Gewählte Kategorie Materialwissenschaften
Haifischhaut für Flugzeuge
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Der Biologie abgeschaut: Lack zur Reduzierung des Strömungswiderstandes
Es gibt nicht nur einen Grund, den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen und Schiffen zu senken. Es reduziert Kosten, ist aber auch ein Beitrag zum Klimaschutz durch Absenkung des CO2-Ausstoßes. Die Reduzierung des Strömungswiderstandes ist auch in der Luft und auf dem Wasser ein probates Mittel dafür. Um solche – heute schon strömungsoptimierte Formen – weiter zu verbessern, ist es notwendig, die Mikrostruktur der Oberfläche zu verändern. Der vor über 30 Jahren entdeckte Riblet-Effekt bei Haien kann hier weiterhelfen. Er beschreibt die nur Mikrometer tiefen Längsrillen, die das Strömungsverhalten des Hais optimieren. Diese biologische Methode ist auch die Grundlage für eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. Dr. Vokmar Stenzel, Yvonne Wilke und Manfred Peschka haben einen Lack samt Applikationstechik entwickelt, der den Strömungswiderstand von Flugzeugen verbessert.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2010
Starkes Duo: Keramik und Diamant
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Fraunhofer-Institut entwickelt neuartige Beschichtung für Bauteile und Werkzeuge aus Keramik
Ein Material mit hohem Verschleißschutz zu entwickeln, war das Ziel eines Teams aus Forschung und Industrie. Ihre Lösung verleiht besonders beanspruchten Werkzeugen und Bauteilen eine längere Lebensdauer bei verbessertem Einsatzverhalten. Die grundlegende Idee war es, die Eigenschaften von Keramik mit denen von Diamant zu verbinden. Möglich wurde die Umsetzung dieser Idee durch Entwicklungen am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden. Dr. Mathias Herrmann und sein Team verbesserten die Haftfähigkeit der Diamantbeschichtung auf Keramik-Oberflächen. Damit konnten Dr. Lothar Schäfer und Dr. Markus Höfer vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig in einem aufwändigen Prozess Gleitringdichtungen mit dem härtesten aller Stoffe beschichten. Das Material bestand bei der Firma Eagle Burgmann, einem der weltweit führenden Hersteller von Dichtungen, den Belastungstest bereits erfolgreich. Die Kombination von Keramik und Diamant ist künftig für viele Anwendungen denkbar – zum Beispiel für Komponenten im Maschinenbau oder für Werkzeuge mit besonders hohem Verschleiß.
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Polytronische Herstellung von Bauteilen
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Ultraflache Transistoren und flexible Batterien
Seit die Wissenschaft Ende der siebziger Jahre entdeckt hat, dass Kunststoffe auch elektrischen Strom leiten und leuchten können, sind zwei Bereiche zu einer neuen Disziplin verschmolzen: zur Polytronik. Sie könnte zu einer Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts werden. Mit ihr soll es zu einem dramatischen Preisverfall in der Massenproduktion von elektronischen Bauteilen kommen. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in München, kurz IZM, ist Deutschlands Polytronik-Schmiede. Hier erforscht das Team um Prof. Karlheinz Bock die polytronische Herstellung von ultraflachen Transistoren, Leuchtelementen und flexiblen Batterien. Dazu müssen die Münchener Forscher ungleiche Werkstoffe wie Metalle und Kunststoffe kombinieren. Ziel ist es, diese Bauteile von „Rolle zu Rolle“ zu produzieren und so geringe Stückpreise zu ermöglichen.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2010
Hologramm-Kopierschutz für Massenprodukte
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Sprengprägen verhindert Technologieklau
Produktpiraterie verursacht weltweit Schäden in Milliardenhöhe. Experten schätzen, dass rund zehn Prozent des Welthandelsvolumens mit gefälschten Produkten erzielt werden. Mit dem Verfahren des Sprengprägens wird Kopierschutz nun auch für Massenware möglich. Erarbeitet wurde die patentierte Technologie von Dipl.-Ing. Günter Helferich vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal. Er erhielt für die Entwicklung dieses Plagiatschutzes einen der Joseph-von-Fraunhofer-Preise des Jahres 2009. Das Sprengprägen ermöglicht das unmittelbare Strukturieren von Metalloberflächen. Mit diesem Verfahren lassen sich sogar die Strukturen weicher holografischer Prägevorlagen – Nickelshims – in Formeinsätze für das Spritzgießen übertragen. Mittels der auf diese Weise strukturierten Formen lassen sich Kunststoff-Massenprodukte ohne zusätzlichen Arbeitsprozess mit deutlich sichtbarem Hologramm als Kopierschutz fertigen. Damit sind alle Bauteile über den in Kunststoff eingegossenen Fingerprint eindeutig zu identifizieren. Das Sprengprägen holografischer Strukturvorlagen ist nicht kopierfähig – selbst wenn identische Vorlagen verwendet würden, denn dieser Vorgang lässt sich von Produktfälschern niemals im Detail nachvollziehen – der ideale Piraterieschutz also.
