Laufende Verbundprojekte

In LASIBAT werden funktionelle keramische Werkstoffe, angepasste Schichtabscheidungsverfahren sowie ein skalierbarer Inline-Lasersinterprozess inklusive der notwendigen Lasersystemtechnik (Laserquelle, Optik und temperaturbasierter Regelung) für die Herstellung von Festkörperbatterien entwickelt. Das Lasersintern ermöglicht eine Reduktion der thermischen Belastung des unter der zu bearbeitenden Schicht liegenden Materials sowie eine Reduktion unerwünschter Diffusionsprozesse und Bildung von Nebenphasen, die sonst die Leistungsfähigkeit der Batterie reduzieren würden. Am Ende des Projekts wird Systemtechnik für einen Inline-Lasersinterprozess aufgebaut, um die Skalierbarkeit für einen möglichen industriellen Einsatz zu zeigen. Die Materialien für Kathoden- und Elektrolytschichten sind speziell auf das neue und vergleichsweise schnelle blaue Lasersinterverfahren abgestimmt. Aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von blauer Laserstrahlung bei den eingesetzten Materialien ermöglicht sie eine schichtselektive Erwärmung, die für das Sintern des Dünnschichtelektrolyten notwendig ist.

Das Ergebnis des Projekts ist (1) ein neues, an das schnelle Lasersintern angepasstes Festkörperbatterie-Materialsystem, das die Anforderungen an die Lebensdauer erfüllt und gleichzeitig zusätzliche Restriktionen wie z. B. Preis- und Umweltanforderungen erfüllt, (2) der Aufbau eines Demonstrators zur Validierung des Zellkonzepts der Festkörperbatteriezelle mit gemischter Kathodenschicht und eingesetzten Lasersinterverfahren und (3) die Entwicklung eines Versuchsaufbaus für ein skalierbares laserbasiertes Inline-Sinterverfahren mit blauer Laserstrahlung inkl. geschlossenen Temperaturregelkreises.

Im Rahmen der Energiewende und des Klimawandels gibt es ein wachsendes Interesse an der Nutzung von grünen Energieträgern. Im Vergleich zu Wasserstoff bietet grüner Ammoniak dabei verschiedene Vorteile wie eine größere Energiedichte und eine leichtere Verflüssigbarkeit. Die Festkörper-Ammoniaksynthese SSAS (Solid State Ammonia Synthesis) ist ein elektrochemisches Verfahren für die direkte Erzeugung von grünem Ammoniak aus Luftstickstoff und Wasserdampf. Im Rahmen des geplanten Vorhabens des Leibniz Institutes für Plasmaforschung und Technologie (INP), des Zentrums für Brennstoffzellentechnik (ZBT) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) werden innovative Produktionsverfahren zur Fertigung derartiger Zellen entwickelt. Dies umfasst das Spray-Coating und Magnetronsputtern von keramischen Dünnschichten auf metallischen Trägern sowie das anschließende Laser Annealing der abgeschiedenen Schichten. Nach Abschluss des Vorhabens sollen eine leistungsfähige Dünnschicht-basierte SSAS-Zelle und neue Erkenntnisse zu Degradation unter Operationsbedingungen vorliegen.

Ziel des SAHEP-Vorhabens ist die Entwicklung einer kostengünstigen Inline-Sonde für die Abwasseranalytik aufbauend auf dem Funktionsprinzip der 2D-Fluoreszenzspektroskopie. Eine neuartige Lichtquelle wahlweise auf Basis einer Einzelfilament-Plasmaentladung oder aber auf UV LED-Basis bietet die Möglichkeit, die zurzeit bestehenden Limitierungen der üblichen UV-Lichtquellen, die für die Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt werden, zu überwinden. Mit dieser Lichtquelle soll eine inline 2D-Fluoreszenzsonde entwickelt werden, die eine neue Form der kontinuierlichen Überwachung von Wasseraufbereitungsprozessen ermöglicht.

