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JAHRESBERICHT
2013 /2014
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F R C H E M I S C H E T E C H N O L O G I E I C T
TITELBILD
Carbonfaser-Rovings zur Fertigung von
Faserverbundkunststoffen (Detailaufnahme).
JAHRESBERICHT
2013 / 2014
INHALTWir sind eine Familie! .....................................................................................................6
Die Fraunhofer-Gesellschaft .............................................................................................8
Das Fraunhofer ICT ..........................................................................................................9
PRODUKTBEREICHE UND PROJEKTGRUPPEN
Energetische Materialien ................................................................................................12
Energetische Systeme ....................................................................................................16
Angewandte Elektrochemie ...........................................................................................20
Umwelt Engineering ......................................................................................................24
Polymer Engineering ......................................................................................................28
Institutsteil Fraunhofer ICT-IMM .....................................................................................32
Fraunhofer-Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS .....................................................34
Fraunhofer-Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL ..........................................36
AUSGEWHLTE PROJEKTE
Nutzungsdauer von Explosivstoffen ................................................................................40
Schnell aufblasbares und mobiles Schutzsystem gegen ballistische Bedrohungen ..............42
Brennstoffzelle als Range Extender fr ein Elektrofahrzeug ..............................................44
Analytische Methoden zur Bewertung von Produktemissionen und Gerchen ..................46
Lebensmittelverpackungen aus PLA ................................................................................48
ANHANG
Ausbildung und Nachwuchsfrderung ............................................................................52
Wirtschaftliche Entwicklung ...........................................................................................54
Organigramm & Kontakt ................................................................................................56
Kuratorium ....................................................................................................................58
Verbnde, Allianzen und Innovationscluster ....................................................................59
Besondere Laborausstattung und Grogerte .................................................................61
Lehr- und Gremienttigkeiten .........................................................................................64
Veranstaltungen, Messen und Fachausstellungen ............................................................72
Verffentlichungen ........................................................................................................74
Patente .........................................................................................................................81
Impressum.....................................................................................................................83
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WIR SIND EINE FAMILIE!
Die ICT-Familie wird immer grer! Auch dieses Jahr ist ein neues Mitglied hinzugekommen:
Das Institut fr Mikrotechnik Mainz GmbH wird in die Fraunhofer-Gesellschaft integriert.
Innerhalb von 5 Jahren, also bis 2018, soll es sich zu einem eigenstndigen Fraunhofer-Institut
entwickeln. Das Forschungsportfolio des neuen Teil-Institutes Fraunhofer ICT-IMM ist beein-
druckend und passt auch aufgrund der groen Anzahl seiner Kunden, die in verschiedenen
Branchen zu Hause sind, sehr gut in die Fraunhofer-Gesellschaft. Am Fraunhofer ICT-IMM
forschen und entwickeln derzeit ca. 180 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in den Gebieten
dezentrale und mobile Energietechnik, kontinuierliche chemische Verfahrenstechnik, mikroflui-
dische Analysesysteme, medizinische Sonden und technische Sensorik. Der Kompetenzbereich
Mikrostrukturtechnik fr Nanopartikel wird unter dem Namen Micro4Nano neu in Mainz
aufgebaut. Das ehemalige IMM ist bereits seit 1990 etabliert und hat einen sehr guten und
aufgrund der Forschungsbreite auch krisensicheren Kundenstamm. Somit haben wir dieses
Mal kein neues Kind bekommen wie in den vergangenen Jahren, sondern sind der aktive
Begleiter des etablierten Institutes whrend seiner bergangszeit zum Fraunhofer-Institut. Die
Forschungsthemen sind weitestgehend komplementr zu unseren am Fraunhofer ICT, es wer-
den dadurch viele neue Kooperationsmglichkeiten entstehen. Prof. Michael Maskos und seine
Mannschaft sind eine willkommene Ergnzung und wir freuen uns, die neuen Kolleginnen
und Kollegen in unsere Familie aufzunehmen!
Auch bei unserer Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL in Augsburg luft es rund:
Das DLR und das Fraunhofer ICT haben am 14. Mai 2013 gemeinsam die Bro- und Techni-
kumsgebude im Augsburger Innovationspark erffnet. Dort forschen wir auf dem Gebiet
Leichtbau als eine der wichtigsten Zukunftstechnologien fr Flugzeug-, Fahrzeug- und Maschi-
nenbau. DLR- und Fraunhofer-Wissenschaftler arbeiten in einigen Projekten auch gemeinsam
an automatisierten Fertigungsverfahren fr kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe CFK, um die-
se fr Groserienanwendungen technisch und wirtschaftlich tauglich zu machen. Wir verfgen
in Augsburg ber die modernsten Anlagen im Bereich der automatisierten Fertigung von CFK
und sind mit zahlreichen dort ansssigen Industriepartnern gut vernetzt. Enge Verbindungen
bestehen auch zum Lehrstuhl fr Carbon Composites an der TU Mnchen und zum Institut fr
Flugzeugbau der Universitt Stuttgart. Die Projektgruppe FIL ist auerdem ein wichtiger Partner
im Spitzencluster MAI Carbon. Alle diese sehr positiven Umstnde haben dazu gefhrt, dass die
Evaluation der Frderphase I der Projektgruppe im Jahr 2013 erfolgreich war. Die unabhngige
7
Kommission hat der Fraunhofer-Gesellschaft empfohlen, die Projektgruppe FIL zum 1. Januar
2015 in die gemeinsame Frderung durch Bund und Lnder zu berfhren und sie zu einem
eigenstndigen Institut weiter zu entwickeln.
Bei der Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS in Karlsruhe war die Evaluation im Frhjahr
2014 ebenfalls erfolgreich. Auch hier gelingt der Aufbau der Themen und des Mitarbeiter-
stamms nach den geplanten Vorgaben. Somit sind wir hier ebenfalls sehr zuversichtlich, die
Hrde der Frderphase 1 zu nehmen. Bei der Projektgruppe NAS beschftigen wir uns mit
hybriden Antrieben, Leichtbau im Antriebsstrang, Restwrmenutzung, Thermomanagement,
Energiewandlern, Verbrennungsmotoren, Testmethodiken fr den Antriebsstrang und Block-
heizkraftwerken.
In Kanada sind wir genauso erfolgreich angekommen. Unser Fraunhofer Project Center for
Composites Research FPC im kanadischen London hat den Auenwirtschaftspreis Global2013
der IHK Karlsruhe gewonnen. Besonders anerkannt wurde unsere modellhafte Kooperation im
Bereich innovative Faserverbund-Fertigungstechnologie Made in Germany mit der kanadi-
schen University of Western Ontario als herausragende Leistung in der Auenwirtschaft.
Bei der ICT-Mutter liegt aber natrlich nach wie vor unser Forschungs- und Entwicklungs-
schwerpunkt. Was die ber 550 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Pfinztal und die bereits
erwhnten in Mainz, Augsburg, Karlsruhe, Ontario sowie die noch nicht erwhnten in Gar-
ching, Leuna und Wolfsburg im vergangenen Jahr geleistet haben, knnen Sie auszugsweise
dem vorliegenden Jahresbericht entnehmen. Einen tieferen Einblick erhalten Sie natrlich gerne
vor Ort. Ich lade Sie herzlich ein, kommen Sie vorbei!
Viel Spa beim Lesen und beim Planen Ihres Besuchs am Fraunhofer ICT!
Ihr
Peter Elsner
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Forschen fr die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer-
Gesellschaft. Die 1949 gegrndete Forschungsorganisation
betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der
Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner
und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter-
nehmen sowie die ffentliche Hand.
Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit
67 Institute und Forschungseinrichtungen. Rund 23 000 Mit-
arbeiterinnen und Mitarbeiter, berwiegend mit natur- oder
ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das
jhrliche Forschungsvolumen von 2 Milliarden Euro. Davon
fallen rund 1,7 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich
Vertragsforschung. ber 70 Prozent dieses Leistungsbereichs
erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Auftrgen aus
der Industrie und mit ffentlich finanzierten Forschungspro-
jekten. Knapp 30 Prozent werden von Bund und Lndern als
Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problem-
lsungen entwickeln knnen, die erst in fnf oder zehn Jahren
fr Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden.
Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungs-
partnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen fr
einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwrtigen und
zuknftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsrumen.
Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung
und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlssel-
technologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale
Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die
Wirkung der angewandten Forschung geht ber den direkten
Nutzen fr die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und
Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbe-
werbsfhigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie
frdern Innovationen, strken die technologische Leistungs-
fhigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und
sorgen fr Aus- und Weiterbildung des dringend bentigten
wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.
Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-
Gesellschaft die Mglichkeit zur fachlichen und persnlichen
Entwicklung fr anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten,
an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden
erffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und Er-
fahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende Einstiegs- und
Entwicklungschancen in Unternehmen.
Namensgeber der als gemeinntzig anerkannten Fraunhofer-
Gesellschaft ist der Mnchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer
(17871826). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer
gleichermaen erfolgreich.
DIE FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT
9
Das Fraunhofer-Institut fr Che mi sche Technologie ICT forscht
und entwickelt in den Bereichen Ener getische Materialien,
Energetische Systeme, Angewandte Elektro chemie, Umwelt
Engineering und Polymer Engineering. Unsere Expertise reicht
von der Konzeption und Auslegung von Prozessen, ber
Materialentwicklung, -charakterisierung und -verarbeitung,
bis hin zu Konzeption, Aufbau und Betrieb von Pilotanlagen.
Vertragsforschung
In der Vertragsforschung bearbeitet das Institut vorwiegend
kunststoff be zogene Aufgaben wie Werkstoffentwicklung
und -auswahl, Produktentwicklung und Bauteilauslegung
sowie die Ver arbeitungstechnik, insbesondere im Hinblick
auf die Weiterentwicklung von Direktverfahren. Kreislauf-
wirtschaft und Nachhaltigkeit bestimmen die Unterneh mens-
strate gien der kommenden Generation. Das Fraunhofer ICT
gehrt dabei, ins besondere in der Umwelttechnik, zu den
profiliertesten Forschungseinrichtungen. Die Entwicklung der
Umweltsimulation wurde mageblich vom Fraun hofer ICT
mitgestaltet. Hier werden die Wirkungen von Umweltein-
flssen auf Werkstoffe und technische Erzeug nisse un tersucht.
Das Institut ist seit mehr als 40 Jahren Sitz der renommierten
Gesellschaft fr Umweltsimulation GUS.
Verteidigungsforschung
Das Fraunhofer ICT ist das einzige Explosivstoff-Forschungsin-
stitut in Deutschland, das den gesamten Ent wicklungsbereich
vom Labor ber das Technikum bis zum System bearbeitet.
Es verfgt ber langjhrige Kernkompetenz bei chemischen
Energietrgern wie beispielsweise Raketenfesttreibstoffen,
Rohrwaffentreibmitteln oder Sprengstoffen und ist seit ber
50 Jah ren Forschungspartner des Bun desverteidigungs-
ministeriums. Be deutsame zi vile Anwendungen der energeti-
schen Produkte sind die Gasgenerator- und Airbag-Technologie
sowie Feststoffraketenantriebe fr die Raumfahrt.
Synergie
Die aktuelle wirtschaftliche Situation verdeutlicht, dass die
thematische Breite unserer Themen sowie der einzigartige
Dualismus in verteidigungsbezogener und ziviler Forschung
uns die Mglichkeit bietet, unabhngig vom wirtschaftlichen
Umfeld erfolgreich zu sein. Das Fraunhofer ICT beschftigt am
Standort Pfinztal rund 550 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.
