Unsere Kernkompetenzen

Technologieentwicklung
 

Moderne Werkstoffe müssen anspruchsvollen Eigenschaftsprofilen genügen. Sie sollen nicht nur leicht, belastbar, biokompatibel, langlebig und „smart“ sein, auch ihre Herstellung, Verarbeitung und Entsorgung soll ökonomisch, ressourcen- und materialeffizient sein. Um diese und ähnlich komplexe Anforderungen zu realisieren, bedarf es neben der reinen Materialentwicklung einer breiten Palette an ausgefeilten Werkstofftechnologien. Oft entscheiden die Herstellungs-, Be- und Verarbeitungsprozesse  darüber, wie leistungs- und wettbewerbsfähig ein Werkstoff und damit letztlich die daraus hergestellten Produkte in der Praxis tatsächlich sind.  Mit der Entwicklung fortschrittlicher Werkstofftechnologien leisten die Institute des Fraunhofer-Verbundes MATERIALS signifikante Beiträge zur Lösung wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Herausforderungen. Zu den Arbeitsgebieten der Institute zählen die Entwicklung und der Einsatz von ausgewählten Technologien zur Oberflächenveredelung, Beschichtung und Funktionalisierung von Materialien ebenso wie die Weiterentwicklung und Optimierung von Füge- und Bearbeitungsverfahren oder die Entwicklung ganz neuer Prozesse und Verfahren, von der Polymersynthese,  über Mikroformung und Rapid Prototyping bis hin zum Recycling.

Materialentwicklung
 

Bei der überwiegenden Zahl aller Produktinnovationen spielen Werkstoffe eine entscheidende Rolle. Entweder sind Werkstoffinnovationen impulsgebend für die Entwicklung eines neuen Produktes oder die Produktentwicklung definiert konkrete Anforderungsprofile für neu zu entwickelnde bzw. zu verbessernde Werkstoffe. Studien zufolge basieren ca. 70% aller neuen Erzeug­nisse auf neuen Werkstoffen. Auch unter Kostenaspekten gewinnen Materialien zunehmend an Bedeutung, während durch die fortschrei­tende Automatisierung im produzierenden Gewerbe der Anteil der Personalkosten sinkt.

Die Institute des Fraunhofer-Verbundes MATERIALS tragen auf dem Gebiet der Materialentwicklung  in einer großen Spannweite zu Innovationsprozessen bei. Einige Beispiele für erfolgreiche Materialentwicklung  bei Fraunhofer sind etwa polymere Hochleistungsfasern für den Leichtbau, keramische Fasern für Hochtemperaturanwendungen, für Spezialanwendungen optimierte Matrixharze oder Faserverbünde. Entwicklungen finden im Bereich nanoskaliger  Materialien, Halbleitermaterialien, Phasenwechselmaterialien oder „smarter“ Materialien statt. Spezialkeramiken gehören ebenso in das FuE-Spekturm wie funktionale Polymere mit spezifischen elektrischen, elektrooptischen, optischen und mechanischen Eigenschaften oder die gezielte Einstellung von Eigenschaftsprofilen durch neue Additive. Ein spezielles Augenmerk gilt der Werkstoffentwicklung aus biobasierten Materialen und aus Recyclaten.

Werkstoffmodellierung und Simulation

Moderne Werkstoffentwicklung findet mit Blick auf den späteren Einsatzzweck in Produkten auf Basis einer klaren Definition von Zieleigenschaften für den Werkstoff statt. Idealerweise können diese Zieleigenschaften bis auf die Mikrostrukturebene herunter gebrochen werden. Mit Simulationstechniken entwerfen Fraunhofer-Wissenschaftler neue Materialien am Rechner und testen deren Eigenschaften virtuell, über viele Skalen hinweg. Sie erheben Materialdaten, erarbeiten entsprechende Materialmodelle und sagen etwa voraus, wie sich ein Kunststoff-Compound im Spritzgussprozess verhält. Sie untersuchen am Rechner, ob die maßgeschneiderte Antireflexbeschichtung für Solarzellen die gewünschten Eigenschaften im Einsatz beibehält oder wie sich sicherheitskritischen Zonen einer Leichtbaukarosserie beim Zusammenprall mit einem Hindernis verhalten. Mit Methoden der Werkstoffmodellierung, passenden Simulationsinstrumenten und dem entsprechenden Expertenwissen lassen sich kosten- und zeitintensive Versuchsreihen im Umfang reduzieren und Entwicklungszeiten deutlich verkürzen. In den Instituten des Fraunhofer-Verbundes MATERIALS werden Modellierungs- und Simulationstechniken eingesetzt und anwendungsspezifisch weiterentwickelt.

Bewertung des Einsatzverhaltens

Fraunhofer-Wissenschaftler entwickeln im Auftrag ihrer Kunden Werkstoffe und Technologien passend für den jeweiligen Einsatzzweck, ob für den Fahrzeugbau, die Medizintechnik oder die Energieerzeugung, ob für statische oder hoch dynamische Beanspruchungen. Damit die Werkstoffe bzw. die daraus hergestellten Bauteile und Produkte im Praxiseinsatz tatsächlich bestehen können, wird der Entwicklungsprozess  in seinen verschiedenen Stufen durch jeweils passende Methoden der Analyse, Charakterisierung und Prüfung bis hin zur Qualitätskontrolle und Einsatzerprobung begleitet. Die Fraunhofer-Institute im Verbund MATERIALS bieten ein umfassendes Spektrum an Methoden und Verfahren zur Prüfung und Bewertung von Funktionalität einerseits sowie von Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit andererseits. Dafür stehen über den gesamten Werkstoff- bzw. Produktlebenszyklus, auf der Mikro- wie auf der Makroskala zahlreiche numerische wie experimentelle Verfahren, hier zerstörende wie auch nicht-zerstörende Verfahren, zur Verfügung. Dazu zählen auch „intelligente“ Methoden des Structural Health Monitoring oder des in-line Monitoring von Fertigungsprozessen, z. B. mittels Computertomographie. In dem Maße, in dem Werkstoffe und Produkte weiter entwickelt werden, erfahren auch Prüfverfahren und Bewertungsmethoden den Innovationsprozess.