Bauteile, die starkem Verschleiß und Korrosion ausgesetzt sind, versagen häufig aufgrund lokaler Oberflächenschäden. Der Ersatz ausgefallener Komponenten ist ressourcenintensiv und das Recycling metallischer Bauteile erfordert energieintensive Schmelzprozesse. Darüber hinaus führt der steigende Bedarf an immer knapper werdenden Rohstoffen zu einer wirtschaftlichen Abhängigkeit von Importländern und verursacht durch die im Herstellungsprozess entstehenden CO2-Emissionen einen erheblichen ökologischen Fußabdruck.

Am Fraunhofer ILT wird im Rahmen des Forschungsprojektes »PRECIRC« eine automatisierte hybride Prozesskette für die nachhaltige Reparatur von metallischen Bauteilen entwickelt. Durch die Kombination des Drehverfahrens mit dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) wird eine Prozesskette geschaffen, die sowohl die additive Fertigung als auch die Vor- und Nachbearbeitung der Bauteile in einer Aufspannung ermöglicht.

Durch die Bemühungen um eine Eindämmung des Klimawandels wird das Verständnis und die Überwachung der Physik der Atmosphäre (einschließlich der Wind- und Temperaturverteilung in der Atmosphäre) immer wichtiger. Sie ist entscheidend für die Verbesserung von Klimamodellen und Wettervorhersagen. Es gibt jedoch eine Datenlücke für kontinuierliche Messungen oberhalb von 5 km, der maximalen Höhe kommerzieller kompakter Windradar- und -lidarsysteme. Im Rahmen des von der EU finanzierten EULIAA-Projekts soll ein Lidar-Array entwickelt werden, das den atmosphärischen Wind und die Temperatur in einem Bereich von 5 km bis 50 km rund um die Uhr über einen langen Zeitraum (mehr als ein Jahr ohne Wartung) autonom misst und ein großes Beobachtungsgebiet (bis zu 10 000 km2) abdeckt. Die neuen Lidar-Einheiten sind preisgünstig, kompakt, effizient, leicht zu transportieren und können durch Windturbinen oder Solarzellen betrieben werden.

EULIAA wird neuartige Datensätze in nahezu Echtzeit liefern, die in die europäischen Datenbanken Copernicus und GEOSS aufgenommen werden können, um aktuelle Datenlücken zu schließen und die Auswirkungen des Klimawandels zu überwachen sowie Klimaschutzmaßnahmen zu bewerten.

Sobald die im Rahmen von EULIAA entwickelten verbesserten Fähigkeiten in schwer zugänglichen Regionen (Polar-, Äquator- und Gebirgsregionen) mit einem hohen TRL (6-8) demonstriert und validiert wurden, werden ein Geschäftsplan und eine Roadmap für ein europäisches Lidar-Array erarbeitet, an dem relevante Akteure aus Industrie, Normung und Endnutzern beteiligt sind.

Das EULIAA-Projekt (Laufzeit 48 Monate, Budget 3,2 Mio. €) vereint 7 Partner aus 5 Ländern mit Experten für Lidar und seine Subsysteme, atmosphärische Observatorien und Anbieter atmosphärischer Daten. Es umfasst alle notwendigen Disziplinen, um die technologische Entwicklung, den Datentransfer und die nachhaltige Nutzung zu gewährleisten. Weltraumanwendungen entwickelte Technologien, rauscharme faserbasierte Verstärker aus der Entwicklung für LISA und variable Frequenzkonversion aus MERLIN, transferiert, indem sie angepasst und kombiniert werden, was einen hohen Technologischen Reifegrad ermöglicht.