Insgesamt stehen 25.000 m2 gut ausgestattete Labors, Techni-
ka und Bros fr die Bearbeitung der Forschungsauftrge zur
Verfgung.
DAS FRAUNHOFER-INSTITUT FR CHEMISCHE TECHNOLOGIE ICT
PRODUKTBEREICHE UND PROJEKTGRUPPEN
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E N E R G E T I S C H E M A T E R I A L I E N
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
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ENERGETISCHE MATERIALIEN
Dissolver/Perlmhlen-Kombination
zur Nasszerkleinerung energetischer
Materialien.
Chemische und verfahrenstechnische Prozessentwicklung ist d ie Kernkompetenz der Mitarbeiter innen und
Mitarbeiter des Produktbereichs Energet ische Mater ia l ien. Wir b ieten Forschung und Entwicklung fr die
chemisch or ient ierte Industr ie. Unsere langjhr ige Erfahrung bei der Entwicklung von Treib- und Explos iv-
stoffen sowie pyrotechnischen Komponenten bi ldet die Grundlage fr die s ichere Synthese und Verarbei-
tung energiere icher Substanzen von der Herste l lung der Rohprodukte bis zur Produkt ion von Kle inser ien
und Demonstratoren. Im Rahmen der S icherheitsforschung erarbeiten wir Testrout inen fr die Explos iv-
stoffdetekt ion und entwickeln Brandschutz fr gefhrdete Komponenten.
Unser Interesse an chemischen und verfahrenstechnischen
Fragestellungen von der Synthese ber die Reaktionsfhrung
bis zur Prozessentwicklung, Simulation und Erprobung bildet
die Basis unseres Forschungs- und Entwicklungsangebots
an Kunden aus den Geschftsfeldern Chemie, Energie und
Umwelt sowie Verteidigung, Sicherheit, Luft- und Raumfahrt.
In den Bereichen Chemie und Verfahrenstechnik untersttzen
unsere engagierten Projektteams mit modernster Ausstattung
und einer leistungsstarken Forschungsinfrastruktur sowohl
kleine und mittelstndische Unternehmen als auch die Gro-
industrie. In der chemischen Verfahrenstechnik werden die
Synthese, Aufarbeitung und Veredelung von energetischen
Materialien und Feinchemikalien in Labor- und Technikums-
prozessen realisiert. Hierzu zhlen kontinuierliche Mikrover-
fahrenstechniken, Nitriertechnologien, berkritische Fluidver-
fahren und Zerkleinerungs- und Beschichtungstechniken. Der
Forschungsbereich ist insbesondere auf eine sichere Auslegung
und Optimierung gefahrgeneigter Prozesse spezialisiert.
Mit der Mikroreaktionstechnik bieten wir der chemischen und
pharmazeutischen Industrie einen vielseitigen Werkzeugkasten
zur Prozessanalyse, -auslegung und -optimierung an. Basierend
auf reaktionskalorimetrischen Daten, die in Verbindung mit
mageschneiderter spektroskopischer Prozessanalytik ermittelt
werden, knnen wir chemische Prozesse unter dem Mikros-
kop analysieren, beurteilen und deren Optimierungspotenzial
identifizieren. Diese Prozesse werden von uns vom Labor-
mastab bis zur Technikumsreife weiterentwickelt, betrieben
und auf Kundenwunsch in Konzepten fr Gesamtanlagen
umgesetzt.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die zivile Sicherheitsforschung.
Im Bereich der Explosivstoffdetektion nutzen wir unsere
umfassende Explosivstoffkompetenz, um bestehende oder
neu entwickelte Detektionssysteme, zum Beispiel Flughafen-
scanner, auf die Fhigkeit zur Erkennung und Identifizierung
von sogenannten Explosivstoff-Eigenlaboraten zu testen und
als offizielles deutsches Testzentrum fr die Detektion von
Flssigexplosivstoffen zu validieren. Vernetzt in nationalen
und europischen Expertengremien, wie in dem von der EU
gefrderten Network on the Detection of Explosives NDE,
internationalen Verbundprojekten und nationalen Clustern
(zum Beispiel das Innovationscluster Future Urban Security)
arbeiten wir an der Weiterentwicklung von Techniken zur
Explosivstoffdetektion.
1 4
In der Verteidigungsforschung arbeiten wir in erster Linie
fr das Bundesministerium der Verteidigung und die ver-
teidigungstechnische Industrie. Hier werden Arbeiten im
Rahmen der European Defence Agency (EDA) bzw. der NATO
international abgestimmt. Darber hinaus steht der Produkt-
bereich Energetische Materialien als Ansprechpartner fr die
Sicherheitsforschung anderer Ministerien und Behrden sowie
der Industrie zur Verfgung und bringt seine besonderen
Kompetenzen in entsprechende nationale und internationale
Gremien beratend ein.
Smart Materials ist ein bergreifender Forschungsbereich,
bei dem die Funktionalitten von Komponenten und Produkten
sowie deren gezielte Modifizierung fr unterschiedlichste
Anwendungen im Vordergrund stehen. Aus unseren Laboren
stammen beispielsweise neuartige Brandschutzbeschichtun-
gen, deren schtzende, aufquellende (intumeszierende) und/
oder keramisierende Strukturen erst im Brandfall entstehen.
Die Eigenschaftsprofile der Beschichtungen werden fr den
Einsatz im Bauwesen, im Transportbereich oder zum Schutz von
Gefahrstoffen entsprechend angepasst. Kundenanforderungen
zum Beispiel im Hinblick auf Baustoffklassen oder dekorative
Aspekte (u. a. Transparenz) knnen bei der Entwicklung berck-
sichtigt werden. Molekular geprgte Polymere (MIPs) werden
als sensitive und selektive Low-Cost-Sensorbeschichtungen
entwickelt.
Hierzu werden hochgradig vernetzte Polymere in Gegenwart
von Mustermoleklen synthetisiert. Nach Entfernen der Muster-
molekle werden die verbliebenen Abdrcke selektiv belegt
und dienen damit zum Nachweis der Zielmolekle. Metall-
organische Gerststrukturen (MOF), eine neue Klasse mikro-
porser Materialien, die sich durch groe spezifische Poren-
volumina und hohe spezifische Oberflchen auszeichnen,
werden fr Anwendungen in den Bereichen Gasspeicherung,
Sensorik und Katalyse entwickelt. Weitere Smart Materials
kommen aus dem Bereich der Partikeltechnologie wie zum
Beispiel Kern-Schale-Partikel und Co-Kristalle sowie aus den
Bereichen der energetischen Polymere und energetischen
ionischen Liquide, die beispielsweise in Treibstoffentwicklungen
erprobt werden.
Kontakt: Dr. Horst Krause Telefon +49 721 4640-143 [email protected]
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AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN
CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIKJJ Prozessfhrung mit MikroreaktionstechnikJJ Prozessauslegung und ProzessdiagnostikJJ kontinuierliche KatalyseprozesseJJ HochdruckanwendungenJJ isostatisches PressenJJ berkritische Fluidverfahren
JJ PartikeltechnologieJJ Energy Harvesting
SICHERHEITSFORSCHUNGJJ Testcenter Explosivstoffdetektionssysteme im
Auftrag der BundespolizeiJJ ExplosivstoffdetektionJJ Ferndetektion mit spektroskopischen Methoden JJ European Network Detection of Explosives NDE im
Auftrag der DG HOMEJJ Home Made ExplosivesJJ Herstellung, Leistungs- und Sicherheitsbeurteilung
JJ BrandschutzJJ Hochtemperaturisolierungen auf der Basis von
keramisierenden ElastomerenJJ schnelle pyrotechnische Rettungssysteme
VERTEIDIGUNGSFORSCHUNG EXPLOSIVSTOFFEJJ ExplosivstoffsyntheseJJ pyrotechnische Stze und GasgeneratorenJJ RaketentreibstoffeJJ schnell brennende, raucharme FesttreibstoffeJJ Geltreibstoffe fr RaketenantriebeJJ gewichtsreduzierte Antriebe fr Raumfahrtmissionen
JJ Rohrwaffentreibmittel JJ geschumte TreibladungsformkrperJJ temperaturunabhngige Treibladungspulver
JJ Hochleistungssprengstoffe & insensitive MunitionJJ ExplosivstoffanalytikJJ Alterung, Stabilitt und Vertrglichkeit
SMART MATERIALSJJ geprgte Polymere (MIP)JJ selektive Sensorschichten
JJ metallorganische FrameworksJJ Mikro- und Nanokomposite, Co-KristalleJJ gelbildende StoffeJJ energetische ionische LiquideJJ energetische PolymereJJ Core-Shell-PartikelJJ phasenstabiles AN und ADN-Prills
E N E R G E T I S C H E M A T E R I A L I E N
BILDER
Vorbereitung einer Messung im adiabatischen
Kalorimeter ARC (links) und Test eines Flug-
hafenscanners zur Erkennung von flssigen
Explosivstoffen (rechts).
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
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E N E R G E T I S C H E S Y S T E M E
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
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Hochtemperaturkammer
zur Materialprfung durch
Rntgenbeugung.
Kompetenzen
Das grundlegende Verstndnis und die modellhafte
Beschreibung der physikalischen Eigenschaften energetischer
Systeme bildet die Basis fr das Leistungsspektrum des
Produktbereichs. Die Anwendungsbereiche der untersuchten
energetischen Systeme reichen von explosivstoffbasierten
Systemen bis zu stofflichen und thermischen Energiespeichern.
Experimentelle Untersuchungen an energetischen Materialien
und Systemen fr wehrtechnische und zivile Anwendungen
dienen der Charakterisierung und Bewertung ihrer Leistungs-
und Empfindlichkeitseigenschaften von der Herstellung ber
den Transport und die Lagerung bis hin zur Anwendung. Diese
Fhigkeit zur Charakterisierung und Modellierung der beim
Umsatz von Explosivstoffen stattfindenden Reaktions- bzw.
Verbrennungsvorgnge ermglicht die Entwicklung neuer
oder die Optimierung bestehender Systeme.
Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Produktbereich Energet ische Systeme s ind
die Erzeugung, der Umsatz, d ie Wandlung und die Speicherung von Energie fr z iv i le und wehrtechnische
Anwendungen. Weitere Akt iv i tten fr industr ie l le und ffent l iche Auftraggeber beschft igen s ich mit
n icht- leta len Wirkmitte ln und der Analyse von Sicherheitsr is iken reakt iver und explos ionsfhiger Stoffe.
Die Untersuchung und Entwicklung hochtemperaturbelasteter Mater ia l ien und das Prozess-Monitor ing
ergnzen das Forschungsportfol io. Fr die Bearbeitung von Projekten mit explos iven Substanzen stehen
modernste Laborator ien und Messtechniken zur Verfgung. Die e inz igart ige Infrastruktur er laubt die
Untersuchung reakt iver Vorgnge im Realmastab.
Modernste Messtechniken, teilweise selbst entwickelt, bieten
einen detaillierten und zeitaufgelsten Einblick in chemische
Reaktionen sowie die detonativen oder deflagrativen Umset-
zungen explosiver Materialien. Neben Methoden zur Druck-
und Temperaturmessung werden berhrungslose optische und
spektroskopische Verfahren wie Hochgeschwindigkeitskinema-
tographie, Strmungsvisualisierung, Pyrometrie sowie Emissions-
und Absorptionsspektroskopie eingesetzt. Die Analyse der
ablaufenden Reaktionsvorgnge basiert auf fundierten theo-
retischen Modellen der Reaktionskinetik, Strmungssimulation,
Verbrennungs- und Detonationsphysik. Hierzu werden sowohl
kommerziell erhltliche Programme als auch selbst entwickelte
numerische Berechnungen angewandt.
