoleküle ersetzt werden, um unspezifische Bindungen zu minimieren und die Isolierung von CTCs verschiedenster Krebsentitäten zu gewährleisten. Die Fängermoleküle werden auf der gewählten Oberfläche in einem nass-chemischen Verfahren kovalent gebunden und können ein Antigen, oder wenn in Kombinationen eingesetzt, mehrere unterschiedliche Antigene erkennen und damit Zellen, die diese Antigene auf ihrer Oberfläche präsentieren, spezifisch binden.

Um eine optimale Anwender- und Patientenzufriedenheit zu gewährleisten, soll das Thema Produktdesign und Applikationsoptimierung adressiert werden. Die Gebrauchstauglichkeit (nach DIN EN 62366) wird während der gesamten Entwicklung fokussiert.

FuE-Projekte 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.

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.

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.

SmarDis

Smart Displays for Smart Living

Smart Living verspricht eine Zukunft mit mehr Wohnkomfort, Sicherheit und Energieeffizienz aber auch mit neuen Nutzungen und Interaktionen. Smarte Sensoren und Aktoren werden den Wohn- und Lebensraum erfassen und entsprechend der Bedarfe der Bewohner steuern, so dass ein wirkliches Smart Home kein klassisches Interface zum Nutzer mehr benötigt – es erkennt dessen Absichten. Es muss sich dennoch jederzeit einfach bedienen lassen, sicher, datensparsam und nutzerfreundlich sein. Intelligente Sprachassistenten wie Amazons »Alexa« zeigen, was das für Smart Living bedeutet: Anstatt über das Smartphone oder Tablett Geräte im Haus zu steuern, kann jetzt mit diesen einfach »gesprochen« werden.

Was passiert gerade in meinem Haus, meinem Leben und meiner Umgebung? Ein Feedback von dem System an den Nutzer zur Überprüfung und Sichtung ist essentiell. Allerdings werden auch hier neue Ansprüche an das Interface gestellt. Heutige Visualisierungen sind oft komplex und stellen für den Nutzer im Alltag schnell eine Überforderung dar. Deshalb sollten die Umgebung und die Dinge mit dem Nutzer genauso natürlich kommunizieren, wie es jetzt möglich ist zu »Alexa« zu sprechen. Das Smartphone oder Tablett mit seiner grafischen Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI) ist dafür nur begrenzt geeignet und dient in Zukunft der gezielten und detaillierten Datenauswertung, -konfiguration und -analyse. Für das alltägliche Feedback rücken Smart Material Interfaces (SMIs) in den Vordergrund, die es ermöglichen Daten auf einen Blick erfassbar und »begreifbar« zu zeigen: Durch Formveränderung und Bewegung können SMIs unterschiedliche Zustände anzeigen und gleichzeitig Zusammenhänge sichtbar werden lassen.

Mit dem Projekt »Smart Displays for Smart Living« soll ein solch neuartiges »SMI-Display« entwickelt werden, das auf Dielektrischen Elastomeraktoren (DEA) basiert. Das in dem Projekt entwickelte Display soll sich in den Wohnkontext natürlich einfügen und als ästhetisches, reaktives Objekt wahrgenommen werden. Die Anwendung ist modular und individualisierbar, der Nutzer wird selbst bestimmen können, mit welchen Daten er das Display belegt: Hausdaten wie Temperatur, Luftqualität oder die Information über geöffnete Türen und Fenster, personenbezogene (Gesundheits-) Daten, die z.B. über Fitnesstracker gesammelt werden oder externe Daten, wie aus sozialen Netzwerken, können als Gesamtkomposition dargestellt werden.

Für das Display werden Dielektrischen Elastomere sowohl als Oberfläche als auch als Aktor eingesetzt. Auf der Basis von Faltprinzipien des Origami und Kirigami entsteht eine Art Kartographie, die generativ verändert werden kann, sowohl in ihrem Relief als auch in ihren Oberflächencharakteristika. Die besondere organische Bewegungsqualität der DEA wird dabei genutzt, um Daten lebendig darzustellen und zu animieren. Prinzipien der Ausdehnung und Verdichtung, der Skalierung und Formveränderung, Schatten und Licht können in ihren verschiedenen Zuständen mit Daten in Korrelation gebracht werden. Bestimmte Zonen im Display können unterschiedlich belegt werden: Während sich z.B. oben rechts das Wetter abbildet, kann sich im unteren Bereich die Anzeige für den Energieverbrauch des Hauses befinden. Gegenseitige Abhängigkeiten von eigener Fitness mit der Luftqualität lassen sich intuitiv erfassen.