Maßgeschneiderte Lasertechnik für den Einsatz im Orbit

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt seit vielen Jahren Technologien für raumfahrttaugliche Laser. Eine besondere Aufgabe liegt in der Entwicklung eines Lasersystems für die satellitengetragene Messung klimarelevanten Methans. Im Rahmen der deutsch-französischen Klimaforschungsmission »MERLIN« soll dazu ein Licht-Radar (LIDAR) eingesetzt werden, das mittels Laserpulsen die Konzentration des Methans in der Atmosphäre misst und dabei, anders als bisher, unabhängig von Sonnenlicht ist. Die Anforderungen an das Lasersystem sind hoch. Es muss trotz hoher Vibrationslasten und Temperaturschwankungen über Jahre wartungsfrei im All arbeiten. Hierzu entwickelten unsere Wissenschaftler im Rahmen des Projektes »Optomech II/III« (gefördert durch BMWi) eine neue optomechanische Aufbaumethode. So können notwendige Komponenten präzise und stabil in die LIDAR-Laserstrahlquelle integriert werden. Diese basiert auf einer Technologieplattform, die innerhalb des »FULAS« Projektes (gefördert durch ESA) entwickelt wurde. Erste Thermaltests unter realistischen MERLIN-Bedingungen hat das System erfolgreich abgeschlossen. Der Start der MERLIN-Mission ist für 2021 geplant. Der deutsche Teil des MERLIN-Projektes wird durch das BMWi gefördert.

Das RUBIN-Bündnis „LidarCUBE“ besteht aus neun vorwiegend regionalen Industrie- und Forschungspartnern. Das gemeinsame Ziel ist die Prototypenentwicklung eines weltweit und mobil einsetzbaren Lidar-Messinstrumentes für automatische Atmosphärenmessungen. Das entstehende Hochtechnologieprodukt LidarCUBE wird zukünftig die Durchführung von weltweiten Atmosphärenmessungen ermöglichen und weltweit einmalig.

Das Fraunhofer ILT entwickelt hierfür die Lasertechnologie auf Basis von Alexandrit weiter und bereitet einen Technologietransfer vor.

Mithilfe der Infrarotspektroskopie können gesundes und krankhaft verändertes Gewebe in histologischen Schnitten klassifiziert werden. Biochemische Marker mit spektralen Merkmalen im mittleren Infrarot (MIR) ermöglichen eine Identifikation von Tumorsubtypen und eine spezifische Therapie. Klassische MIR-Spektroskopie-Verfahren benötigen jedoch für ausreichend hochaufgelöste Messungen lange Messzeiten, was die Einführung dieses Verfahrens in die klinische Diagnostik erschwert.

Im Rahmen des Verbundprojekts »QEED« wird ein neues Messverfahren auf Basis verschränkter Photonenpaare, die “Quantum-Enhanced Early Diagnostics“, kurz QEED-Mikroskopie, entwickelt. Basierend auf dem physikalischen Effekt der Quanteninterferenz wird die Messinformation aus dem mittleren Infrarot in das rauscharm detektierbare nahe Infrarot übertragen. Für die Rekonstruktion der MIR-Messinformation werden am Fraunhofer ILT die benötigten hochauflösenden, maßgeschneiderten Spektrometer sowie effiziente Auswertealgorithmen entwickelt und auf FPGA-basierter Echtzeitelektronik implementiert.

Die QEED-Mikroskopie wird als modulare Erweiterung zu klassischen Licht- und Fluoreszenzmikroskopen entwickelt und am Tiermodell sowie in klinischen Studien bewertet.

Sepsis ist eine lebensbedrohliche Infektion des gesamten Körpers, mit jährlich etwa 280.000 neuen Fällen in Deutschland. Fast ein Viertel der Betroffenen, rund 60.000 Menschen, stirbt an dieser Erkrankung, was Sepsis häufiger macht als Schlaganfall, Brust oder Darmkrebs. Solange die Erreger und ihre spezifischen Antibiotika-Resistenzen nicht bekannt sind, erfolgt die Behandlung lediglich mit Breitbandantibiotika. Diese sind jedoch bei etwa 30 % der Patienten unwirksam, wobei 62 % dieser Gruppe innerhalb der ersten drei Tage der Behandlung versterben. Erst mit der Identifikation der Erreger können hochwirksame, spezifische Schmalbandantibiotika eingesetzt werden, wodurch die Mortalitätsrate auf 28 % sinkt. Eine schnelle Erkennung der Erreger und ihrer Resistenzen rettet somit Leben.