Zentrale Forschungs- und Entwicklungsthemen
Die Forschungsarbeiten zur Charakterisierung, Entwicklung
und Optimierung energetischer Systeme behandeln neben
den etablierten wehrtechnischen Anwendungen auch zivile
Applikationen pyrotechnischer Systeme fr die automobile
Sicherheitstechnik (Airbag) oder zum Umformen von Blechen.
Die auf dem Gebiet der Energiespeicher und der Restwrme-
nutzung bearbeiteten Themen konzentrieren sich auf die
thermochemische und latente Speicherung von Abwrme.
Die Arbeiten reichen von der grundlegenden Charakterisie-
rung der Speichermaterialien bis zur Auslegung und Bau von
Demonstratoren oder Prototypen.
ENERGETISCHE SYSTEME
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Die Charakterisierung und Analyse von Prozessen mit
reaktiven Stoffen wie zum Beispiel Wasserstoff ermglicht
die umfassende Bewertung des Risikos sowie die Ausarbeitung
sicherer Betriebsstrategien.
Das Prozess-Monitoring ermglicht es die steigenden
Anforderungen an moderne Werkstoffe, Produkte und
deren Herstellungsprozesse schnell und zuverlssig zu
erfassen. Spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel
RAMAN-Spektroskopie befhigen durch die Analyse von
Materialien die zielgenaue Produkt- und Prozessentwicklung
bei der Polymerverarbeitung.
Auf dem Gebiet der Hochtemperaturwerkstoffe werden
Oxidations- und Korrosionsprozesse von berwiegend
metallischen Werkstoffen untersucht und charakterisiert.
Im Vordergrund steht dabei die Strukturstabilitt fr
Anwendungen im Temperaturbereich bis 1.700 C bei
unterschiedlichen Umgebungsbedingungen fr Beschich-
tungen und Werkstoffe.
Die Funktionalisierung von Werkstoffen mittels Nanopartikeln,
die sicherheitstechnische Bewertung sowie auch der Einsatz
von Nanopartikeln in Energietrgern bilden die Grundlage
unserer Forschungsttigkeit in der Nanotechnologie. Ein
spezielles Nano-Technikum ermglicht den sicheren Umgang
mit und Reaktionsuntersuchungen an Nano-Stuben.
Umsetzung
Die Kombination fachlicher Interdisziplinaritt und eine her-
ausragende Forschungsinfrastruktur mit modernsten Laboren
und Gerten bildet die Basis fr eine erfolgreiche Bearbeitung
von Auftrgen. Der Bereich Energetische Systeme ist in den
aufgefhrten Themen der kompetente Partner fr Industrie,
Behrden und Ministerien. Wir verfgen ber umfangreiche
Erfahrungen im Forschungsmanagement groer nationaler
und internationaler Projekte.
Kontakt: Gesa Langer Telefon +49 721 4640-317 [email protected]
Wilhelm Eckl Telefon +49 721 [email protected]
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AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN
E N E R G E T I S C H E S Y S T E M E
EXPLOSIVSTOFFBEURTEILUNGJJ Anzndung, Verbrennung, Innenballistik, Detonik
SCHUTZSYSTEMEJJ Nicht-letale Wirkmittel, pyrotechnische Brandstze, Flares
GASGENERATORENJJ Airbagsysteme, Umformtechnik, Lschtechnik
TECHNISCHE S ICHERHEITJJ Explosionen, Brnde, Wasserstoffsicherheit
HOCHTEMPERATURWERKSTOFFEJJ Oxidation, Korrosion, Strukturstabilitt
WERKSTOFFE UND PROZESSANALYSEJJ optische Spektroskopie, Werkstofffunktionalisierung, Chemometrie, Nano-Partikel
ENERGIESPE ICHERJJ Wrme- und Kltespeicher, stoffliche Speicher
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
BILD
Entwicklung von zeolithbasierten
Sorptionsspeichern.
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A N G E W A N D T E E L E K T R O C H E M I E
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
2 1
Sicherheitstest bzw. Abuse-
versuch durch berladen
einer Lithium-Ionen Zelle
(Pouchzelle).
Batter ien, Brennstoffzel len, e lektrochemische Sensoren und Analysesysteme s ind die Arbeitsschwerpunkte
des Produktbereichs Angewandte E lektrochemie. Die z iv i len und wehrtechnischen Forschungs- und Ent-
wicklungsarbeiten re ichen von der Mater ia lcharakter is ierung und -opt imierung bis zur Methodenentwick-
lung und der Herste l lung von Prototypen. Umfangreiche Test- und Entwicklungsmethoden fr Brennstoff-
zel len, Batter ien und Komponenten werden entwickelt und als Serv ice le istung angeboten. Neben einer
umfassenden Laborausstattung ste l len wir unseren Kunden ein breites e lektrochemisches Know-how zur
Verfgung.
Batterien
Die Forschungsschwerpunkte im Bereich der Batterietechnik
liegen auf Lithium-basierten Energiespeichern, insbesondere
hinsichtlich ihrer Sicherheit und der Entwicklung neuer Syste-
me mit hohen Energiedichten (zum Beispiel Lithium-Schwefel
und Lithium-Luft-Batterien). In entsprechend ausgestatteten
Sicherheitslaboren werden zerstrende und nicht-zerstrende
Tests an Lithium-Ionen-Zellen und Modulen in Verbindung mit
einer umfangreichen Gasanalytik durchgefhrt. Der Temperie-
rung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen kommt aus Sicher-
heitsgrnden eine besondere Bedeutung zu. Deshalb werden
eine Vielzahl thermischer Messungen an Zellen und deren
Komponenten in-situ und ex-situ durchgefhrt. Auf dieser
Basis werden thermische Simulationen erstellt und optimierte
Funktionsmuster aufgebaut. Bei den sogenannten next
generation Batterien wie beispielsweise Lithium-Schwefel ist
die grte Herausforderung die Lithium-Metall-Anode, die zur
Dendritenbildung neigt und an deren Oberflche Elektrolyt-
zersetzung sowie Reaktionen mit Polysulfiden stattfinden.
Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich hier auf neue Elektroden-
konzepte und Separatoren.
Redox-Flow-Batterien
Die Arbeiten am Fraunhofer ICT befassen sich sowohl mit
der Untersuchung neuer geeigneter Elektrolyte, Elektroden
und Membranen als auch mit den verfahrenstechnischen
Parametern. Dabei stehen fr stationre Anwendungen eine
Skalierung der Technologie in den MW- und MWh-Bereich
sowie die produktionstechnische Umsetzung entsprechender
Speicher im Vordergrund der Forschung und Entwicklung.
Im Rahmen eines durch das Land Baden-Wrttemberg und
das BMBF gefrderten Projektes wird eine 2 MW / 20 MWh
Redox-Flow Batterie in Verbindung mit einem 2 MW Windrad
auf dem Gelnde des Fraunhofer ICT aufgebaut. Neben
verfahrenstechnischen Herausforderungen liegt ein weiteres
Hemmnis der Redox-Flow-Technik darin, dass die eingesetzten
Materialien und der Stackbau meist abgeleitet von der
Brennstoffzellenentwicklung zu aufwendig und damit ko-
nomisch nicht konkurrenzfhig sind. Aktuelle Arbeiten sind
deshalb auf die Kostensenkung fr den Stackbau auf unter
1.000 Euro / kW sowie die Integration von Funktionswerk-
stoffen (Elektrodenmaterialien, Membranen) in das Fertigungs-
konzept mit dem Ziel der Vereinfachung des Stack-Aufbaus
ausgerichtet.
Brennstoffzellen
Als elektrochemische Wandler weisen Brennstoffzellen in der
Regel eine hhere elektrische Effizienz als thermische Kraftma-
schinen auf, insbesondere im kleinen bis mittleren Leistungs-
ANGEWANDTEELEKTROCHEMIE
2 2
bereich. Im Vergleich zu Batterien erreichen sie zudem hhere
Energiespeicherdichten. Die Nutzung flssiger Treibstoffe kann
dabei nicht nur die Speicherdichte erhhen, sondern auch die
Handhabung erleichtern und somit das Marktpotenzial er-
hhen. Markthinderlich sind die fehlende Infrastruktur fr den
hufig eingesetzten Brennstoff Wasserstoff sowie hohe Kosten.
Das Fraunhofer ICT betreibt angewandte Forschung im Bereich
Brennstoffzellenmaterialien, um hier Abhilfe zu schaffen. Um
Kosten zu senken, werden Katalysatoren und Bindermaterialien
fr alkalische Brennstoffzellen mit einer Anionen-Austauscher-
membran untersucht. Ziel ist, auf Platinmetalle sowie Elektro-
katalysatoren fr die direkte Umsetzung von Alkoholen in
alkalischen und Mitteltemperatur-Polymerelektrolytmembran-
Brennstoffzellen zu verzichten, da dann (kostengnstigere)
flssige Brennstoffe eingesetzt werden knnen. Im Rahmen
dieser Aktivitten hat das Fraunhofer ICT eine groe Expertise
in der in-situ Untersuchung elektrochemischer Prozesse in
Brennstoffzellen, die den Kunden zum Beispiel auch zur Unter-
suchung von Degradationsvorgngen zur Verfgung steht. Im
Systembereich befasst sich das Fraunhofer ICT intensiv mit der
Entwicklung von Brennstoffzellensystemen als APU oder Range
Extender fr Elektrofahrzeuge sowie mit der Entwicklung von
Demonstrationssystemen fr das Verteidigungsministerium und
die nachgeschalteten Behrden.
Sensorik und Analysensysteme
Elektrochemische Sensoren werden fr unterschiedlichste
Messaufgaben im Umweltbereich, in der Sicherheitsber-
wachung, der Prozesskontrolle und der Medizin eingesetzt. Im
Vergleich zu herkmmlichen Sensoren zeichnen sie sich durch
hohe Empfindlichkeit, einfache Handhabung und geringe
Herstellungskosten aus. Sie knnen fr die Untersuchung von
Flssigkeiten, Gasen und Bodenproben eingesetzt werden.
Zustzlich knnen sie aufgrund einer Vielzahl variierbarer Para-
meter flexibel an spezielle Messaufgaben unserer Kunden an-
gepasst werden. Aktuelle Arbeiten zielen auf die Entwicklung
hochempfindlicher Sensoren fr die Schadstoffdetektion in
der Luft und im Meerwasser. Weiterhin wird an Sensoren fr
den Einsatz unter extremen Umweltbedingungen (zum Beispiel
hohe Temperaturen) gearbeitet.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der An-
wendung von Methoden der Mustererkennung fr den
flexiblen Einsatz elektrochemischer Sensoren in komplexen
Matrices. Des Weiteren knnen auch unerwnschte Kor-
rosionseffekte bei Batterien und Bauteilen jeglicher Art mit
elektrochemischen Messmethoden untersucht werden. Mit der
Rntgenspektroskopie werden an den Korrosionsprodukten
Schadensanalysen auf deren Elementzusammensetzung durch-
gefhrt. Darber hinaus gehren Leckagemessungen und
das Wasserstoffmonitoring vom unteren ppb bis zum hohen
Prozentbereich in Echtzeit zum Portfolio.
Der Bereich der Analysensysteme beschftigt sich seit
vielen Jahren mit analytischen Fragestellungen aus den
verschiedensten Themenfeldern. Der Fokus liegt dabei meist
auf elektrochemischen Problemstellungen, zu deren Lsung
auf eine umfangreiche elektrochemische und analytische
Ausstattung zurckgegriffen werden kann. Die Abuse-Tests
von Lithium-Ion-Akkumulatoren, bei denen vielfltige gas-
frmige, teilweise toxische Komponenten entstehen knnen
und deren Nachweis oft schwierig und aufwendig ist (HF,
Schwefelverbindungen), fllt ebenfalls in den Aufgabenbereich
der Analysensysteme.
