Entwicklung antiviraler Eloxaloberflächen

Die globale SARS-CoV2-Pandemie legte einen immensen zusätzlichen Bedarf an antiviralen Oberflächen in nahezu allen Situationen des täglichen Lebens offen. Insbesondere in öffentlichen, medizinischen und hochfrequentierten Bereichen werden zukünftig verstärkt Lösungen verlangt, um das Infektionsrisiko zu senken. Damit verbunden ist ein riesiger Markt für innovative Beschichtungskonzepte. Potentielle Anwendungen wie bspw. Handläufe, Haltegriffe, Türklinken oder Sanitäreinrichtungen erfordern den Einsatz langlebiger Materialien mit einer möglichst dauerhaften antiviralen Wirksamkeit. In diesem Kontext stellen anodisierte Aluminiumwerkstoffe mit der meso- und makroporösen Oberfläche ein interessantes Substratmaterial für die Modifizierung mit viruziden bzw. bakteriziden Nanopartikeln dar.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die inhärente Porenstruktur des anodisch oxidierten Aluminiumsubstrats
genutzt, um antivirale Metall-Nanopartikel sowie Photokatalysatoren in die offene Porenstruktur einzubringen. Die technische Herausforderung bei der Entwicklung einer derartigen funktionalen Oberfläche bestand darin, das Eloxalschichtsystem so zu gestalten, dass die Einlagerung der Partikel gelingt, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Eloxalschicht (insbesondere den Korrosionsschutz) zu beeinflussen.

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben 22658 N wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit (AM Oberfläche)

Einleitung

Additive Fertigung (AM) ermöglicht die Herstellung hochbelasteter Metallbauteile mit komplexen Geometrien –besonders für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Die Oberflächenqualität von AM‑Bauteilen ist jedoch im As‑printed‑Zustand oft unzureichend; oberflächennahe Defekte wirken als Rissstarter und reduzieren die Ermüdungsfestigkeit drastisch.

Lösungsansatz

Durch gezielte mechanische Oberflächennachbehandlungen – Kugelstrahlen, Festwalzen und Diamantglätten – werden Druckeigenspannungen in die Randzone eingebracht, Rauheit reduziert und Porosität verringert. Im Projekt wurden praxisnahe, KMU‑taugliche Auslegungs‑ und Bewertungsmethoden auf Basis der etablierten FKM‑Richtlinien entwickelt.

Nutzen für KMU

Kosten‑ und zeiteffiziente Nachbehandlung: Standard‑
Werkzeugmaschinen (Dreh‑/Fräsmaschinen) können Festwalz‑ und Glättwerkzeuge direkt aufnehmen.

Direkte Integration in die Produkt‑Design‑Phase: Die entwickelten KMU‑tauglichen Auslegungs‑ und Bewertungsmethoden ermöglichen die Planung der Oberflächennachbehandlung bereits während der Bauteilkonstruktion.

Wettbewerbsfähigkeit: Durch die gezielte Steigerung der Ermüdungsfestigkeit können KMU neue Märkte in sicherheitsrelevanten Bereichen (Luft‑/Raumfahrt, Automotive, Energie) erschließen.

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22833 N wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung einer kostengünstigen Nickel-Zink-Doppelfluss-Batterie für den Einsatz als stationärer Stromspeicher (Verbundprojekt NiZiFlow²)

Im Zuge der Energiewende stehen vor allem Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität und andere mobile Anwendungen im Fokus der Entwicklung. Weniger Beachtung finden stationäre Speicher, bei denen auch andere Speichersysteme vorteilhaft sind. Insbesondere Redox-Flow-Batterien (Redox-Flussbatterien), bei denen die Energie im Elektrolyten gespeichert ist und dieser kontinuierlich durch die Zelle gepumpt wird. Dadurch hängt die speicherbare Energie vom Tankvolumen des Elektrolyten ab und die Leistung der Zelle von der Pumpgeschwindigkeit und den absoluten Elektrodenflächen. Energie und Leistung sind damit anders als bei Lithium-Ionen-Batterien unabhängig voneinander skalierbar. Zudem lassen sich große Energiemengen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien deutlich kostengünstiger speichern, bei gleichzeitig längerer Lebensdauer.