Der BMBF-Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) ist die Keimzelle des Clusters Photonik auf dem RWTH Aachen Campus. Das Cluster Photonik, eines von sechs Startclustern auf dem RWTH Aachen Campus, ist spezialisiert auf die Erforschung und Entwicklung von Verfahren zu Erzeugung, Formung und Nutzung von Licht, insbesondere als Werkzeug für die industrielle Produktion.

LASHARE ist ein Projekt an dem mehr als 30 Klein- und Mittelständische Unternehmen aus ganz Europa, Industriepartner und sechs der bekanntesten Laserforschungseinrichtungen beteiligt sind. LASHARE wird durch das Fraunhofer ILT koordiniert und im Rahmen des »Seventh Framework Programme« der Europäischen Union unter dem Kennzeichen 609046 gefördert.

Das Hauptziel besteht in einem Wissensaustausch im Bereich der laserbasierten Fertigung und dessen Nutzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Als wichtiger Erfolgsfaktor für die europäische Fertigung steht der Transfer von innovativen Lösungen vom Labor in industriell robuste Produkte und deren Verbreitung im Mittelpunkt des Projekts.

PhotonHub Europe ist eine europäische Initiative für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Mehr als 50 Forschungszentren aus dem Bereich Photonik unterstützen mit ihren Angeboten die Nutzung photonischer Technologien in den KMU. Eben diese Technologien sind in acht Plattformen entlang unterschiedlicher Anwendungsbereiche gegliedert. Diese reichen von Komponenten wie Lichtleitfasern über Halbleiterschaltungen mit integrierten photonischen Funktionen (Photonics Integrated Circuit / PIC) bis hin zu laserbasierten Anwendungsverfahren. Ziel des PhotonHub Europe ist dabei der Transfer komplexer Technologien in Unternehmen hinein, sodass diese damit ihre Innovationskraft stärken und ihre Produkte verbessern.

Die Begrenzung der Klimaerwärmung erfordert große Anstrengungen in Wirtschaft und Gesellschaft. Großes Potential zur Senkung der Treibhausgasemissionen der industriellen Produktion besteht in der Fertigung metallischer Bauteile. Durch intelligente Leichtbauanwendungen lassen sich Ressourcen in der Fertigung sowie während der Bauteillebensdauer einsparen. Laserbasierte Fertigungsverfahren sind dafür prädestiniert, jedoch steht deren branchenübergreifende, kombinierte Anwendung noch aus.

Das Konsortium widmet sich gemeinsam den notwendigen Schritten um die notwendigen Innovationen und Technologie in die Industrie zu bringen. Dazu werden die laserbasierten Fertigungsverfahren weiterentwickelt, neue Fertigungsrouten identifiziert und an Beispielbauteilen die CO2-Äquivalente der Prozessketten untersucht.

Das vorliegende Projekt "Roll2Sol" adressiert den Innovationswettbewerb Industrie.IN.NRW mit dem thematischen Schwerpunkt "Innovative Werkstoffe und Intelligente Produktion" in Bezug auf die Förderperiode 2021-2027 des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Mit dem Fokus auf die Produktion von großflächigen funktionalen Folien mithilfe der UV-Nanoimprint-Lithographie (NIL) im Rolle-zu-Rolle (R2R) Verfahren adressiert das Projekt "Roll2Sol" das Thema Innovative Werkstoffe und intelligente Produktion an mehreren Stellen. Mit den im Projekt hergestellten funktionalen Folien soll der Grundstein zur Erschließung neuer Anwendungsfelder solargetriebener Komponenten für die regenerative Energietechnik gelegt werden. Zum einen sollen Schutzfolien mit “Anti-Soiling”-Funktion für die bestehende Photovoltaik getestet werden, zum anderen sollen mit neuen Werkstoffen aus der Halbleitertechnik Folien mit photokatalytischer Funktion zur Erzeugung von grünem Wasserstoff erforscht werden. Beide Anwendungen sollen auf dem Potential der R2R-Technologie unter Verwendung funktionaler Werkstoffe und innovativem Strukturdesign aufsetzen und die Anwendbarkeit für die regenerative Energietechnik demonstrieren.