Kontakt: Dr. Jens Tbke Telefon +49 721 4640-343 [email protected]
2 3
AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN
A N G E W A N D T E E L E K T R O C H E M I E
BILDER
Untersuchung eines ausgerollten
Separators und der Elektroden einer
Lithium-Ionen-Zelle (links) und Redox-
Flow Laborzelle zur Testung neuer Mate-
rialien (rechts).
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
BATTERIENJJ Zelle / ModulJJ Lithium-Schwefel-BatterienJJ natriumbasierte AkkumulatorenJJ Performance, Abuse, post-mortem-UntersuchungenJJ Simulation thermisches VerhaltenJJ Super-Caps
JJ BatteriesystemeJJ Auslegung / EntwicklungJJ VerbindungstechnikJJ hybride Energiespeicher-SystemeJJ thermisches Management
REDOX-FLOW-BATTERIEJJ Materialien und StackJJ metallische und mit Kunststoff gefllte BipolarplattenJJ wssrige und organische Elektrolyte sowie ionische
Flssigkeiten, Vanadium und Bromid-SystemeJJ Dichtungs- und StackkonzepteJJ Modellierung von Flow-Batterien von der Einzelzelle
bis hin zum SystemJJ SystemJJ Auslegung regenerativer Energiesysteme
(Erzeuger und Speicher), Mikrogrid-SimulationJJ Vanadium-Luft / Metallionen-Luft SystemeJJ unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
BRENNSTOFFZELLENJJ Materialien und StackJJ Elektrokatalysatoren und Membran-Elektroden-
Einheiten fr alkalische Direktalkohol-BrennstoffzellenJJ schwefeltolerante Elektrokatalysatoren und
Membran-Elektroden-EinheitenJJ Sauerstoffreduktionselektroden
JJ SystemJJ Direktethanol-BrennstoffzellenJJ Brennstoffzellen als Range-Extender und APUJJ Einsatz von Brennstoffzellen im militrischen Umfeld
der Bundeswehr
SENSORIK UND ANALYSESYSTEMEJJ ExplosivstoffdetektionJJ Bereitstellung definierter Explosivstoffkonzentration
in der GasphaseJJ elektrochemische Detektion bis in den ppt-Bereich
JJ elektrochemische SensorikJJ Riechen und Schmecken: Spurendetektion und
MustererkennungJJ Aufbau von Sensorsystemen
JJ Untersuchungen von Korrosionsschden,
Leckagemessungen und BauteilversagenJJ Analytik fr Batterie- und BrandgaseJJ ionische Flssigkeiten in elektrochemischen Systemen
2 4
U M W E L T E N G I N E E R I N G
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
2 5
Die Abtei lung Umwelt Engineer ing bearbeitet se i t Jahren erfolgreich Forschungsthemen im Bereich e iner
ressourceneff iz ienteren Produkt ionstechnik und innovat iver Verwertungsverfahren. Neben einer ausge-
re if ten chemischen Verfahrenstechnik untersttzt d ie Abtei lung ihre Kunden im Bereich e iner k lass ischen
mechanischen Verfahrenstechnik und einem Produktportfol io, dass s ich ber Chemikal ien und Werkstoffe
auf Bas is nachwachsender Rohstoffe bis h in zu neuen Mater ia l ien (B iopolymere, Nanomater ia l ien, Funk-
t ionswerkstoffe, Smart Mater ia ls ) oder spezie l len Rezyklaten erstreckt. E in weiterer Arbeitsschwerpunkt
ist d ie Umweltqual if ikat ion technischer Produkte durch standardis ierte oder kundenspezif isch entwickelte
Testmethoden.
Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz
Die Arbeitsgruppe Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz
bearbeitet Fragestellungen zu rohstoff- und energieoptimierten
Produkt- und Prozessentwicklungen. So konnte beispielsweise
durch ein Hydrothermalverfahren ein effizientes Recyclingver-
fahren fr Baustoffe entwickelt werden, welches hochwertige
Rohstoffe fr die Bauwirtschaft generiert. Textilien und poly-
mere Fasern aus Fahrzeugsitzen lassen sich durch ein stoff-
liches Recycling wieder in Neuware einarbeiten. Fasercompo-
site-Bauteile werden am Fraunhofer ICT durch werkstoffliches
Recycling zunchst fraktioniert, um sie anschlieend in hoch-
wertigen Anwendungen wieder einsetzen zu knnen. Einen
besonderen Schwerpunkt bildet das Recycling von Carbon-
fasern und Glasfaserverbundwerkstoffen. Hierbei kommen
auch neueste Technologien aus dem Bereich der energetischen
Demontage zur Anwendung. kologische und konomische
Tools fr eine ganzheitliche Bewertung dieser Prozesse im Be-
reich des Life Cycle Assessments (LCA) runden die Kompetenz
dieser Forschungsgruppe ab.
Reaktions- und Trenntechnik
Die Arbeitsgruppe Reaktions- und Trenntechnik verfolgt ver-
fahrenstechnische Prozessentwicklungen fr die Synthese von
Plattformchemikalien auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Die
chemischen Prozesse umfassen die gesamte Prozesskette von
der Auswahl und dem Aufschluss biogener Rohstoffe ber das
Downstream-Processing bis hin zur quantitativen Charakteri-
sierung der Produkte. Ziel ist die industrielle Nutzung pflanz-
licher Rohstoffe wie zum Beispiel Zucker, Strke, Cellulose,
Hemicellulose, Lignin, Terpene, Chitin oder l und Fett fr die
Herstellung organischer Zwischenprodukte, Feinchemikalien
und Polymere. So lassen sich beispielsweise durch die basen-
katalysierte Hydrothermolyse (BCD) von Lignin phenolische
Bausteine generieren (Guajakole, Catechole und Syringole),
die bei der Herstellung von Phenol-Formaldehyd-Harzen be-
reits erfolgreich eingesetzt werden konnten. Von besonderem
Interesse sind in diesem Zusammenhang auch hydrothermale
katalytische Prozesse, die Wasser im nahekritischen Zustand als
Lsungsmittel und Reaktionspartner nutzen. Beispielhaft seien
hier die Gewinnung von Olefinen aus Alkoholen oder von
Polyalkoholen aus Cellulose, Hemicellulose und Zuckern fr die
Herstellung von Polymerschumen, aber auch die Gewinnung
von Furanderivaten (5-HMF, 2,5-Furandicarbonsure) aus He-
micellulosen fr die Herstellung thermoplastischer Elastomere
erwhnt. Diese Prozesse sind wegen der Verwendung von
Wasser als Lsungs- und Reaktionsmedium in idealer Weise
mit biotechnologischen Prozessen kombinierbar.
UMWELT ENGINEERING
Schutzartprfung,
Prfung Dichtigkeit.
2 6
Beim sogenannten Downstreaming, d. h. der Komponenten-
trennung, kommen neben thermischer Verfahrenstechnik
(Destillation) und mechanischer Trenntechnik (Crossflow-Mem-
branprozesse) auch berkritische Fluide (SCF) im Bereich der
Extraktion zum Einsatz. Diese Fluide kombinieren ein starkes
Lsungsvermgen mit gashnlichen Transporteigenschaften.
Polymere und Additive
Schwerpunkt der Arbeitsgruppe Polymere und Additive ist
die Entwicklung von Syntheseprozessen fr die Herstellung,
Verarbeitung und Modifizierung von Polymeren basierend
auf nachwachsenden Rohstoffen. Insbesondere Polyester und
Polyamide auf Furandicarbonsure-Basis, die aus Zuckern her-
gestellt wurden, sind im Fokus des Interesses. Fr die Synthese
neuer Polymere eignen sich aber auch lbasierte Fettsure-
derivate, die ber Metathesereaktionen und anschlieende
Derivatisierung aus den natrlichen Rohstoffen hergestellt
wurden.
Im Bereich der Polymere ist eine zunehmende Nachfrage nach
verbesserten Flammschutzsystemen zu verzeichnen. Aus die-
sem Grund beschftigt sich eine Gruppe von Wissenschaftlern
mit der Entwicklung reaktiver Flammschutzsysteme, die bereits
bei der Polymersynthese in das Produkt vernetzt werden.
Analytik
Die Abteilung Umwelt Engineering verfgt ber eine umfas-
sende Analytik, die es ermglicht quantitative Aussagen (auch
spurenanalytisch) zu organischen und anorganischen Frage-
stellungen aus allen Arbeitsgruppen sowie fr externe Kunden
und Partner zu treffen. Spezialisiert hat sich die Gruppe in
den letzten Jahren vor allem auf die Charakterisierung von
Naturstoffen und Biomaterialien (NREL-Analyse, Fettanalytik,
LC-MS), von polymeren Produkten (Pyrolyse-GC-MS) sowie
von mineralischen Bestandteilen in Recyclingprodukten wie
zum Beispiel Asphalten, Bahnschwellen und Leuchtschichten.
Emissions-Prfkammermethoden detektieren mgliche Mate-
rialemissionen, beispielsweise bei Innenraumanwendungen.
Neben VOC-Messungen sind auch andere Luftschadstoffe
oder Partikel wie Feinstaub nachweisbar.
Umweltsimulation und Produktqualifikation
Whrend ihrer Lebensdauer sind technische Produkte einer
Vielfalt von Umwelteinflssen ausgesetzt, die sich auf die
Funktion, die Gebrauchsdauer, die Qualitt und die Zuver-
lssigkeit des Produkts auswirken.
Die Arbeitsgruppe Umweltsimulation und Produktqualifikation
beurteilt im Auftrag zahlreicher Kunden aus den unter-
schiedlichsten Industriebereichen simulierte Umwelteinflsse
auf technische Erzeugnisse und deren Wirkung. Durch eine
Langzeitsimulation in Kombination mit einer definierten
Alterung knnen Lebensdaueraussagen generiert werden.
Anwendungsgebiete sind die Qualifizierung von Fahrzeugbau-
teilen und die Entwicklung bestndiger Komponenten fr die
Lebensmittelindustrie. Korrosionsvorgnge lassen sich durch
Versuche mit gasfrmigen oder flssigen Medien nachstellen,
um beispielsweise einen wirkungsvollen Nachweis von Kor-
rosionsschutzmanahmen zu erbringen. Die Belastung durch
Stube wurde mit der Feinstaubproblematik ins ffentliche
Rampenlicht gedrngt. Daher werden Staubbelastungen in
Versuchen nachgestellt, um eine beschleunigte Wirkung und
somit eine Zeitraffung zu erzielen.
Kontakt: Rainer Schweppe Telefon +49 721 4640-173 [email protected]
2 7
AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN
REAKTIONS- UND TRENNTECHNIKJJ Umsetzung von Bioraffineriekonzepten in den
Miniplant-Mastab an der Projektgruppe
Fraunhofer CBP am Standort LeunaJJ Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur
Herstellung von ChemierohstoffenJJ Anwendung berkritischer Fluide in der Synthese
und der StofftrennungJJ Anlage zur kontinuierlichen Extraktion von Lignocellulose
in ihre wesentlichen Bestandteile unter Druck
UMWELTSIMULATION UND
PRODUKTQUALIF IKATIONJJ Verfahren zur Simulation von KorrosionsvorgngenJJ Methoden zur Simulation von Reinigungsvorgngen
in der LebensmittelindustrieJJ Bestndigkeit von Oberflchen gegen chemische
SubstanzenJJ Entwicklung von Verfahren zur zeitgerafften Aufprgung
von UmgebungseinflssenJJ Untersuchungen zur beschleunigten Alterung von
BauteilenJJ Neue Prfnormen zur Produktqualifikation in
Klimakammern
PROZESS- UND EMISS IONSANALYTIKJJ Entwicklung neuer Messmethoden fr die stoffliche
Charakterisierung
U M W E L T E N G I N E E R I N G
BILD
Produktqualifikation in
Klimaschrnken.