Das smarte Material der dielektrischen Elastomere soll als elektronisch aktivierte Minimum Energy Structure (MES) eingesetzt werden. Als integraler Bestandteil der Origami- oder Kirigamistrukturen erlauben sie vielfältige Möglichkeiten der dynamischen Datenvisualisierung für eine schnelle und natürlich analoge Erfassung durch den Benutzer. Damit die leichtbauende smarte Display-Struktur nicht durch zusätzliche Sensoren in ihrer Dynamik und Ästhetik beeinträchtigt wird, sollen Self-Sensing-Prinzipien zur gezielten Bewegungsteuerung herangezogen werden. Der modulare Ansatz des Vorhabens erlaubt dem Nutzer, sein Display individuell zu konfigurieren, eine Form- und Bewegungsbibliothek ermöglicht es, Module für unterschiedliche Datentypen anzubieten. Im Ergebnis wird ein Demonstratordisplay mit exemplarischen Datensätzen diese Visualisierung anschaulich erlebbar machen und das Potenzial für weiterführende Umsetzungen aufzeigen.

TAVIMBA

Thermische aktivierte Verbindungen im Modularen Bauen

Im Bauwesen sollen einfache Verbindungen zur Verfügung gestellt werden, die im Bauteil integriert sind und ohne eine mechanische Zugänglichkeit geschlossen und ggf. geöffnet werden können. Dafür soll ein Verbindungsmechanismus unter Verwendung von thermischen Formgedächtnislegie-rungen konzipiert, validiert und realisiert werden, der mittels thermischer bzw. elektrischer Stimu-lation aktivierbar ist. Damit wird nicht nur der Forderung nach einer hohen optischen Qualität der Bauteile ohne nachträglich geschlossene Öffnungen entsprochen, sondern auch ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil, durch den Wegfall von Nacharbeiten, erzielt. Dadurch ergibt sich für den Fertigteilbau bzw. Montagebau nicht nur eine Kosteneinsparung, sondern es werden auch neue Einsatzgebiete erschlossen bzw. es werden Barrieren für den Einsatz abgebaut. Da diese Verbin-dungen nicht zugänglich sein müssen, ergeben sich neue Verbindungsmöglichkeiten und Montage-arbeiter müssen nicht an schwer zugängliche gefährliche Stellen eingesetzt werden, die Arbeitssi-cherheit kann durch minimieren des Risikos erhöht und die Montage vereinfacht werden.

FuE-Projekte 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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Smartes Interieur für das Fahrerlebnis der Zukunft

Interdisziplinäre Zusammenarbeit weit über die Grenzen der eigenen Profession hinaus wird in smart³ nicht als bloße Zugabe gesehen, sondern ist essenzieller Bestandteil der Arbeit in den Forschungs- und Entwicklungsprojekten des Innovationsnetzwerkes. Genau dieser smart³-Ansatz, Design, Technologie und Akzeptanzforschung miteinander zu vereinen, machte die F&E-Abteilung eines der großen deutschen Fahrzeughersteller auf smart³ aufmerksam; Im Raum stand die Frage nach neuen Konzepten für Armaturenbretter und Cockpits, individuelle Raumkonzepte in Fahrzeugen, adaptive Oberflächen oder auch für das individuelle Fahrerlebnis z.B. bei selbstfahrenden Autos, auf die in interdisziplinären Teams Antworten generiert werden sollten.

Aufgrund der Möglichkeit, Funktionen direkt in die Struktur von Bauteilen integrieren zu können, erscheinen smart materials hier als geeignetes Element, diese Konzepte technologisch weiterzudenken und umzusetzen. Gleichzeitig ergab sich jedoch nicht nur die Frage nach der technischen Lösbarkeit. Mindestens ebenso wichtig war die Anpassung der Bedienkonzepte an die Verhaltensweisen und Erfahrungen von Fahrer, Beifahrer und Passagieren und deren Erwartungen an das Fahrzeuginterieur der Zukunft.

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes zwischen dem Fahrzeughersteller und smart³-Partnern aus den Disziplinen Technologie, Design und Akzeptanzforschung wurden verschiedene Szenarien und Konzepte der Themenbereiche Interieur-Oberflächen, Fahrzeughimmel, Armaturenbrett und Kindersitze erörtert, Lösungsvorschläge erarbeitet und Demonstratoren gebaut. Das Projektteam nutzte dabei das Know-how des Automobilisten auf der einen, das Werkstoffwissen und die interdisziplinäre Problemlösungskompetenz auf der anderen Seite, um innovative, nutzerfreundliche und zukunftsweisende Interieurkonzepte umsetzen zu können.

Das inzwischen abgeschlossene Kooperationsprojekt erwies sich dabei als eine derart erfolgreiche Zusammenarbeit, sodass derzeit Gespräche zu einer Fortsetzung der Kooperation und zur Umsetzung weiterer gemeinsamer Vorhaben laufen.