Innerhalb des IDEEL-Vorhabens verfolgen die Projektpartner mehrere Teilziele. Entwickelt werden im ersten Schritt eine neue, für den Lasereinsatz optimierte Batterie-Elektrodenpaste als Beschichtungswerkstoff (PEM RWTH, MEET WWU), ein hocheffizientes Lasersystem mit großflächigem, homogenem Spot (Laserline) sowie eine hochintegrative, auf kontaktloser Temperaturmessung basierende Prozessüberwachung (Optris, Laserline, Fraunhofer ILT). Darauf aufbauend soll der laserbasierte Trocknungsprozess innerhalb eines Demonstrators (Coatema) auf industrietypische Vorschubgeschwindigkeiten hochskaliert und abschließend das physikalische Modell des neuen Trocknungsprozesses validiert werden (Fraunhofer ILT, FFB). 

Die Ergebnisse des IDEEL-Projekts sollen künftig in die Prozesse der Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) einfließen, die das Projekt konzipierend und beratend begleitet. 

Der Trocknungsprozess, den das IDEEL-Projekt adressiert, ist Teil der Elektrodenherstellung für High-Power-Batteriezellen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Heimspeichersystemen zum Einsatz kommen. Er dient dem Trocknen einer Elektrodenpaste (Slurry), die aus einer gezielt abgestimmten, homogenen Aktivmaterialmischung besteht und auf die Kupferfolie der Batterieelektrode aufgetragen wird. Für die Wärmetrocknung dieser Elektrodenbeschichtung werden bisher Konvektionstrockner eingesetzt, die ihre Wärmeenergie jedoch nur indirekt in das Material eintragen und somit die CO2-Bilanz und die Energiekosten der Batterieproduktion stark belasten. Die IDEEL-Projektpartner setzen deshalb auf die Hochskalierung eines energieeffizienteren Trocknungsverfahrens, bei dem die Beschichtung mit Hilfe von Hochleistungsdiodenlasern bestrahlt wird. Dadurch sollen die flächenintensiven Trocknungsstrecken von üblicherweise mehr als 100 Metern Länge signifikant verkürzt werden. 

Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 unterstützt.

Im Projekt ATIQ entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit insgesamt 24 weiteren Projektpartnern zuverlässige Quantencomputer-Demonstratoren für komplementäre Anwendungsfälle, u. a. für die Quantenchemie (Reaktionschemie), das Finanzwesen (Kreditrisikobewertung) und der angewandten Mathematik (Optimierungsprobleme).

Ziel des Projekts ist die Herstellung eines kommerziellen Prototyps auf Basis der Ionenfallen-Technologie mit einer Gesamtzahl an (zunächst) 40 Qubits und einer entsprechend hohen Gatter-Fidelität.

Projektpartner: 

Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH, AKKA Industry Consulting GmbH, Black Semiconductor GmbH, eleQtron GmbH, FiberBridge Photonics GmbH, Fraunhofer IOF, Infineon Technologies AG, Johannes Gutenberg-Universität Mainz (Institut für Physik), JoS QUANTUM GmbH, Leibniz Universität Hannover, LPKF Laser & Electronics AG, Parity Quantum Computing Germany GmbH, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB), QUARTIQ GmbH, QUBIG GmbH, RWTH Aachen, TOPTICA Photonics AG, Technische Universität Braunschweig, Universität Siegen

Im Verbundprojekt HiPEQ steht die Entwicklung einer innovativen Plattform für miniaturisierte einmodige und schmalbandige Diodenlaser (»External Cavity Diode Laser«, ECDL) basierend auf photonisch-integrierten Schaltkreisen (»Photonic-Integrated Circuit, PIC«) im sichtbaren Spektralbereich im Fokus. Schmalbandige vollintegrierte Laser werden in verschiedenen Quantentechnologie-Anwendungen wie bei der Realisierung von ionenbasierten Quantencomputern, der Quantenkommunikation sowie der Quantensensorik benötigt.