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
KREISLAUFWIRTSCHAFT UND
RESSOURCENEFF IZ IENZJJ Recyclingkonzepte und Verwertungsstrategien
sekundrer Rohstoffe mit der gemeinsamen
Forschergruppe der Simon-Ohm-Hochschule NrnbergJJ Konzepte zum rohstofflichen und werkstofflichen
Recycling von Composite- bzw. Faserverbundkunst-
stoffverbnden (Carbonfasern) und Baustoffen sowie
Herstellung hochwertiger ProdukteJJ Rckgewinnung von Textilfasern fr die stoffliche
WiederverwertungJJ Verwertung von PET in Food-Grade QualittJJ Kreislauffhrung von Kunststoffen aus dem Bereich
Elektroaltgerte und Alt-Fahrzeuge.JJ Recycling von Elektronikschrott JJ Nachhaltigkeit in der Entwicklung und Fertigung
von Flugzeugen
POLYMERE UND ADDIT IVEJJ Synthese neuer Biopolymere (Polyester, Polyamide
und Polyurethane) auf Basis nachwachsender RohstoffeJJ Rohstoffliches Recycling von PU-Blockschumen
(Glykolyse und A-cidolyse)
2 8
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
P O LY M E R E N G I N E E R I N G
2 9
Rohling mit eingeflochtenem
Insert eines Hohlbauteils aus
Faserverbundkunststoffen.
Der Kompetenzbereich Polymer Engineer ing bietet se i t fast zwei Jahrzehnten innovat ive Polymerlsungen
von der Idee ber die Produkt- , Mater ia l - und Verfahrensentwicklung bis h in zur Prototypenherste l lung.
Magebend bei der anwendungsnahen Forschung an Kunststoffen ist d ie Entwicklung von kosten- und
ressourceneff iz ienten Mater ia l rezepturen und Verarbeitungsprozessen. Bei der Umsetzung von Forschungs-
projekten arbeiten thematisch fokuss ierte Arbeitsgruppen eng vernetzt zusammen mit Partnern aus dem
Ausland, aus den Fraunhofer-Al l ianzen und mit dem Kar lsruher Inst i tut fr Technologie KIT. Die Anbindung
und wissenschaft l iche Zusammenarbeit mit dem KIT ermgl icht darber hinaus e ine Vert iefung der Grund-
lagenforschung ber die Lehrsthle fr Leichtbautechnologie und Polymertechnik.
Kompetenzen am Standort Pfinztal
Zum Kern des Kompetenzbereichs Polymer Engineering gehrt
die Auseinandersetzung mit Zukunftsthemen der Kunststoff-
technologie wie beispielsweise der Entwicklung von tempera-
turfesten thermoplastischen, naturfaserverstrkten Polymeren
fr technische Anwendungen. In den Blickpunkt der Material-
forschung rcken zunehmend mageschneiderte geschumte
Werkstoffsysteme, wie auch Schaumstoff-Verbunde, die sich
hinsichtlich ihrer optimierten Eigenschaften unter anderem als
Alternative fr eine nachhaltige Gebudedmmung eignen.
Fr ein bestmgliches Ergebnis bei der Materialentwicklung
kommt es entscheidend auf das Zusammenspiel von Werk-
stofftechnik und Schumtechnologie an. Das Prinzip von
optimiertem Material- und Technologieeinsatz gilt auch fr die
aktuellen Entwicklungen mit Nanopartikeln. Welche Potenziale
sich in Kunststoffen mit Nanokomposites erschlieen lassen,
zeigt sich bei der Spritzgiefertigung von elektrisch leitfhigen
Pfaden mit Sensoreigenschaften. In der Prozessentwicklung
spielen unter den neuen Themen vor allem integrierte Re-
aktivverfahren eine Rolle, wie die reaktive Extrusion, welche
chemische Synthesen oder Werkstoffmodifikationen im
kontinuierlich arbeitenden Reaktionsextruder ermglichen.
Aktuelle Forschungsprojekte wie reaktives Werkstoffrecycling
von PET belegen dabei auch das hohe Synergiepotenzial der
Zusammenarbeit mit dem Produktbereich Umwelt-Engineering
in der Polymerchemie.
Mit der Erweiterung der Spritzgietechnologie werden ver-
strkt Forschungs- und Entwicklungsaufgaben unter anderem
im Schaumspritzgieen gemeistert. So knnen heute mit
dieser Technologie beispielsweise Bauteile mit Sandwichstruk-
tur mit hohen gewichtsspezifischen Steifigkeiten entwickelt
werden ein Thema, das bereits auf hohe Resonanz aus der
Industrie stt. Nach wie vor ist die Schaumplatten-Extrusions-
anlage im PE-Technikum einmalig in der Forschungslandschaft
Deutschlands. Dieses Alleinstellungsmerkmal erklrt auch den
deutlichen Anstieg der Projektertrge auf dem Gebiet der
Schumtechnologien. Neben der Entwicklung neuer Schaum-
materialien ist auch das Interesse an der Rezepturentwicklung
fr konventionelle Materialien ungebrochen. Besonders
stechen vor allem die Themen Nukleierung und alternative
Flammschutzsysteme hervor.
In der Faserverbundtechnik stehen Integrationstechniken,
Produktionsverfahren fr langfaserverstrkte Thermoplaste
und Duromere (LFT, SMC), Gieharzverfahren mit Thermo-
plasten (T-RTM/RIM), groserienfhige Harzinfusionstechniken
(HP-RTM) sowie die PUR-LFI-Faser-Sprhtechnologie zur
Verfgung. Ein Fokus der Weiterentwicklung dieser Themen
liegt aktuell auf der Abbildung gesamter Produktionsprozesse
POLYMERENGINEERING
3 0
und vor allem auf der Industrialisierung dieser ursprnglich in
der Kleinserienfertigung eingesetzten Faserverbundtechno-
logien. So erfolgt im Frhjahr 2014 der Aufbau einer voll
automatisierten Preformanlage fr textile Halbzeuge, welche
die Herstellungskette fr Hochleistungsfaserverbunde im
RTM-Verfahren komplementiert. Zudem liegt ein Schwerpunkt
in der Entwicklung optimierter Verfahren zur Ablage thermo-
plastischer Hochleistungstapes und deren Handhabung in
weiterfhrenden Prozessen.
Auf dem Gebiet der Mikrowellen- und Plasmatechnologie
betreibt ein Team Prozess- und Anlagenentwicklungen zur
mikrowellenuntersttzten Prozesstechnik. Mit der Anschaffung
einer kompakten Induktionsanlage wurde die Technologie zur
beschleunigten Aushrtung von Harzen und Klebstoffen
erweitert. Bei der Erzeugung von Plasmen werden Polymer-
oder metallische Bauteile mit einer meist transparenten
Beschichtung versehen. Neben der Anwendung funktionaler
Kratzschutzschichten haben in den letzten Jahren vor allem
Korrosionsschutzanwendungen zunehmend auch an Hybrid-
bauteilen an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in Verbun-
den aus Hochleistungsaluminiumlegierungen und Kohlenstoff-
faserkompositen kommt es an der Kontaktflche zu starker
Korrosion. Isolierende Beschichtungen, die im Plasmaprozess
auf dem Aluminiumbauteil abgeschieden werden, stellen hier
eine wirtschaftlich interessante und technisch hochwertige
Alternative dar.
Die Kunststoffprfung wurde 2012/2013 weiter ausgebaut:
Zuverlssige Methoden zur Bestimmung der Leitfhigkeit
von Kunststoffcompounds und erweiterte Prfmethoden vor
allem fr Hochleistungsfaserverbunde runden das gesamte
Prfspektrum weiter ab.
Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL
Im Mai 2013 bezog die Projektgruppe FIL das neue Forschungs-
areal am Standort Augsburg. Fast 60 Mitarbeiter beschftigen
sich mit anwendungsorientierter Forschung auf dem Gebiet
der Leichtbauweisen und automatisierten Fertigungsverfahren
fr eine kosten- und energieeffiziente Produktion von Hochleis-
tungsfaserverbundstrukturen fr den Anlagen-, Fahrzeug- und
Maschinenbau. Die Forschungsarbeiten orientieren sich dabei
entlang der Gesamtprozesskette.
Fraunhofer Project Center FPC for Composites Research
Mit der einzigartigen Partnerschaft zwischen dem Fraunhofer
Project Center for Composites Research (FPC) at Western Uni-
versity in London, Ontario, Kanada und der Western University
selbst ist ein Zusammenschluss gelungen, der die Kompetenzen
des Fraunhofer ICT auf dem Gebiet der Faserverbundwerkstoffe
mit dem Know-how in der Material- und Oberflchenforschung
der kanadischen Hochschule verbindet. Das FPC verfgt ber
eine hochmoderne Presse mit einer Presskraft von 25.000 N.
Damit knnen Forschungsauftrge, berwiegend fr den Auto-
mobilbau, im industriellen Mastab durchgefhrt werden.
Karlsruher Innovationscluster fr hybriden Leichtbau
Das Fraunhofer-Innovationscluster KITe hyLITE Technologien
fr den hybriden Leichtbau unter der Leitung von Professor
Dr. Frank Henning vernetzt die Fraunhofer-Institute ICT, IWM
und LBF mit Instituten des Karlsruher Institut fr Technologie KIT
sowie Industrieunternehmen zur gemeinsamen Entwicklung von
hybriden Leichtbautechnologien auf Basis von Faserverbundwerk-
stoffen. Kernthemen sind Werkstoffe, Produktion und Methoden.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Telefon +49 721 4640-420 [email protected]
3 1
AKTUELLE FORSCHUNGSTHEMEN
P R O D U K T B E R E I C H E D E S F R A U N H O F E R I C T
P O LY M E R E N G I N E E R I N G
COMPOUNDING UND EXTRUSIONJJ Naturfaser/Biopolymer-CompoundsJJ Partikelschaumbauteile aus BiopolymerenJJ Entwicklung aufgeschumter oder treibmittelbeladener
GranulateJJ Reaktivextrusion von BiopolymerenJJ (nano-) cellulosefaserverstrkte KunststoffcompoundsJJ langglasfaserverstrkte Granulate auf Rezyklatbasis
DUROMERVERARBEITUNGJJ faserverstrkte Polyurethane auf Basis der PUR-Faser-
sprhtechnologieJJ Entwicklung von Leicht-SMC-Formulierungen
HOCHLEISTUNGSFASERVERBUNDEJJ Prozess- und Bauteilentwicklung im
Hochdruckharzinfusionsprozess (HP-RTM)JJ chemisches Fixieren technischer Textilien
Chemical StitchingJJ Automatisiertes Preformen von textilen Halbzeugen
fr die Groserie
MIKROWELLEN- UND PLASMATECHNOLOGIEJJ beschleunigte Aushrtung von (kohlenstofffaser-
verstrkten) Kompositen mittels MikrowellenJJ transparente Kratz- und Korrosionsschutzschichten
ber PECVD-PlasmaverfahrenJJ Reinigen, Entschlichten und Sterilisieren mittels Corona
und Mikrowellen
NANOTECHNOLOGIEJJ Bauteile mit spritzgegossenen leitfhigen StrukturenJJ nanostrukturierte Haftschichten fr HybridbauteileJJ mikrozellulare und durch Nanopartikel verstrkte
SchumeJJ antimikrobielle OberflchenJJ Nanokomposites als Kabelersatz und fr Sensor-
anwendungenJJ Fllstoffadhsion und Grenzflchencharakterisierung
SCHUMTECHNOLOGIENJJ HybridschumeJJ Partikelschume auf RezyklatbasisJJ extrudierte (biobasierte) Schaumplatten (XPS)JJ weiterentwickelte EPS- und EPP-Materialien
THERMOPLASTVERARBEITUNGJJ Thermoplast-SchaumspritzgieenJJ thermoplastisches Tapelegen fr lokale
BauteilverstrkungenJJ Formgebung endlosfaserverstrkter Thermoplaste/
OrganoblecheJJ Spritzgieen geschumter (faserverstrkter) StrukturenJJ Hybridbauteile aus EPP und FaserverbundstrukturenJJ energieabsorbierende HybridstrukturenJJ lastorientiert verstrkte Faserverbundbauteile
(Batteriekasten, Unterbodenverkleidung, Dreieckstrger)
BILDER
Anlagentechnik zur automatisierten Herstellung
(links) eines endlosfaserverstrkten Versteifungs-
inlays mit thermoplastischer Matrix (rechts)
3 2
FRAUNHOFER ICT-IMMINSTITUT FR MIKROTECHNIK MAINZ Das Fraunhofer ICT hat im September 2013 einen weiteren Inst i tutste i l bekommen das IMM ( Inst i tut fr
Mikrotechnik Mainz GmbH). B is zum 17. September 2013 war das IMM im Bes i tz des Landes Rheinland-
Pfalz a ls a l le in igem Gesel lschafter. Nach einer umfangreichen Evaluierung hat s ich die Fraunhofer-Gesel l -
schaft entschieden, das IMM zu bernehmen. Das Fraunhofer ICT hat von 2013 bis 2017 die Aufgabe, das
IMM-Team umfassend in Arbeitsweise und Phi losophie des Fraunhofer Inst i tutsverbunds e inzufhren. Z ie l
i s t , das ICT- IMM bis 2018 fr den bergang in e in e igenstndiges Inst i tut f i t zu machen.