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Kostengünstige und effektive Keramikfilter
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Wenn das Eckige ins Runde muss
Für Pkw sind Partikelfilter schon Standard bei der Erstausrüstung. Baumaschinen, Stadtbusse oder Müllwagen, die in wesentlich kleineren Serien produziert werden, sollen demnächst nachziehen. Die Herstellung solch kleiner Serien ist momentan nur sehr aufwändig und unflexibel möglich. Fraunhofer-Forscher am Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden entwickelten ein neues Material und Design für Keramikfilter; sie können so kostengünstig produziert werden. In Zusammenarbeit mit der HUSS Umwelttechnik GmbH stellten die Fraunhofer-Forscher den kompletten Fertigungsprozess auf die Füße, um robuste Dieselpartikelfilter in kleiner Serie herzustellen.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2009
Edelsteine – optimal verwertet
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Elektronisch gesteuerte Schleifmaschine hilft Rohstoff sparen
Edelsteine beginnen erst durch den richtigen Schliff zu funkeln. Beim Schleifen muss man aber nicht nur auf den schönen Schliff mit exakt angelegten Facetten achten, sondern auch darauf, dass der wertvolle Rohstein so wenig wie möglich an Volumen verliert. Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern arbeiten Dr. Anton Winterfeld und Dr. Peter Klein. Ihre Aufgabe: die über mehrere Jahrhunderte erarbeiteten Kenntnisse der Schleifer in einem mathematischen Prozess abzubilden. Das Ergebnis: eine Software und eine daran angeschlossene Schleifmaschine. Um diese Software zu entwickeln, nutzten die Forscher ein spezielles Feld der Mathematik: die allgemeine semi-infinite Optimierung. Semi-infinit heißt: die zu wählenden Freiheiten bei der Festlegung eines Designs unterliegen unendlich vielen Nebenbedingungen. Edelsteine, mit dem Prototyp der elektronisch gesteuerten Maschine geschliffen, haben durchschnittlich dreißig Prozent mehr Volumen als beim herkömmlichen manuellen Schleifen.
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Chips von der Rolle
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Preiswerte Elektronik-Bauteile dank Polytronik
Kostengünstige Kunststoff-Chips, flexible Displays und flache Folienbatterien ermöglichen neue Baukonzepte für eine Vielzahl innovativer Produkte. Grundlage dafür ist die Produktion in Massenfertigung aus preiswertem Material – kurz: Chips von der Rolle. Polytronik nennen die Fraunhofer-Forscher am Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration diese neue Technologie, die Polymere als Basis für eine neue Low-Cost-Elektronik nutzt. Überall da, wo Elektronik flach, flexibel oder billig sein muss, können Polymere ihre Vorteile ausspielen. Schon jetzt demonstrieren Bauteile wie kleine OLED-Displays, Folienbatterien und Plastikchips die Machbarkeit. Das Potenzial ist riesig. Eine multifunktionale Folie kann neben Chip und Antenne oder Spule auch Sensoren, ein kleines Display und eine Batterie enthalten. Das Spektrum ist breit. Es reicht von intelligenten Etiketten, Grußkarten, Papierspielzeug über Chipkarten mit Display und Identifikationssystemen, die in Papier, Verpackungen und Kleidung integriert werden, bis hin zum intelligenten Pflaster mit eingebauter Sensorik oder gar zur elektronischen Zeitung und dem vollpolymeren Foliencomputer. Eine stufenweise Entwicklung wird künftig zu vollpolymeren Systemen führen. Aus Polymeren können dann elektronische Schaltkreise mit einfachen Drucktechniken – ohne aufwendige Reinraumtechnik wie heute – produziert werden. Diese massenhaft und billig produzierbaren Chips von der Rolle werden Waren zunehmend “intelligent” und die Elektronik allgegenwärtig machen.
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Implantat mit Orangenhaut
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Neues Verfahren für die Herstellung von Hüftgelenken
Derzeit implantieren deutsche Ärzte jährlich rund zweihunderttausend künstliche Hüftgelenke – Tendenz steigend. Eine gute Stunde dauert die Operation und ist in vielen Krankenhäusern schon ein Standard. Trotzdem: Die Oberflächenstruktur der Implantate lässt sich noch deutlich verbessern. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben 2008 ein Verfahren entwickelt, mit dem sich individuelle Implantate innerhalb weniger Stunden fertigen lassen. Weitere Besonderheit dieser Implantate: dank ihrer rauen Oberfläche bieten sie beste Voraussetzungen dafür, dass das Knochengewebe schnell und fest anwachsen kann.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2008
Experten-Interview: Prof. Dr. Peter Fratzl
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Materialwissenschaft analysiert Knochenstruktur
Der Physiker Prof. Dr. Peter Fratzl befasst sich mit der Analyse des Knochenaufbaus im molekularen Bereich. Zu den Fragestellungen gehört unter anderem die Untersuchung des Phänomens Knochenbruch. Diese Forschungen haben konkrete Anwendungen in der Medizin. Beispielsweise helfen sie, die Entstehung der Osteoporose, also des Knochenschwunds, besser zu verstehen. Sehen Sie hier ein Interview, das Susanne Päch anlässlich des Weltkongresses der Medizintechnik 2009 mit ihm geführt hat.
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