Unter den Flussbatterien sind aktuell vor allem Vanadium-Redox-Flussbatterien verbreitet. Diese Systeme weisen jedoch eine vergleichsweise niedrige Energiedichte auf und enthalten teures und gesundheitsschädliches Material auf Vanadium-Basis. Außerdem ist die Membran innerhalb der Zelle aufgrund ihrer chemischen Instabilität gegenüber Vanadiumspezies eine kritische Komponente. Im Gegensatz dazu sind Flussbatterien auf Basis von Nickel und Zink vergleichsweise umweltfreundlich, günstig, gut verfügbar und versprechen eine hohe Energiedichte. In diesem Projekt wurde daher ein neues Batteriesystem erforscht, bei dem Flüssigkeiten oder Pasten basierend auf Zink und Nickel-Oxiden bzw. -Hydroxiden genutzt werden.

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DANKSAGUNG

Das Verbundvorhaben NiZiFlow² wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung von korrosionsschützenden, verschleißbeständigen und REACH-konformen Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten zum Schutz von Stahlbauteilen (RefMagS)

Im IGF-Forschungsvorhaben „RefMagS“ wurden Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten (RM-Mg-N-Schichten) zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von nicht oder niedrig-legierten Stahlbauteilen entwickelt. Anwendungsbereiche sind z.B. dort angesiedelt, wo auch Hartchrom eingesetzt wird, wie z.B. bei Kolbenstangen, Motorventilschäften, Wälzlagern, Extruderschnecken, Fadenführungen (Textil) etc.

Es wurden dabei in der ersten Phase des Projekts mittels kombinatorischer Materialsynthese unter Einsatz aller 9 Refraktärmetalle (RM) insgesamt 540 verschieden Schichtsysteme erzeugt und charakterisiert. Als Substratmaterials kam primär polierter und sandgestrahlter Schnellarbeitsstahl (HSS), aber auch Glas zum Einsatz. Das mechanische Verhalten wurde in dieser ersten Projektphase primär mittels instrumentierter Eindringprüfung bestimmt. Die korrosionsschützenden Eigenschaften der RM-Mg-N-Schichten auf HSS wurden im neutralen Salzsprühtest (NSS) ermittelt. Außerdem wurde auch das freie Korrosionspotential (OCP) der Schichten in 0,8 molarer Kochsalzlösung auf Glas erfasst. Ergänzend wurden aber auch Farbmessungen durchgeführt um auch Einsatzmöglichkeiten der Schichten auf dem dekorativen Sektor auszuloten. Im letzteren Bereich zeigten insbesondere die RM-Mg-N-Schichten auf Basis der Refraktärmetalle der IV. Nebengruppe (Ti, Zr, Hf) interessante Farben. Am Ende des ersten Projektabschnitts wurden aufgrund der erarbeiteten Ergebnisse die Systeme ZrMgN und NbMgN für nähere Untersuchungen in Phase 2 des Projektes ausgewählt.

Insgesamt konnten korrosionsschützende, harte ZrMgN-Schichten entwickelt werden, die sich auch für industrielle Abscheidung mittels Magnetron-Sputtern eignen. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens REACH-konforme RM-Mg-N-Schichten zu entwickeln, welche einerseits schon bei geringeren Mg-Gehalten einen signifikanten Korrosionsschutz bieten und andererseits auch eine entsprechend hohe Härte aufweisen konnte somit erreicht werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht jedoch in der Verbesserung der tribologischen Eigenschaften sowie in einer weiteren Optimierung der korrosionsschützenden Eigenschaften.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21989 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Schonendes TLP-Fügeverfahren bei Prozesstemperaturen unter 150°C durch Anwendung ternärer Systeme (LowTemp-TLP)