Die Wissenschaftler des ICT-IMM forschen und entwickeln in folgenden Geschftsbereichen:
Der Bereich Dezentrale und mobile Energietechnik deckt die gesamte Technologiekette
in den Bereichen Katalysatorentwicklung, Standzeittests, Prozesssimulation, Systemdesign
und -steuerung, Entwicklung kostengnstiger Fertigungstechnologien, Reaktorkonstruktion,
Systemintegration und -test ab. Neben der Entwicklung einzelner Komponenten und
kompletter Reformersysteme fr konventionelle und regenerative Brennstoffe beschftigen
die Wissenschaftler des ICT-IMM sich mit Flssigwasserstofftechnik, Abgasaufreinigung und
Biotreibstoffsynthese. Mit etwa 20 Mitarbeitern ist es eine der grten Gruppen in Europa, die
sich mit der Thematik Brennstoffaufbereitung beschftigt.
Die Entwicklung kundenspezifischer MEMS-Sensorik und signalableitender Elektroden bildet
das Portfolio des Bereichs Medizinische Sonden und technische Sensorik. Umfangreiche
Kompetenzen in der Auslegung von mikrostrukturierten Komponenten und ihrer Systeminte-
gration, verbunden mit einem weiten Spektrum an Mikrofertigungsverfahren wie mechanische
Przisionsbearbeitung, Lasermaterialbearbeitung, Siliziumtechnik und Dnnschichttechnik, sind
Alleinstellungsmerkmal. Die Anwendungsgebiete reichen von industrieller Gasanalytik ber die
Analyse von Flssigkeiten und Flssigkeitsfilmen bis hin zu medizinischer Diagnostik.
Der Bereich Nanopartikel-Technologien beschftigt sich mit der Herstellung und
Charakterisierung von Nanopartikeln mit unterschiedlichsten Eigenschaften und mglichen
Anwendungen in der Katalyse, Medizin, Pharmazie und der Konsumgterindustrie. Eine
weitere Gruppe beschftigt sich mit Bio-Nano-Schnittstellen.
P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T
3 3
1
Die Kontinuierliche chemische Verfahrenstechnik beschftigt sich mit der Optimierung
bzw. Neudefinition chemischer Produktionsverfahren mittels der Methoden und Apparate der
chemischen Mikroverfahrenstechnik. Die Kernkompetenzen reichen von der Entwicklung und
simulationsuntersttzten Auslegung von Mikroreaktoren bis zur Realisierung von Anlagen fr
Labor-, Pilot- und Produktionsmastab. Weiterer Fokus ist die Prozessentwicklung auf Basis von
Mikroreaktoren und Durchflusschemie.
Der Bereich Prozess-Design entwickelt Technologien, die hauptschlich in den Bereichen
Fein- und Spezialchemie angewendet werden. Aber auch in der Pharmazie und Konsumgter-
industrie sowie Bulk- und Petrochemie sind die Entwicklungen des Fraunhofer ICT-IMM von
groem Nutzen. Chemische Prozesse knnen so mageschneidert werden, dass sie optimal
zu den sehr hohen Massen- und Wrmetransporteigenschaften der Reaktoren bei gegebener
kurzer Verweilzeit (Durchsatzmaximierung) passen.
Der Fokus des Bereichs Mikrofluidische Analysensysteme liegt auf der kundenspezi-
fischen Entwicklung von integrierten, automatisierten Mikrosystemen und Bauteilen fr die
medizinische Diagnostik, Umweltanalyse, Biosicherheitsanwendungen, die Qualittskontrolle
von Nahrungsmitteln, industrielle Analytik und Prozesskontrolle. Mithilfe von Mikrostruktu-
rierungsverfahren und modellbasierter Auslegung entwickeln wir effiziente biomedizinische
Diagnosesysteme (Lab-on-a-chip oder micro total analysis systems (-TAS)) fr vielfltige
Anwendungen. Unsere Systeme ermglichen eine zeitnahe Analyse der Probe im Hinblick auf
biologische Organismen bzw. deren Bausteine oder Stoffwechselprodukte direkt vor Ort am
Point of Care bzw. Point of Use.
Der Bereich Zukunftstechnologien wird am ICT-IMM von zwei Themen geprgt: Geschfts-
feldentwicklung und Simulation. Damit wird die Entwicklung zielgerichteter Manahmen zur
Weiterentwicklung des ICT-IMM mit der Mglichkeit verknpft, diese vor ihrer Implementierung
auf Herz und Nieren zu testen. Fr eine aktive Gestaltung der Zukunft als Fraunhofer-Institut
verfgt das Team sowohl ber die wissenschaftliche Expertise als auch ber die enge Vernet-
zung in der Forschungslandschaft.
1 Das ICT-IMM in Mainz.
Kontakt: Prof. Dr. Michael Maskos Telefon +49 6131 990-100 [email protected]
3 4
Im vergangenen Jahr hat s ich die Fraunhofer Projektgruppe Neue Antr iebssysteme NAS kont inuier l ich
weiterentwickelt . Neben Versuchen auf dem eigenen Motorenprfstand wurde fr die notwendige Vor-
und Nachbereitung der Versuche eine e igenstndige Werkstatt aufgebaut. Zustz l ich zum bereits be-
stehenden Motorenprfstand wurden des Weiteren P lne fr die Anschaffung eines Heigasprfstandes
im Folgejahr abgeschlossen. Auerdem konnten die Vorbereitungen fr die erste Zwischenevaluat ion der
Projektgruppe Neue Antr iebssysteme begonnen werden.
FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE NEUE ANTRIEBSSYSTEME NAS
Projektbeteiligung und Clusterarbeiten
Zustzlich zur Akquisition und Bearbeitung von ffentlich gefrderten Projekten (Land BW und
Bund) hat sich die Projektgruppe NAS in den landesweiten Clusterinitiativen wie dem Spitzen-
cluster Elektromobilitt Sdwest und dem Schaufenster Living-Lab engagiert. Innerhalb
dieser Clusterinitiativen beteiligt sich die Projektgruppe NAS an unterschiedlichen Projekten im
Bereich der Erforschung von Range Extender Technologien sowie der Realfahrdatenerfassung
bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen. Zusammen mit dem starken Engagement der Projekt-
gruppe innerhalb des Fraunhofer Innovationsclusters REM 2030 sind diese Clusteraktivitten
wichtig, um innovative Technologien zu entwickeln, zu validieren und vor allem um Netzwerke
und Kontakte im Bereich der Elektromobilitt weiter auszubauen.
Neben der weiteren Vernetzung und der Zusammenarbeit mit externen Partnern in Verbund-
forschungsvorhaben und bilateralen Projekten wurde auch die Zusammenarbeit mit den
Mutterinstituten im vergangenen Jahr intensiviert. So konnten unter anderem in den Bereichen
Restwrmenutzung und Leichtbau im Antriebsstrang gemeinsame Forschungsarbeiten
durchgefhrt und verffentlicht werden. Im Bereich Blockheizkraftwerke wurde beispiels-
weise ein Zeolith-Langzeit-Wrmespeicher fr ein innovatives Mini-Blockheizkraftwerk-System
entwickelt.
Auch die Vernetzung der Projektgruppe NAS mit anderen Fraunhofer-Instituten stand im
vergangenen Jahr im Fokus. So ist es gelungen, in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE
in Freiburg einen erfolgreichen WiSA Antrag zu stellen. Im Rahmen des Fraunhofer-internen
Vorlaufforschungsprojektes sollen sowohl simulative als auch experimentelle Arbeiten fr
innovative Kraftstoffverdampfer fr ein HCCI-Brennverfahren durchgefhrt werden.
P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T
3 5
1
Ausbau der Prfstnde und Infrastruktur
Bei der Infrastruktur hat die Projektgruppe NAS im Jahr 2013 eine groe Weiterentwicklung
erlebt. Zustzlich zum bereits vorhandenen Motorenprfstand wurde die Planung zur Be-
schaffung eines eigenstndigen Heigasprfstandes abgeschlossen. Fr diese Investition wurde
ein Antrag auf EFRE Mittel gestellt und genehmigt. Der Prfstand soll verwendet werden, um
Forschungsarbeiten im Bereich der Restwrmenutzung durchzufhren. Ein mgliches For-
schungsgebiet ist die Entwicklung und Erprobung von mobilen Restwrmenutzungssystemen
wie zum Beispiel Turbogeneratoren, welche die thermische Energie aus dem Abgas eines
Verbrennungsmotors mittels eines hochdrehenden Generators in elektrische Energie wandeln
sollen. Diese Technologie wird zuknftig unter anderem in hybriden Antrieben Anwendung
finden. Der Prfstand soll als eigenstndiger Containerprfstand auf dem KIT Campus Ost
aufgebaut und in Betrieb genommen werden.
Aufbau NAS eigener Werkstattcontainer
Um Vor- und Nachbereitung fr Prfstandsversuche durchfhren zu knnen, ist im vergange-
nen Jahr ein eigener Werkstattcontainer eingerichtet worden. Der zweistckige Containerbau
besteht aus einem reinen Werkstattbereich im Erdgeschoss, in welchem Arbeiten an unter-
schiedlichen Antriebskomponenten bis hin zu Fahrzeugvorbereitungen vorgenommen werden
knnen. Im Obergeschoss des Containers befinden sich weitere Arbeitspltze fr Laborversuche
und hier insbesondere fr Arbeiten im Bereich der E-Competence. Hier wird unter anderem
an Zentralsteuerungssystemen fr konventionelle und elektrifizierte Antriebsstrnge sowie an
Leistungselektronik fr batterieelektrische Fahrzeuge gearbeitet.