Das Fraunhofer ILT beschäftigt sich zum einen mit der Realisierung von lasergefertigten 3D-Präzisionsbauteilen für die Schnittstellen- und Verbindungskomponenten zwischen PIC und Faser. Zum anderen wird in einem zweiten Arbeitspaket ein Optiksystem zur Strahlformung und -führung entwickelt, das gemeinsam mit einem Hochleistungsdiodenlaser zur Züchtung neuartiger Isolatorkristalle mit großer Verdet-Konstante verwendet werden wird. 

Projektpartner: 

TOPTICA Photonics AG, RWTH Lehrstuhl für integrierte Photonik, Surfacenet GmbH, Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH, Electro-Optics Technology GmbH

Ziel dieses Projektes ist der Aufbau und Betrieb einer skalierbaren, elementaren Quantenprozessoreinheit basierend auf gefangenen atomaren Ionen. Diese Plattform verfügt über Qubits mit Kohärenzzeiten von mehreren Sekunden und lasergetriebene Gatter hoher Qualität. Individuelles optisches Adressieren auf kleineren Qubit-Registern gemeinsam mit dynamischen Konfigurieren von Registern durch Bewegen, Vertauschen und Umgruppieren der Ionen ermöglicht eine skalierbare Lösung mit hoher Qubit-Konnektivität. Der Quantenprozessor soll latenzarm an den Mainzer Hochleistungsrechner MOGON II angebunden und als User Facility externen Nutzern zur Verfügung gestellt werden. Am Fraunhofer ILT werden fortschrittliche laserbasierte Herstellungsverfahren für die monolithische, segmentierte, lineare Mikrochip-Ionenfalle weiterentwickelt und an die Anforderungen einer innovativen Falle angepasst. 

Projektpartner: 

Johannes Gutenberg-Universität Mainz – Institut für Physik, AKKA DSW GmbH, Fraunhofer IOF, Forschungszentrum Jülich GmbH – Theoretische Nanoelektronik, TOPTICA Photonics AG

Ziel dieses Projektes sind die Erforschung und Umsetzung neuartiger dreidimensionaler photonischer Strukturen, beispielsweise geometrisch verdrillter Photonic Crystal Fibers oder nicht orientierbarer Mikroresonatoren. Am Fraunhofer ILT werden die zur Fertigung solcher Strukturen notwendigen Verfahren basierend auf selektiven Laserstrukturierungs- und Lasermodifikationsprozessen entwickelt. Erst durch die Verwendung mikro- und nanoskaliger laserbasierter Fertigungsprozesse wird die Herstellung solcher Bauteile überhaupt möglich. Insbesondere die beiden Fertigungsverfahren Inverses Laserstrahlbohren (ILB) und Selektives Laser-induziertes Ätzen (SLE) bieten die benötigten geometrischen Freiheitsgrade zur Erzeugung dreidimensionaler photonischer Bauteile.

Projektpartner: 

Fraunhofer ISC, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts MPL

Das Forschungsprojekt "MobiDART" zielt darauf ab, die Reparatur von Großbauteilen und Maschinenkomponenten in metallverarbeitenden Betrieben zu verbessern. Dies soll durch die Entwicklung eines mobilen Reparatursystems erreicht werden. Bei der bisherigen mobilen Instandhaltung werden verschlissene Funktionsflächen von Großbauteilen häufig manuell mittels WIG-Schweißen bearbeitet. MobiDART setzt dagegen auf das automatisierbare Laserauftragschweißen, das einen material- und zeitsparenden sowie endkonturnahen Materialauftrag ermöglicht. Durch die Kombination mit einer CAM-Software sollen weitere Potenziale zur Ressourcen- und CO2-Einsparung erschlossen werden, wie z.B. die Reduzierung des Auftragsmaterials um den Faktor 3 im Vergleich zum WIG-Schweißen, ein geringerer Verschleiß der Fräswerkzeuge und ein geringerer Druckluftbedarf aufgrund kürzerer Fräszeiten. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur ökonomischen und ökologischen Optimierung der Reparatur von Schlüsselkomponenten in verschiedenen Industriezweigen.

Projektpartner: 

Picum MT GmbH, ModuleWorks GmbH, Wagner GmbH, Fraunhofer ILT