Das Fügeverfahren Transient-Liquid-Phase- (TLP-) Bonding kommt aus dem Bereich der metallischen Niedertemperaturverbindungstechnik und kombiniert damit die positiven Eigenschaften von metallischen Verbindungen, wie beispielsweise mechanische Stabilität und Leitfähigkeit mit dem Vorteil niedriger Prozesstemperaturen. Dies ist möglich, da im Prozess durch Diffusion aus einer niedrig- und einer hochschmelzenden Phase eine temperaturbeständige intermetallische Phase entsteht. In der Kombination Silber (Ag) und Zinn (Sn) kann so beispielsweise bei einer Prozesstemperatur von 250 °C eine Verbindung erzeugt werden, die bis über 400 °C stabil ist. Im Vergleich zu anderen temperaturstabilen Verfahren, wie eutektischem Bonden, AuSn-Löten oder auch Glaslöten sind die TLP-Verfahren daher im Vorteil, da die Differenz zur Raumtemperatur nach dem Prozess und damit auch der thermo-mechanische Stress geringer ist.

Genau dieses Verfahren mit dem binären AgSn-System wurde im IGF-Projekt „Sensor-TLP“ (18476N) bereits durch Hahn-Schickard und IMTEK grundlegend erarbeitet. Dabei zeigten sich allerdings aufgrund der Prozess- und Verbindungseigenschaften die Defizite.

Abschließend kann festgehalten werden, dass, durch die erfolgreiche Abscheidung der TLP-Materialsysteme in der erforderlichen Qualität, durch die Planung, Durchführung, Auswertung und Charakterisierung Proben aus den unterschiedlichen Versuchsreihen sowie die abschließende Verifikation der Versuchsergebnisse anhand von zwei Funktionsmustern, die im Projektantrag gesteckten Ziele erfolgreich umgesetzt werden konnten.

DANKSAGUNG

Das IGF-Vorhaben 01IF21868N der Forschungsvereinigungen Hahn-Schickard-Gesellschaft und Edelmetalle und Metallchemie wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovation im Zinkdruckguss – Erzeugung spiegelglänzender Gussoberflächendurch trennmittelfreie Fertigung (GlossyCast)

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Erprobung einer neuartigen, dauerhaft beständigen Beschichtung für Zinkdruckgusswerkzeuge. Diese sollte die Herstellung maßhaltiger Zinkdruckgussbauteile mit hoher Oberflächenqualität ohne jeglichen Trennmitteleinsatz gestatten. Neben reduzierter Taktzeiten im Zinkdruckgießprozesses sollen aufgrund der gesteigerten Oberflächenqualität der Bauteile bei der Nachbearbeitung und Beschichtung Material und Kosten eingespart werden.

Am Fraunhofer IFAM wurden plasmapolymere Beschichtungen für Zinkdruckgusswerkzeige weiterentwickelt und optimiert, wobei neben den trennenden Eigenschaften insbesondere die mechanische und thermische Stabilität der Beschichtungen im Fokus stand. Zusammenfassend zeigten die Laboruntersuchungen, dass harte und dünne Beschichtungen die beste Eignung für die beabsichtigte Anwendung aufweisen.

Die trennmittelfrei hergestellten Zinkdruckgussbauteile wurden am fem hinsichtlich ihrer Beschichtbarkeit und Korrosionseigenschaften sowie einer Veränderung des Nachbearbeitungsaufwandes im Vergleich zu konventionell hergestellten Bauteilen untersucht.

Die Weiterentwicklung des bisherigen Verfahrens führt zu Bauteilen mit vergleichbaren bzw. verbesserten Eigenschaften bei gleichzeitig verkürzten Gesamtprozesszeiten sowie einer deutlichen Einsparung von Materialien und Kosten. Das Verfahren kann bei der Herstellung von Zinkdruckgussbauteilen für dekorative und technische Anwendungen eingesetzt werden.