1 NAS-Heigasbrenner-
prfstand am KIT Campus
Ost (Hersteller: Kratzer
Automation AG).
Kontakt: Dr.-Ing. Hans-Peter Kollmeier Telefon +49 721 9150-3811 [email protected]
3 6
FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE FUNKTIONSINTEGRIERTER LEICHTBAU FIL
Voraussetzung fr die Nutzung dieses enormen Leichtbaupotenzials sind neue Konzepte, die
eine faser- und textilgerechte konstruktive Gestaltung, neuartige Bauweisen, aber auch neue
Struktur- und Werkstoffkonzepte sowie groserienfhige und ressourceneffiziente Fertigungs-
technologien mit hohem Automatisierungsgrad einschlieen.
Die Fraunhofer-Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau FIL des Fraunhofer ICT nimmt
sich unter der Leitung von Professor Dr. Klaus Drechsler (Lehrstuhl fr Carbon Composites der
TU Mnchen) und Professor Dr. Frank Henning (Lehrstuhl fr Fahrzeugleichtbau KIT Karlsruhe)
diesem Auftrag gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten der Region
Augsburg und darber hinaus an. Ziel ist die anwendungsorientierte Forschung auf dem
Gebiet der ressourceneffizienten Bauweisen und Fertigungstechnologien fr Hochleistungs-
faserverbundstrukturen im Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau. Dabei steht sowohl die
Generierung von Grundlagen Know-how als auch die Verbesserung der Wettbewerbsfhigkeit
der Industriepartner durch die Realisierung optimierter, nachhaltiger Produkte im Hinblick
auf den Gesamtlebenszyklus und die Erschlieung neuer Anwendungsgebiete im Fokus. Hier
liegen auch die Schwerpunkte der Projektgruppe, welche sich entlang der gesamten Wert-
schpfungskette orientieren. Sie reichen von der Simulation und Berechnung von Bauteilen aus
CFK ber online-fhiges Prozessmonitoring, Materialentwicklung und -charakterisierung bis hin
zu automatisierbaren Herstellungsprozessen und einem an die Nutzungsphase entsprechender
Produkte anschlieenden Recyclingprozess. Ein weiterer Aspekt, der alle Entwicklungsbereiche
und Teilprozesse umspannt, ist die Bewertung der Nachhaltigkeit und die Identifikation von
Optimierungsanstzen mittels ganzheitlicher Bilanzierung.
Leichtbau gehrt im Zeichen eines ste igenden Umweltbewusstse ins und schwindender Ressourcen zu den
wicht igsten Zukunftstechnologien im F lugzeug-, Fahrzeug- und Maschinenbau. E ine besondere Rol le
kommt hierbei den Hochle istungsfaserverbundwerkstoffen zu, d ie nicht nur das hchste Leichtbaupoten-
z ia l , sondern gle ichzeit ig v ie lf l t ige funkt ionale Vorte i le b ieten. Die grte Bedeutung haben hierbei
kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe mit belastungsgerecht gesta l tbarer Endlosfaserverstrkung, die
gegenber Aluminium ein Leichtbaupotenzia l von bis zu 30 Prozent und gegenber Stahl von 60 Prozent
aufweisen. Aber auch Metal l -Faserverbund-Hybr idbauweisen bieten unter dem Motto das Beste mit dem
Besten verbinden in v ie len Anwendungsbereichen ein hohes Potenzia l .
P R O J E K T G R U P P E N D E S F R A U N H O F E R I C T
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Die im Februar 2009 gegrndete Projektgruppe ist mittlerweile auf 45 Mitarbeiter angewach-
sen, die zustzlich von etwa 20 wissenschaftlichen Hilfskrften bei der Bearbeitung der Projekte
untersttzt werden. Im Februar 2013 ist das Forschungsteam in das neue Institutsgebude am
Technologiezentrum in Augsburg gezogen. Der Neubau stellt auf fnf Etagen rund 1.900 qm
gut ausgestattete Bros und Laboratorien sowie ein eigenes Technikum mit rund 1.200 qm zur
Verfgung. Der Ausbau des Technikums und die Installation der Groanlagen erfolgte im ersten
Quartal 2013. Als erstes wurden die FiberForge- und die Pultrusionsanlage von Pfinztal nach
Augsburg umgezogen und bei der Pultrusionsanlage die Khlstrecke verlngert. Im Anschluss
fand der Umzug der AFP-Anlage (Coriolis) vom Universittsgebude in das Technikum statt. Zur
Verarbeitung von thermoplastischen Matrixsystemen wurde die AFP-Anlage um eine Laseranla-
ge erweitert. Auch das Gefahrstofflager, welches sich im Technikum befindet, wurde in Betrieb
genommen. Der Freistaat Bayern stellt fr den Aufbau der Fraunhofer-Einrichtung und Projekt-
gruppe 22 Millionen Euro zur Verfgung, die Stadt Augsburg beteiligt sich mit 3,5 Millionen Euro,
das BMBF mit 3,5 Millionen Euro und die Europische Union (Investition in Ihre Zukunft,
Europischer Fonds fr regionale Entwicklung) mit 3,9 Millionen Euro am neu errichteten
Fraunhofer-Gebude.
Die Ansiedlung der Projektgruppe in Augsburg mit dem Ziel der Etablierung eines ent-
sprechenden Fraunhofer-Instituts ist der konzentrierten Aktion vieler Krfte der Region und
darber hinaus zu verdanken, insbesondere auch dem Bayerischen Wirtschaftsministerium, den
im Carbon Composite e.V. organisierten Firmen, der Industrie- und Handelskammer Schwaben,
dem Institut fr Physik der Universitt Augsburg und natrlich der Stadt Augsburg.
Im Juni wurde die Projektgruppe durch ein Expertenteam aus Wissenschaft und Industrie eva-
luiert. Das Ergebnis war sehr positiv und man bescheinigte dem FIL eine sehr gute Vernetzung
mit der Industrie sowie ein starkes wissenschaftliches Profil, das sich auch in der Struktur und
der Kompetenz der Mitarbeiter widerspiegelt.
1 Die Fraunhofer-Projekt-
gruppe FIL in Augsburg.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler Telefon +49 821 90678-200 [email protected]
Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Telefon +49 721 4640-420 [email protected]
AUSGEWHLTE PROJEKTE
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NUTZUNGSDAUER VON TREIB- UND EXPLOSIVSTOFFENAlterung und Stabi l i tt s ind best immend fr die Nutzungsdauer von Treib- und Explos ivstoffen. Wesent l i -
che Z ie lsetzungen des Forschungsschwerpunkts Alterung/Stabi l i s ierung/Kompatibi l i tt im Produktbereich
Energet ische Mater ia l ien s ind das Ident if iz ieren von Alterungsursachen, die Best immung des Alterungs-
zustands und der Mechanismen, die Voraussage der Nutzungsdauer der Mater ia l ien unter vorgegebenen
Einsatzbedingungen und schl iel ich die Entwicklung von Stabi l i s ierungsmanahmen von Explos ivstoffen,
d ie beispie lsweise in das chemische Reakt ionsgeschehen eingreifen. Insgesamt sol l durch die Analyse der
Alterung und die Ver lngerung von Nutzungsdauern e ine Kostenreduzierung erre icht werden bei g le ich-
ble ibenden oder gar erhhten Sicherheitsstandards.
Zur Bearbeitung der Aufgaben steht eine breite Palette analytischer Methoden zur Verfgung,
hierunter hochempfindliche Mikrokalorimeter und ein adiabatisches Reaktionskalorimeter. Diese
werden ergnzt durch Einrichtungen zur beschleunigten Alterung, kinetische Analysen und
computergesttzte Simulationsverfahren molekularer Wechselwirkungen. Die Forschungs- und
Entwicklungsarbeiten werden anhand von zwei aktuellen Projekten vorgestellt:
Insensitive Munition und Alterung
Von unempfindlicher Munition verspricht man sich eine Verringerung von Kollateralschden,
die beispielsweise bei Brnden oder bei Beschuss der eigenen mitgefhrten Munition verursacht
werden. Im Rahmen des Projekts Insensitive Munitions & Ageing der Europischen Verteidi-
gungsagentur (EDA) wird untersucht, wie Sprengstoffe mit verminderter Empfindlichkeit im
Vergleich zu Standardprodukten altern. Insbesondere interessiert, ob eine reduzierte Empfind-
lichkeit bei der Alterung erhalten bleibt. In dem Projekt arbeiten sechs europische Nationen
zusammen: Frankreich (projektleitend), Deutschland, die Niederlande, Schweden, Finnland und
die Tschechische Republik. Das Fraunhofer ICT untersucht in diesem Rahmen zusammen mit
dem Deutsch-Franzsichen Forschungsinstitut Saint-Louis (ISL) das Alterungsverhalten von vier
Sprengladungen mit einem kristallinen Explosivstoffgehalt von 75 bis 80 % RDX und 20 bis 25 %
Binder. Hierzu wurden zwei Formulierungen mit einem Standardbinder und zwei mit einem
energetischen Binder im Fraunhofer ICT gefertigt, je eine mit einer unempfindlichen und eine
mit einer Standardvariante des eingebundenen kristallinen Explosivstoffs. Die Explosivstoff-
varianten und die Formulierungen wurden in Luft und in Argon bei Temperaturen bis zu
90 C und bis zu 60 Tagen gelagert, was einer Alterung von bis zu 25 Jahren bei 25 C
entspricht. Die Charakterisierung beinhaltet thermische und mechanische Analysen,
A U S G E W H L T E P R O J E K T E
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1 Prfapparatur zur
Vakuumstabilitt.
2 Einbringen einer Probe
in ein Mikrokalorimeter
(HFMC).
Strukturuntersuchungen des kristallinen Explosivstoffs und die Feststellung der Schockempfind-
lichkeit der Formulierungen in Beschussversuchen. Die Untersuchungen ergaben signifikante
Unterschiede insbesondere im thermischen Verhalten und in der Kristallqualitt des Explosiv-
stoffs, die auf Schdigungen und Alterung der eingebundenen Kristalle bei den Standardexplo-
sivstoffen hinweisen, nicht jedoch bei den insensitiven Varianten. Die Alterungserscheinungen
hatten aber keinen Einfluss auf die Schock- und Beschussempfindlichkeit der Sprengladungen.
Damit belegen die Untersuchungen im Rahmen des betrachteten Alterungsszenarios ins-
gesamt ein zeitlich stabiles Verhalten der insensitiven Sprengstoffvarianten und den Erhalt
der reduzierten Empfindlichkeit nach Alterung. Somit ist der Einsatz von Komponenten mit
verbesserter Mikrostruktur auch bezglich der Nutzungsdauer von unempfindlicher Munition
erfolgversprechend. Zudem kann die entwickelte Analytik auch in zivilen Forschungsbereichen,
wie in der Pharmaindustrie, eingesetzt werden.
Monitoring der Alterung von Treibstoffen in Raketenmotoren
Der wichtigste chemisch bedingte Alterungsvorgang von Komposit-Raketenfesttreibstoffen ist
die oxidative Hrtung, wodurch der Festtreibstoff an Dehnungskapazitt verliert. Bei Tempera-
turwechsellast kommt es zu Spannungszustnden bei der Anhaftung des Festtreibstoffs an der
Motorhlle und zu Ringspannungen im Zentrum des Festtreibstoffs, wenn eine Innenbohrung
vorliegt. Nach Alterung knnen diese Spannungen die Dehnfhigkeit bersteigen, so dass es
zu Rissbildung oder Ablsung kommt, welche zu einem unkontrollierten Abbrand bis hin zur
Zerstrung des Triebwerks fhren knnen. Mithilfe einer geeigneten Sensorik knnen Dehn-
fhigkeit und Rissbildung im Festtreibstoff detektiert werden. Damit knnte die Nutzungsdauer
individuell fr jeden Raketenmotor optimiert werden zudem zerstrungsfrei wodurch
erhebliche Kosten eingespart wrden.
