Unsere Kernkompetenzen

Der Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile – Materials nutzt seine Expertise von den materialwissenschaftlichen Grundlagen bis zu werkstofftechnischen Systemlösungen, um Innovationen für die Märkte seiner Kunden und Partner zu schaffen. Die Basis hierfür ist seine skalenübergreifende Materialkompetenz entlang industrieller Wertschöpfungsketten:

• Materialdesign, -entwicklung und -synthese
• Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung, Datengenerierung
• Materialverarbeitung und Prozesstechnologien
• Modellierung, (Multiskalen-)Simulation, MaterialDigital
• Bewertung und Bewertungsmethoden von Materialien in Bauteilen und Systemen

Materialdesign, -entwicklung und -synthese

Die Entwicklung von Materialien mit gezielten Eigenschaften sowie die Optimierung von Materialien und Werkstoffen stehen im Fokus des Kernkompetenzbereichs Materialdesigns, -entwicklung und –synthese. Auf Basis umfangreicher Kenntnisse der chemischen, strukturellen und physikalischen Eigenschaften, des Materialverhaltens in unterschiedlichen Umgebungen können durch die gezielte Auswahl und Kombination von Elementen und Verbindung sowie durch die Expertise in der Prozessführung Materialien und Werkstoffe mit spezifischen Zieleigenschaften (z.B. Festigkeit, Elastizität, Härte, Leitfähigkeit, Flexibilität oder Transparenz) geschaffen werden. Hierzu benötigt es interdisziplinäres Wissen und Fähigkeiten von den Grundlagen bis zur konkreten Anwendung in Chemie, Physik, Materialwissenschaft und in den Ingenieurwissenschaften.

Unsere Mitgliedsinstitute arbeiten im Kompetenzfeld Materialdesign-, -entwicklung und –synthese mit Industriepartnern, Universitäten und Forschungsinstituten zusammen, um innovative Materialien für eine Vielzahl an Anwendungen zu schaffen. Dabei werden alle Stoffgruppen abgedeckt: organische, anorganisch-metallische, anorganisch-nichtmetallische, hybride Materialien, sowie Verbundwerkstoffe, sowohl auf Makroebene (z.B. energieeffiziente Baumaterialien, Werkstoffe für die Automobilindustrie, biobasierte Materialien) als auch auf Mikro- und Nanoskala (z.B. Carbon Nano Tubes, leistungsfähige Komponenten für Batterien).

Gerne helfen wir Ihnen den passenden Partner für Ihr Projekt zu finden.

Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung, Datengenerierung

Die Untersuchung der Eigenschaften von Materialien, Werkstoffen und Bauteilen erfolgt durch physikalische, biologische, (elektro-)chemische, thermische und mechanische Charakterisierung sowie durch Überwachung der Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse unter Nutzung hochmoderner Analysegeräten und Softwaretools. Die generierten Daten dienen als Grundlage für die Charakterisierung, Bewertung und Validierung von Werkstoffen und Bauteilen.

Die Expertise unserer Mitgliedinstitute im Kernkompetenzbereich »Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung, Datengenerierung« spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Werkstoffen und Bauteilen, bei der Produktentwicklung, für die Sicherheit von Produkten sowie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung und Qualitätssicherung von Produktionsprozessen. Dabei wird technologische Bandbreite von der optischen Spektroskopie, über PCR-Verfahren hin zu Hochdynamikexperimenten und Ermüdungsverhalten genutzt, um aussagekräftige Analysen der Materialeigenschaften liefern zu können. Die Datengenerierung und die damit verbundene Bereitstellung von relevanten experimentellen Daten sind Grundsteine zur Digitalisierung der Materialwissenschaft (siehe hierzu auch unser Kernkompetenzfeld »Modellierung«).

Gerne helfen wir Ihnen weiter, um den passenden Partner zur analytischen Untersuchung ihres Werkstoffs oder Bauteils zu finden.

Materialverarbeitung und Prozesstechnologien

Der Weg vom Material über den Werkstoff bis hin zum Produkt und Bauteil, sowie den notwendigen Zwischenprodukten (Materialproben, Halbzeuge) wird im Kernkompetenzbereich »Materialverarbeitung und Prozesstechnologien« technisch umgesetzt.  Hierbei ist ein tiefgehendes Verständnis der Materialeigenschaften, sowie eine umfassende Kenntnis und Beherrschung von Verarbeitungs- und Prozesstechnologien erforderlich, um auf Basis innovativer, neuer Werkstoffe marktfähige Produkte mit den gewünschten Eigenschaften herstellen zu können

Zu den relevanten Technologien in diesem Bereich gehören etwa Additive Fertigungs- und Formgebungsverfahren, Füge- und Montagetechniken, eine Vielzahl keramischer Prozesse, Oberflächen- und Beschichtungstechnologien und vor allem das eigentliche Bauteil- und Produktdesign. Weitere bedeutsame Technologien liegen im Bereich des Recyclings, welches durch Aufbereitungsverfahren wie beispielsweise die elektrodynamische Fragmentierung oder Hydrometallurgische Verfahren und Kunststoff-Rückgewinnung zur wirtschaftlichen Nachhaltigkeit beitragen kann.

