Die Abteilung Intelligente Materialien und Systeme des Fraunhofer IKTS forscht an Funktionskeramiken und ihrer Integration in Bauelementen, Mikrosystemen und aktiven Strukturen.

Bei unserem Besuch in Dresden herrschen hochsommerliche Temperaturen und wir sind froh, das klimatisierte Forschungszentrum in Dresden Gruna zu betreten.
In den meisten Kühlsystemen werden heutzutage Kältemaschinen mit Kompressoren verwendet, die in ihrer Leistungszahl begrenzt und deren Kältemittel jedoch häufig schädlich für Klima, Gesundheit und Umwelt sind. Im Fraunhofer Leitprojekt »ElKaWe« beschäftigt sich das IKTS gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten mit der Entwicklung deutlich effizienterer und nachhaltigerer elektrokalorischer Wärmepumpen auf der Basis von Festkörperkühlung. Der elektrokalorische Effekt nutzt die Eigenschaft bestimmter ferroelektrischer Keramiken, auf Änderungen des elektrischen Feldes im Material mit einer Temperaturänderung zu reagieren. Schaltet man die elektrische Spannung zu, erwärmt sich das Material, schaltet man sie danach ab, kühlt es wieder ab – der Effekt ist nahezu umkehrbar. So kann mithilfe von keramischen Multilayerelementen ein Kreislauf aufgebaut werden, der als effizientes Heiz- oder Kühlsystem funktioniert.

Abwasser ohne Arzneimittelspuren

 Auch in der Abwasseraufbereitung stellt das IKTS die Weichen für eine nachhaltige Zukunft. Konventionelle Verfahren zur Wasseraufbereitung können pharmazeutische Spurenstoffe im Abwasser nur unzureichend beseitigen. Hormone, Antibiotika und Virostatika gelangen somit in Grund- und Oberflächenwasser und können Fruchtbarkeitsstörungen sowie Antibiotikaresistenzen zur Folge haben. „Durch eine Kombination von elektrochemischer Reinigung und einem Aufbereitungsmodul mit integrierten Ultraschallwandlern können Medikamentenrückstände im Wasser effizient abgebaut werden“, erklärt Abteilungsleiter Dr.-Ing. Holger Neubert. Die Wandler werden zu diesem Zweck direkt auf ein elektrochemisch funktionalisiertes Substrat gedruckt. Durch die Ultraschallfrequenzen wird das Abwasser in Schwingung versetzt, der Stofftransport am Substrat somit angeregt und Schadstoffe können gezielt abgebaut werden.

Sensorik aus dem Drucker

In einem der zahlreichen Labore des Instituts präsentiert Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt die auf den ersten Blick unscheinbare Druckmaschine aus dem smart3-Investitionsprojekt »SmartPrint«. Sie kann nicht nur auf planare, sondern auch auf zylindrische keramische Substrate drucken, beispielsweise um hochdynamische piezoelektrische Kraftsensoren herzustellen.
Das IKTS hat sich darauf spezialisiert, mithilfe verschiedener düsenbasierter Druckverfahren funktionelle Strukturen in Form von speziell entwickelten Pasten und Tinten auf Substrate aufzubringen. „Der Vorteil des Aerosoldrucks liegt darin, auch dreidimensionale Strukturen bedrucken zu können“, erklärt Gebhardt. Zur Funktionalisierung additiv gefertigter Bauteile ist auch der Inkjetdruck ein häufig genutztes Verfahren: Hier werden vor allem großflächige planare Substrate bedruckt.

Es geht noch smarter

Oft haben Projekte, die im Rahmen von smart3 realisiert wurden, das Potenzial, noch smarter zu werden.
Mit »SmartFrame+« ist es in der Vergangenheit beispielsweise bereits gelungen, eine Sommervariante des Langlaufskis mit Sensorik zur Kraftmessung zu entwickeln. Mit »SmartSensSki« gehen wir zukünftig einen Schritt weiter. Über eine Schnittstelle zum Smartphone können dann noch mehr Funktionen und Komfort ermöglicht werden.
Auch »SensoTool«, mit dem eine werkzeugintegrierte Prozessüberwachung für komplexe Fertigungsverfahren realisiert wurde, hat aktuell ein Nachfolgeprojekt im IKTS. Bei »PieMontE« wird weiterführend zu dem ursprünglichen Stirnfräser jetzt an einem Schaftfräser als Fräskopf gearbeitet.

 

Auf dem Prüfstand

Im Labor von Fabian Ehle werden magnetische Formgedächtnislegierungen, auch bezeichnet als Magnetic Shape Memory Alloys, im wahrsten Sinne des Wortes auf den Prüfstand gestellt. Hierbei handelt es sich um ferromagnetische Materialien, die Kraft und Bewegung unter Einfluss eines Magnetfelds erzeugen. In einem einzigartigen Versuchsaufbau können die Proben gleichzeitig unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern (z. B. magnetische Feldstärke, Länge, Kraft) magnetomechanisch charakterisiert werden. Unter realen Bedingungen kann den Proben gründlich „auf den Zahn gefühlt“ werden, indem außergewöhnlich viele Faktoren in ihrem Zusammenspiel simuliert werden. Somit können wichtige Informationen und Charakteristika der Formgedächtnislegierungen schnell gewonnen werden. „Die Herausforderung besteht darin, diesen Werkstoff mit seinen speziellen Eigenschaften mit für ihn passenden Anwendungen in der Industrie zusammenzubringen“, erklärt Ehle.

Als wir nach unserem Hausbesuch wieder hinaus in die Nachmittagshitze treten, wird klar, dass an einem Tag längst nicht alle Bereiche der Abteilung im Detail beleuchtet werden können und das Leistungsspektrum der Funktionskeramiken riesig ist. Doch auch wenn wir nur einen Teil der Anwendungsbereiche kennengelernt haben, bleibt der Eindruck, dass hier jeder Mitarbeiter dafür brennt, die Potenziale der intelligenten Materialien in ihrer vollen Bandbreite auszuschöpfen, um auch in Zukunft mit Werkstoffkompetenz und Innovation die Forschung Schritt für Schritt in Richtung Anwendung voranzubringen.