Am Fraunhofer ICT wird daher das in-situ-Monitoring der Alterung von Raketenfesttreibstoffen
untersucht. Hierzu sollen mit adaptierter Sensorik Spannung und Temperatur registriert und
bewertet werden. Bislang wurden Konzepte fr die Adaption der Sensorik in Modellraketen-
motoren erarbeitet und vier Modellmotoren mit Sensoren bestckt. Begleitend wurde das Aus-
und Nachhrteverhalten von Testtreibstoffen in speziell hierfr entwickelten Druckaushrtungs-
ampullen und Mikrokalorimetern untersucht und modelliert. Die Untersuchungen zu diesem
Projekt sind noch im Gange. Sie sollen insgesamt die Machbarkeit fr ein Alterungsmonitoring
in Raketenmotoren nachweisen, welches auch Voraussagen zur Restnutzungsdauer ermglicht.
Kontakt: Dr. Manfred A. Bohn Telefon +49 721 4640-162 [email protected]
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SCHNELL AUFBLASBARES UND MOBILES SCHUTZSYSTEM GEGEN BALLISTISCHE BEDROHUNGEN RAPTORZie l des Projektes war die Entwicklung einer mobi len, schnel l e insetzbaren und aufblasbaren Struktur mit
bal l i s t i schem Schutz. Der Schwerpunkt bei der Entwicklung lag hierbei auf dem Schutz von Einzelpersonen
oder Kle ingruppen bis zu 3 Personen. Das System kann beispie lsweise zur Verbesserung der a l lgemeinen
Sicherheit von Veranstal tungen oder dem Schutz von Mitarbeitern von Hi lfsorganisat ionen in Kr isenregio-
nen eingesetzt werden.
Die Grundidee des Projektes basiert auf der Kombination von einer schnell aufblasbaren
Struktur, wie sie zum Beispiel von der Airbag Technologie bekannt ist, mit einer flexiblen ballis-
tischen Schutzstruktur auf Basis von Textilien. Insbesondere die durch die Hochleistungstextilien
erreichte Flexibilitt dieser ballistischen Struktur in Form eines Pakets stellt einen innovativen
Ansatz gegenber den bisher eingesetzten schweren und steifen Panzerungen auf Basis von
Metallen oder Faser-Kunststoff-Kompositen dar.
Die Definition der Bedrohungsszenarien fr dieses System erfolgte durch das deutsche Bundes-
kriminalamt (BKA) auf Basis der Erfahrungen und Wnschen des Bereiches Personenschutz. Als
relevante Bedrohungen wurden Handfeuerwaffen und unkonventionelle Spreng- und Brandvor-
richtungen identifiziert. Die daraus abgeleiteten Anforderungen sind zum Beispiel:
JJ neutrales Erscheinungsbild des betriebsbereiten Sicherheits-KitsJJ transportabel in Flugzeugen, Kraftfahrzeugen und SchiffenJJ geringes GewichtJJ Schutzraum halbkreisfrmig mit einer Flche von ca. 4 mJJ Schutz fr 2-3 PersonenJJ stabile Position nach dem Entfalten bei gleichzeitiger MobilittJJ Schutzvorrichtung entfaltet sich mit Airbag-GeschwindigkeitJJ unempfindlich gegenber extremen TemperaturschwankungenJJ Minimierung der Gefahr beim Entfalten (zum Beispiel Verbrennungen, Lrmentwicklung)JJ wiederverwendbar (zum Beispiel zu bungszwecken)JJ einfache Wartung
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BILDREIHE
High-Speed-Kamera-
Momentaufnahmen von
ballistischen Tests am
Fraunhofer ICT.
Die beiden wesentlichen Komponenten des Schutzsystems sind das ballistische Paket sowie
die aufblasbare Sttzstruktur mit dem Gasgenerator. Die Entwicklung des ballistischen Pakets
erforderte die Charakterisierung der Leistung nicht nur von unterschiedlichen Fasermaterialien
sondern auch der Webarten, um hohe ballistische Schutzwirkung mit gleichzeitiger Flexibilitt
zu ermglichen. Die Fasermaterialien wurden anhand der folgenden Kriterien ausgewhlt:
JJ hohe mechanische Kennwerte (zum Beispiel Zugmodul oder Zugspannung)JJ groe Toleranz gegen Faserschdigungen durch Falten bzw. KnickenJJ niedrige spezifische DichteJJ widerstandsfhig gegen hohe Temperaturen und Umwelteinflsse
In einer Vielzahl von Beschussversuchsserien wurden der Einfluss der genannten Parameter
sowie die Anzahl der bentigten Gewebelagen untersucht. Als bester Kompromiss zwischen
ballistischer Schutzwirkung, Flexibilitt, Flchengewicht und Kosten wurde P-Aramid bekannt
unter den Handelsnamen Kevlar oder Twaron ermittelt.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeiten stellte die Entwicklung der aufblasbaren Sttzstruktur
sowie des pyrotechnischen Gasgenerators dar. Die zum Aufblasen der Schlauchstruktur not-
wendige Gasmenge wird dabei von einem pyrotechnischen Kaltgasgenerator bereitgestellt.
Aufgrund dieser spezifischen Anforderungen an den Gasgenerator wurde eine spezielle
pyrotechnische Mischung entwickelt, die sich durch eine relativ niedrige Abbrandtemperatur
bei gleichzeitig hoher Gasausbeute auszeichnet. Die entwickelte Schlauchstruktur ist in der
Lage, ein ballistisches Paket mit einem Gewicht von bis zu 60 kg innerhalb von ca. 300 ms
aufzurichten und fr mehr als 15 Minuten stabil zu tragen.
Das Gesamtsystem wurde im Rahmen einer letzten Versuchsserie von Ballistikexperten des
BKA erfolgreich getestet.
Das Projekt war Teil des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms mit der Grant Agreement Nr.:
218259 und wurde durch die Research Executive Agency (REA) betreut. Das Projektkonsor-
tium setzte sich aus den Partnern Bundeskriminalamt (D), EXPLOSIA as (CZ), Valmiera Glass
Ltd. (UK), Dr. Lange GmbH (D) und dem Fraunhofer-Institut fr Chemische Technologie (D)
zusammen.
Kontakt: Dr. Jochen Neutz Telefon +49 721 4640-314 [email protected]
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BRENNSTOFFZELLE ALS RANGE EXTENDER FR EIN ELEKTROFAHRZEUGIm Rahmen des Innovat ionsc lusters Regional Eco Mobi l i ty REM 2030 arbeiten das Fraunhofer ICT, das
Fraunhofer IWM, die Fraunhofer-Projektgruppe Neue Antr iebssysteme NAS sowie e in ige Inst i tute des
Kar lsruher Inst i tuts fr Technologie KIT mit verschiedenen deutschen und europischen Industr iepartnern
zusammen, um unter anderem die Chancen neuer Technologien zur Erhhung der Reichweite sowie deren
Integrat ion in zuknft ige E lektrofahrzeuge zu demonstr ieren.
Das Projekt REM 2030 ist ein Baustein zur Entwicklung der Mobilitt von morgen, welches von
der Fraunhofer-Gesellschaft und vom Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Wrttemberg
gefrdert wird. Das Projekt steht unter dem Leitthema einer effizienten, regionalen Individual-
mobilitt im Jahr 2030. Das interdisziplinre Team aus Baden-Wrttemberg entwickelt, bewer-
tet und demonstriert ganzheitliche Konzepte fr eine effiziente regionale Individualmobilitt der
Zukunft. Die Betrachtung eines systemischen Ansatzes, der die Themen Fahrzeug, Infrastruktur
und neue Geschftsmodelle verbindet, ist hierbei zentral.
Innerhalb des Kernthemas Hardware werden unter anderem innovative Antriebstopologien
entwickelt und demonstriert. Dazu gehrt auch der Einsatz von Methanol-betriebenen
Brennstoffzellen als Reichweitenerweiterungsmglichkeit (Range Extender) in Elektroautos. Die
sogenannte Reformed-Methanol-Fuel-Cell (RMFC) ist ein System mit attraktivem elektrischen
Wirkungsgrad und Leistungsdichte, welches sich gut dafr eignet, die Reichweite von batterie-
elektrischen Fahrzeugen zu erweitern. Im Rahmen des Projektes stellt die Gesamtbetriebsstra-
tegie des Fahrzeuges einen zentralen Punkt in der Entwicklung des Demonstrator-Fahrzeuges
dar. Weiterhin ist es ein wesentliches Ziel des Projektes, ein integriertes, intelligentes und
aktives Thermomanagementsystem zu demonstrieren. Hier bietet die RMFC Technologie viele
Vorteile, insbesondere die Mglichkeit, nicht nur die Reichweite, sondern auch die Komfort-
eigenschaften von Elektrofahrzeugen zu verbessern. So kann mit einer Tankfllung Methanol
die Reichweite des Elektrofahrzeuges um mehrere hundert Kilometer erweitert werden, wobei
ein wesentlicher Vorteil gegenber der konventionellen Wasserstoff-Brennstoffzelle die schnelle
und einfache Betankung mit Methanol sowie dessen hohe volumetrische Speicherdichte ist. Die
Integration des Systems mit der Brennstoffzelle vom Hochtemperatur-Polymerelektrolytmem-
brantyp (HT-PEMFC) ermglicht zudem die effiziente Nutzung der Abwrme zur Innenraum-
beheizung und generelles aktives Thermomanagement innerhalb des Fahrzeuges.
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1+2 Verbundfasertrger-
kiste zum Heckeinbau des
BZ-Range-Extenders ins
Fahrzeug und der projek-
tierten Einbauposition im
Heckbereich des AUDI A1
Demonstrationsfahrzeugs.
Anhand des von der Projektgruppe Neue Antriebssysteme NAS entworfenen und aufgenom-
menen REM2030 Fahrzyklus konnte in der Simulation ein erstes Konzept zur Nutzung des
ausgewhlten Brennstoffzellensystems entwickelt werden. Im Diagramm ist der Ladezustand
der Batterie im Verlauf der im REM2030 Fahrzyklus gefahrenen Kilometer dargestellt. Zum
einen ist durch die Kurve a die Entladung der Batterie ohne und zum anderen durch Kurve b
ein Beispiel fr den Entladeverlauf mit Range Extender in Abhngigkeit des Batterieladezu-
stands dargestellt. Der durchschnittliche Leistungsbedarf eines Referenzfahrzeugs auf diesem
REM2030-Fahrzyklus betrgt etwa 3,4 kWel und kann wie Kurve b zeigt von dem gewhl-
ten Range Extender abgepuffert werden. Dies besttigt, dass mit Hilfe des Range Extenders in
der gewhlten Leistungsklasse und bei ausreichender Tankgre die Reichweite des Fahrzeugs
auf die von konventionellen Automobilen gesteigert werden kann.
Die aktive Einbindung aller Komponenten (Batterie, Brennstoffzelle, Leistungselektronik,
Wrmemanagement) in das Gesamtfahrzeug erfolgt elektrisch, thermisch und informations-
technisch. Die thermische Einbindung bedeutet zum Beispiel eine Optimierung der Batterie-
khlluftverteilung im Fahrzeug, die Nutzung von Abwrmen zur Batterietemperierung oder
ein effizientes