Die im Rahmen des AiF-Projektes „GlossyCast“ gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass eine trennmittelfreie Serienfertigung von Zinkdruckgussteilen bei der Verwendung von plasmapolymeren Beschichtungen und einer passenden Formauslegung problemlos möglich ist. Das hier erarbeitete Fertigungskonzept birgt somit enorme wirtschaftliche, technologische und auch ökologische Vorteile, welche sowohl der Zinkdruckguss- als auch der Galvanotechnikbranche zukünftig dabei helfen kann, im internationalen Wettbewerb zu bestehen.

DANKSAGUNG

Das Vorhaben 01F21279 N wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Simulation des Schmelzbads bei der additiven Fertigung von Metallteilen

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden bedeutende Fortschritte in der pulverbettbasierten additiven Fertigung mittels Laser erzielt. Die Integration dieser Technologie in industrielle Produktionsprozesse ist ein Zeugnis ihrer fortschreitenden Reife. Parallel dazu konzentriert sich die Forschung auf die wissenschaftliche Durchdringung des Verfahrens. Das Projekt fokussierte sich speziell auf die Simulation des Schmelzbades und dessen experimentelle Validierung. Untersuchungsgegenstände waren dabei die verbreiteten Materialien Stahl (316L), Aluminium (AlSi10Mg) und Titan (TiAl6V4).

Die Simulationsmodelle basierten auf thermophysikalischen Materialparametern und wurden individuell angepasst. Das vom Fraunhofer IWM entwickelte Ausgangsmodell wurde hierfür weiterentwickelt und optimiert. Simulationsergebnisse wurden durch experimentelle Untersuchungen validiert und mit den Vorhersagen der kommerziellen Simulationssoftware Flow3D verglichen.

Das Projektziel bestand darin, ein detailliertes Prozessverständnis zu entwickeln, um die limitierten Beobachtungsmöglichkeiten der hohen Verfahrensgeschwindigkeiten zu kompensieren. Langfristig soll dieses Wissen dazu beitragen, den Einfluss spezifischer Materialparameter auf das Fertigungsergebnis zu ermitteln und so die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien zu erleichtern.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21470 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung der Prozesstechnologie für massive metallische Gläser auf Platinbasis mit dem Ziel einer Industrialisierung am Beispiel des Uhren- und Schmucksektors

Platinbasierte massive metallische Gläser (Pt-MMG) sind revolutionäre Schmucklegierungen mit besonderen Eigenschaften. Ihre hervorragende Oberflächengüte und hohe Gusshärte (400–500 HV1) begünstigt die präzise, formgetreue Abbildung und macht die Nachbearbeitung überflüssig. Pt-MMG sind hart wie Stähle, besitzen aber eine kunststoffähnliche Elastizität und Flexibilität. In einem Forschungsprojekt konnten diese Platingläser erstmals mit dem in der Schmucktechnologie etablierten Feingießverfahren verarbeitet werden. Dank ihrer einzigartigen Qualitäten eröffnen sich der Luxusgüterindustrie damit völlig neue Designmöglichkeiten.

Dem fem und seinem Forschungspartner LMW ist es gelungen, gemeinsam mit Partnern aus der Industrie das industrielle Potenzial von Pt-MMG am Beispiel von Uhren- und Schmuckanwendungen zu demonstrieren und den Technologiereifegrad anzuheben. Mit den amorphen Platinlegierungen konnten feine Geometrien mit komplexen Füllwegen realisiert werden. Die Schmuckobjekte sind trotz ihrer filigranen Struktur mechanisch stabil und weisen eine außerordentlich hohe elastische Verformbarkeit auf. Im Druckgusserfahren konnten zudem auch massivere Bauteile wie Uhrenlünetten hergestellt werden. KMU bietet diese neue Technologie die Chance, in den Platinschmuckmarkt einzusteigen und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Lisa-Yvonn Schmitt freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21469 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Qualifizierung von standardisierten Langzeitversuchen an Kupferwerkstoffen zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für CAE-Anwendungen

