Grenzübergreifende Forschungen zur additiven Fertigung

Der „3D-Druck“ von metallischen Teilen ist eine Technologie mit hohen Erwartungen für die künftige Herstellung. Im hier vorgestellten Projekt wird ein internationales Forschungsteam gebildet, welches sich mit komplexen Problemen der Materialforschung beschäftigen wird. Ziel des Projekts ist, die mit der LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) hergestellten Werkstoffe zu beschreiben und diese mit den konventionell hergestellten Werkstoffen zu vergleichen. Die LPBF-Technologie ermöglicht die Herstellung von Originalteilen, Prototypen und Proben mit komplizierter Geometrie, die schwierig mit konventionellen Methoden herstellbar sind. Abgesehen von der Veränderung des Konstruktions-verfahrens muss noch beantwortet werden, welche Eigenschaften die so hergestellten Teile haben und inwiefern sich diese von konventionell hergestellten Teilen unterscheiden. Stufenweises Auftragen dünner Schichten von Metallpulver, welche mittels Laserstrahl verschmolzen werden, verursachen hohe Temperaturgradienten, die Quellen von Eigenspannungen sind. Die Wahrscheinlichkeit anisotroper Werkstoffeigenschaften ist hoch. Daher gilt es zusätzlich, die im Prozess auftretenden Veränderungen der Eigenschaften zu verstehen und zu charakterisieren. Auch thermo-physikalische Eigenschaften sollen Gegenstand der Forschung sein. Die Zusammenarbeit zwischen tschechischen und bayerischen Forschungseinrichtungen ist auch hier maßgebend für den Erfolg des Ziel-ETZ Projekts 3D Cover, welches hochschulseitig von der OTH Amberg-Weiden betreut wird.

Miniaturisierte, elektrisch-pulsbare Feldemissionselektronenquelle mit gerin­ger Stromfluktuation für die Anwendung in einem Ionisationsvakuummeter

Herkömmliche Ionisationsvakuummeter funktionieren nach dem Prinzip der Glüh­emis­sion. Dabei führen die durch das Erhitzen eines Drahtes emittierten Elektronen zur Ioni­sa­tion der im Vakuum verbliebenen Restgasteilchen; so wird ein Ionenstrom mess­bar. Diese Glühkathode hat jedoch beträchtliche Nachteile: Sie kann nicht gepulst be­trie­ben werden, hat einen hohen Energiebedarf und eine geringe Lebensdauer. Deshalb soll bei FEMION die Glühkathode durch eine Feldemissionselektronenquelle mit einer Betriebs­spannung von weniger als 300 V ersetzt werden. Ein vereinfachtes Herstel­lungs­verfahren soll zudem die Kosten senken. Grundsätzlich basiert der FEMION-Ansatz auf der Feld­emission aus Halbleitern, insbesondere auf dem vergleichsweise preiswerten Sili­zium.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, Thyracont Vacuum Instruments GmbH, University of Eastern Finland

Entwicklung einer Feldemissions-Röntgenquelle für die Röntgenfloureszenzanalyse

Es wird die Möglichkeit untersucht, die thermische Elektronenquelle von Röntgenröhren durch miniaturisierte Feldemissionselektronen- quellen aus Silizium zu ersetzen. Geeignete FE-Kathoden sollen mit einem mikrotechnologischen Prozess hergestellt und charakterisiert werden. Nach Integration in ein zu konstruierendes Gehäuse, incl. Röntgentarget, werden die Kenngrößen der Röntgenquelle vermessen. Falls derartige Quellen die Anforderungen erfüllen, ist eine Chip-Level-Integration z.B. in SDD-Röntgendetektoren möglich.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, Bergische Universität Wuppertal, Ketek GmbH

Aufbau eines Multi-Emitter-Röntgen-Arrays auf Basis von Feld-Emissions-Kathoden zur Steigerung der Röntgen-Intensität

In diesem Projekt sollen deshalb miniaturisierte Röntgenquellen umgesetzt werden. Kernkomponente sind auf Silizium-Chips hergestellte hochintegrierte Matrix-Strukturen, die als Elektronenquellen dienen. Dabei wird der sogenannte Feld-Emissions-Effekt genutzt, bei dem Elektronen
durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes freigesetzt werden. Anschließend werden die Elektronen auf ein sogenanntes Metall-Target geschossen, wodurch Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die Besonderheit an diesem Prinzip ist die digitale Schaltweise der Elektronenquellen, die sehr schnelle Röntgenpulse erzeugt.

Die Projektpartner entwickeln unterschiedliche Nano- Strukturen für die Elektronenquellen, bauen eine Elektronenoptik für die Fokussierung und Lenkung des Elektronenstrahls und verifizieren schließlich die Abbildungseigenschaften der fertigen Röntgenquelle.

Eine Besonderheit stellt die Verwendung von Silizium als günstiges Ausgangsmaterial dar. Teile der Röntgenquellen können daher mit den etablierten Produktionsverfahren aus der Halbleitertechnik direkt und kostengünstig hergestellt werden.