Unter Berücksichtigung von Aspekten wie Funktionalität und Qualität, Sicherheit, Umweltverträglichkeit, Energie- und Materialeffizienz, Produktivität und Wirtschaftlichkeit nutzen unsere Experten ihr Wissen, um die effizientesten Verarbeitungs- und Prozesstechnologien für definierte Anwendungen / Produkte zu identifizieren. Dies erfordert oftmals die Optimierung von bestehenden Fertigungsprozessen sowie die Entwicklung neuer Technologien.

Gerne helfen wir Ihnen weiter, die passenden Prozesstechnologien für Ihr Produkt zu finden.

Modellierung, (Multiskalen-)Simulation, MaterialDigital

»Digitale Materialzwillinge« und digitale Kopien von Werkstoffen und Bauteilen können genutzt werden, um Vorhersagen über das zu erwartende Material- und Produktverhalten zu treffen. Durch numerische Simulation und mathematische Modellierung unter Berücksichtigung von physikalischen Prinzipien und experimentellen Daten kann das Verhalten der Werkstoffe in Bauteilen und komplexen Systemen sowie die Wechselwirkung mit Herstellungsprozessen auf der Nano-, Mikro, Meso- und Makroskala widergespiegelt werden. Die digitalen Technologien ermöglichen ein detailliertes Verständnis sowie Vorhersagen der Materialeigenschaften und des Materialverhaltens unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und Prozessparametern. Dadurch wird eine Beschleunigung der Materialentwicklung und –optimierung, sowie die ressourcenschonendere Produktherstellung möglich.

Im Kernkompetenzbereich »Modellierung, (Multiskalen-)Simulation, MaterialDigital« nutzen und entwickeln unsere Mitgliedsinstitute Prozess-, Bauteil-, Material- und Systemsimulationen, sowie digitale Methoden, um Werkstoffe und Systeme zu analysieren, zu optimieren, innovative Lösungen zu finden, die Recyclingfähigkeit von Werkstoffen zu erhöhen und die Grenzen der derzeitigen Technologien zu erweitern. In zahlreichen Projekten und Initiativen setzt sich der Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile – Materials dafür ein, dass digitale Daten zu Materialien und Werkstoffen entlang der gesamten Wertschöpfungskette sowie vom Anfang bis zum Ende des Lebenszyklus erhoben und in Form von »digitalen Materialzwillingen« gespeichert werden.

Wir unterstützen Sie gerne bei der Suche nach dem richtigen Institut für Ihre digitale Anwendung.

Bewertung und Bewertungsmethoden von Materialien in Bauteilen und Systemen

Der Kernkompetenzbereich »Bewertung von Werkstoffen in Bauteilen und Systemen« zielt darauf ab, deren Eignung für spezifische Anwendungen und Anforderungen zu überprüfen und zu optimieren, Aussagen zu ihrer Zuverlässigkeit und Betriebsfestigkeit zu treffen und die Qualität von Werkstoffen und Produkten sicherzustellen. Die Werkstoffe in Bauteilen und Produkten werden neben der Untersuchung der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften unter verschiedensten Bedingungen (Laborumgebung, Auslagerung bei klimatischen Variationen, Prozesseinflussgrößen) auch hinsichtlich der Materialalterung, der Ermüdung, der Verschleißbeständigkeit, der Umweltverträglichkeit und der Kreislauffähigkeit analysiert.

Unsere Mitgliedinstitute nutzen eine Vielzahl an Technologien, Methoden und Tools, um aussagekräftige Evaluationen von Materialien in Bauteilen und Systemen hinsichtlich der jeweiligen Vorgaben treffen zu können (Auswahl):

• Bewertung des Verhaltens unter Laborbedingung mit analytischen Methoden und Prüfständen (z.B. für Brennstoffzellen oder Motoren)
• Sensorgesteuerte Zustandsüberwachung und –bewertung unter Umweltbedingungen, z.B. Structural Health Monitoring oder korrosives Verhalten
• Erstellung von Ökobilanzen (LCA) zur Analyse der Umweltwirkung von Produkten, Dienstleistungen und Verfahren entlang des Lebenszyklus, sowie der damit verbundenen Kosten (LCC)
• Sicherheitsanalysen und Schadensbewertung unter Beachtung von möglichen Fehlerarten im System zur Untersuchung resilienten Verhaltens
• Analyse von Systemen und Prozessen, wie etwa der Materialversprödung im Kontext von Wasserstofftechnologien

In Anbetracht der vielfältigen Bewertungsmethoden und –größen und ihrer Bedeutung für die Qualität von Bauteilen und Systemen ist die im Verbund Materials vorhandene fundierte Kenntnis in diesem Kompetenzbereich sowie die Verknüpfung der unterschiedlichen Fertigkeiten (z.B. Analyse, Überwachung und Vorhersage) von Bedeutung für innovative, nachhaltige und zuverlässige Lösungen.

Kommen Sie gerne auf uns zu, um Ihren passenden Partner zur Bewertung von Materialien in  Bauteilen und Systemen zu finden.