Die in der Praxis eingesetzten Langzeitversuche zu Charakterisierung des Materialverhaltens von Kupferwerkstoffen sind nur begrenzt geeignet, um daraus belastbare Eingangsdaten für CAE-Anwendungen (bspw. Finite Elemente Methode, FEM) zu ermitteln. Aufgrund steigender Anforderungen an Bauteile aus Kupferwerkstoffen, z.B. bei elektrischen Steckverbindern, ist für die sichere und ressourceneffiziente Bauteilauslegung eine genauere Kenntnis dieser Eingangsdaten jedoch unerlässlich. Das Ziel dieses Vorhabens bestand darin, eine Methode zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für Kupferwerkstoffe aus den Langzeitversuchen in Anlehnung an die ASTM [AST13] zu entwickeln. Die daraus ermittelten Parameter können den Kupferwerkstoff genauer beschreiben und sind als direkter Input für die simulative Bauteilauslegung nutzbar.

Im Vorhaben wurde davon ausgegangen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messgrößen der ASTM-Versuche (z.B. Cantilever-Versuch) und den zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften von Kupferwerkstoffen existiert. Dieser ist jedoch aus diesen Versuchen nicht direkt bestimmbar. Mittels numerischer Methoden und basierend auf maschinellen Lernverfahren sollte dieser Zusammenhang ermittelt werden. Zur Ermittlung der hierfür erforderlichen experimentellen Daten wurde ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Damit wurde es möglich, aus den Messgrößen eines ASTM-Versuchs das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten bzw. die Materialparameter für ein gewähltes Werkstoffmodell direkt und kostengünstig zu bestimmen.

Der Nutzen des Vorhabens besteht darin, dass aus bereits etablierten Standardversuchen deutlich genauere Informationen über das Langzeitverhalten von Kupferwerkstoffen ermittelt werden können, ohne dass der experimentelle Aufwand dafür steigt. Von KMUs können die Ergebnisse als direkter Input für CAE-Anwendungen genutzt werden. Zudem können KMUs durch die genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens Bauteile besser, kosteneffizienter und ressourcenschonender auslegen, als es bisher möglich war. Die Ergebnisse des Vorhabens können auf andere Werkstoffe übertragen werden, bei denen das Langzeitverhalten ebenfalls relevant ist.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Karin Pfeffer freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21114 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovativer Kompositwerkstoff für den Feinguss von Titanlegierungen

Die Herstellung komplexer technischer Bauteile aus Titanlegierungen im Feingussverfahren ist für Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik, Medizintechnik und die Luxusgüterbranche von großem Interesse. Der Keramikwerkstoff Calciumzirkonat (CaZrO₃) ermöglicht den äußerst anspruchsvollen Feinguss von Titan, weist jedoch Schwächen bei Temperaturwechselbelastungen auf. Tiegel aus CaZrO₃ zeigen aufgrund des Thermoschocks bereits nach einem Abguss Risse und sind danach nur begrenzt wiederverwendbar.

Dem fem ist es gelungen, durch die Zugabe von elektrogesponnenen CaZrO₃-Nanofasern einen innovativen Kompositwerkstoff zu erzeugen, der dieses Problem löst. Im Forschungsprojekt wurde nachgewiesen, dass der Werkstoff dank der modifizierten Mikrostruktur eine deutlich höhere Stabilität gegen thermische Belastungen und folglich eine hohe Restfestigkeit nach dem Abguss besitzt. Dadurch sind CaZrO₃-basierte Komposit-Tiegel endlich für den mehrmaligen Einsatz im Feinguss geeignet. Diese Entwicklung ermöglicht es Feingießereien, hochreaktive Legierungen in hoher Qualität deutlich effizienter und wirtschaftlicher zu verarbeiten.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unser Experte Florian Bulling freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21706 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.