Projektleitung: Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS – Bereich Entwicklungszentrum für Röntgentechnik EZRT – Abteilung Computertomographie in der Messtechnik

Projektpartner: OTH Regensburg; Ketek GmbH

Projektleitung OTH: Prof. Dr. Rupert Schreiner

Fördermittelgeber:Bayerische Transformations- und Forschungsstiftung

Entwicklung eines Flugzeit-Ionenmobilitätspektrometers mit einer miniaturisierten schnell pulsbaren Feldemissionselektronenquelle

Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) werden aufgrund der hohen Empfindlichkeit, kurzen Messzeit und guten Trennleistung in vielen sicherheitstechnischen Anwendungen eingesetzt. Allerdings lassen sich durch chemische Querempfindlichkeiten nicht alle Substanzen sicher detektieren (falsch negativ). Ein prominentes Beispiel ist der Nachweis von Benzol bei Anwesenheit von Toluol. Zudem ist eine Substanzidentifikation nicht immer möglich (falsch positiv). Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren einer gepulsten Ionisation sollen beide Probleme behoben werden. Grundlage ist die Entwicklung eines baukleinen IMS mit einer miniaturisierten, schnell pulsbaren, nicht-radioaktiven Elektronenquelle auf Basis von Feldemissionskathoden, die sich durch einen geringen Energiebedarf auszeichnen, wie für den tragbaren Einsatz erforderlich. Substanzen wie Benzol können so trotz Anwesenheit von Toluol ohne zeitliche Vortrennung direkt detektiert werden. Durch eine variable Verzögerungszeit zwischen Ionisation und Aufnahme des Spektrums lässt sich zudem die ionenspezifische Lebensdauer als orthogonaler Analyseparameter einführen. Damit kann die Sicherheit bei der Substanzidentifikation weiter erhöht werden.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, Leibniz Universität Hannover, Ketek GmbH

Neue Materialien in der additiven Fertigung

Laseradditive Fertigungsverfahren stoßen, nicht zuletzt aufgrund der Möglichkeiten, Ziele der Industrie 4.0 umzusetzen, branchenübergreifend auf hohes Interesse. Derzeit ist die Nutzung dieser Technologie allerdings überwiegend der Großindustrie vorbehalten, da diese über die finanziellen Mittel verfügen, die benötigten Anlagen anzuschaffen. Im Forschungsprojekt „Neue Materialen in der additiven Fertigung“ wird diesen Umständen durch eine grenzüberschreitende Zusammenarbeit verschiedener Forschungseinrichtungen Rechnung getragen. Zwei Universitäten der Tschechischen Republik arbeiten mit dem Fraunhofer Institut UMSICHT und unserer Forschungsgruppe an der OTH Amberg-Weiden an der grundlegenden Erforschung und Weiterentwicklung laserbasierter additiver Fertigungsverfahren. Im Zuge des Projekts sollen neue Materialien gefunden werden, die sich im beschriebenen Verfahren verarbeiten lassen.

Kooperationspartner: OTH Amberg-Weiden, Fraunhofer Institut UMSICHT, Universität Pilsen, Technische Universität Ostrava

Enabling Laminar Wing Technology

Das Projekt ELWIT hat zum Ziel, einen MEMS-Demonstrator zur aerodynamischen Grenzschichtbeeinflussung zu entwickeln. Der Prototyp soll elektrisch über den Effekt des Ionenwindes oder einer
Plasmaentladung ausreichend stark Luft bewegen können. Es soll eine gegen Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, mech. Festigkeit, Staub) robuste und langlebige Elektrodenstruktur gefunden werden. Diese Konstruktion soll bei Verkehrsflugzeugen die Strömungsverhältnisse positiv beeinflussen und somit zu einer Treibstoffersparnis führen.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, INP Greifswald, Hochschule Bremen, Airbus D&S, Universität der Bundeswehr München

Neuartige schnell schaltbare optisch induzierte Feldemissionselektronenquellen für Anwendungen in der Vakuum- und Gassensorik

Ziel des Vorhabens war die Realisierung einer schaltbaren optisch unterstützten Elektro­nen­quelle in Dioden- sowie Triodenanordnung aus Silizium für Anwendungen in der Va­kuum- und Gassensorik. Neben den zu erwartenden Vorteilen der Feldemission im Ver­gleich zur Glühemission, wie z.B. eine geringere Stoßanfälligkeit, oder eine verbes­ser­te Auflösung bei der Druckbestimmung durch die monoenergetischere Elektro­nen­emis­sion würde eine zeitlich schnell modulierbare Elek­tro­nenquelle eine Reihe von wei­ter­gehen­den dynamischen Untersuchungen ermöglichen. Im Projekt wurden sowohl die Elek­tronenquelle, als auch ein darauf basierender Ionisationsvakuumsensor in enger Koope­ration mit unseren Projektpartnern entwickelt.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, Bergische Universität Wuppertal, Thyracont Vacuum Instruments GmbH

Entwicklung eines neuartigen gasartunabhängigen Sensorsystems für den gesamten technischen Vakuumbereich

Bei dem geplanten Vorhaben „NOVAVAK“ handelt es sich um ein anwendungsorientiertesForschungsprojekt auf dem Gebiet der Vakuumtechnik, die ein wichtiges
Teilgebiet der Sensortechnik darstellt. Ziel des Vorhabens ist der Entwurf, die Entwicklung und die Realisierung eines neuartigen gasartunabhängigen Sensorsystems für den gesamten technischen Vakuumbereich basierend auf den Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik.

Kooperationspartner: OTH Regensburg, Thyracont Vacuum Instruments GmbH