Wissenschaftliche Ziele

Scientific Objectives

The way from a discovery / invention as a result of the basic research to a commercial product or process is protracted and leads only in certain cases and under certain circumstances effectively to the commercial success. The transfer of basic research results in product innovations represents, therefore, a complicated, sequential process, the so-called „innovation chain“. The objective of the profile area is to identify and analyze the influence and factors for the successful transfer material discoveries to a product innovation. New developments of the last two decades show, that the innovation chain has to be considered as a non-linear, more interactively and systemic process, which requires intensive communication and cooperation between various disciplines ranging from natural science to engineering. The profile area hence, is based on an detailed analysis of added value and innovation chains.

Key research focus of the profile area progresses from reliability analytics via materials criticality and substitution to novel product innovations related to paper-based materials.

Presently, three major lines of future research are pursued, through a number of initiatives. They follow the current guiding idea of the Profile Area to link materials science closely with engineering, but also pursue novel research directions towards the design of “cognitive” materials and components:

• Reliability Analytics for Design and Life Cycle of Components: By fusing emerging additive manufacturing technologies with new databased approaches to reliability, TU Darmstadt aims to path the way to the next generation of ‘cognitive’ mechanical engineering components. This initiative spans materials science, mechanical engineering, and computer science.

• Materials Criticality and Substitution: Subsequent to a LOEWE research centre „Resource efficient permanent magnets by optimized use of rare earths“ (RESPONSE), research is continued with the focus on “Hysteresis Design of Magnetic Materials for Efficient Energy Conversion”.

Complementary to this initiative, TU Darmstadt is taking the lead in the Fraunhofer Project Group denoted Materials Recycling and Resource Strategies, Hanau, with the aim of establishing a new Fraunhofer Institute. The designated director of the institute was appointed as professor in the Materials and Geosciences Department at TU Darmstadt in October 2018.

• Paper-Based Materials: Within LOEWE BAMP! – Building with paper – an interdisciplinary group of renowned scientists progressing from paper chemistry & technology to mechanics, structural engineering and architecture are working towards new and sustainable product solutions for the design of paper-based structural elements and even complete housings. As such, this initiative is internationally unique, comparable to DFG collaborative research projects, and can be considered at the forefront of paper research institutions in Europe. With respect to the latter, TU Darmstadt has a more than 100 year old tradition, and the University is one out of only two Technical Universities in Germany to comprise very strong as well as international visibility in paper science and technology.

These interconnections can be observe in the following picture:

Integrated Material, Process and Product Development

Source: Sebastian Gramlich | Emanuel Ionescu | Karsten Schäfer
Source: Sebastian Gramlich | Emanuel Ionescu | Karsten Schäfer

Unter Einbeziehung laufender, beantragter und geplanter Verbundforschungsvorhaben lassen sich die Projekte, hier exemplarisch der im Antrag befindliche SFB „Funktionale Papiere“, der laufende SFB 805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ und der LOEWE-Schwerpunkt RESPONSE „ressourcenschonende Permanentmagnete“, der in einen SFB/TRR überführt werden soll, in unterschiedlichen horizontalen Positionen in die thematische Matrix einfügen.

Für die erste Laufzeit von fünf Jahren setzt sich der Profilbereich zum Ziel, Verbundforschungsprojekte im Sinn der skizzierten Säulen und Querschnittsthemen vorzubereiten und zu beantragen. Hierbei stützt er sich auf die wissenschaftliche Expertise, die Erfahrung und innovative Ideen seiner Mitglieder und deren Arbeitsgruppen. Die erste Phase zur Umsetzung dieser Ziele besteht darin, die Mechanismen dieser Wertschöpfungsketten (angesetzte Zeitdauer ein halbes Jahr) zu untersuchen.

Das in der Vergangenheit oft wahrgenommene Scheitern einer erfolgreichen Überführung einer Material- in eine Produktinnovation soll dabei im Detail analysiert werden, um daraus geeignete Mechanismen abzuleiten, die den Transfer vom Material zur Produktinnovation ermöglichen.




Beispiele für Herausforderungen innerhalb des Themas „vom Material zur Produktinnovation“:


I. Magnetische Kühlung

Die magnetische Kühlung ist eine neuartige und im Prinzip sehr energieeffiziente Technologie, die in naher Zukunft den Markteintritt schaffen könnte und damit eine Alternative zur konventionellen Gaskompressionskühlung darstellen würde. Um das Ziel einer magnetokalorischen Kühlmaschine zu erreichen, müssen verschiedene Anforderungen erfüllt und Probleme gelöst werden.

Dies kann nur in einer engen interdisziplinären Vernetzung unterschiedlicher Kompetenzen erfolgreich sein. Das Seltenerdelement Gadolinium weist einen sehr hohen magnetokalorischen Effekt auf, es können also signifikante Temperaturänderungen in moderaten Magnetfeldern generiert werden. Die Verfügbarkeit dieses Metalls ist jedoch sehr kritisch und ein kostengünstiges Produkt kann so nicht konzipiert werden. Es müssen alternative Substitutionsmaterialien gefunden werden, die hohe magneto-kalorische Effekte zeigen und gleichzeitig kostengünstig, ungiftig, formbar und langzeitstabil sind.

Das für die Kühlung erforderliche Magnetfeld wird durch Permanentmagnete erzeugt, was die Kritikalität und Kosten der Technologie ebenfalls beeinflussen. Für einen effizienten Wärmeaustausch und einen hohen Wirkungsgrad muss das eigentliche Kühlgerät speziell für das verwendete magnetokalorische Material entwickelt und der Einsatz von Permanentmagneten optimiert werden. Erst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, wird ein Markteintritt dieser alternativen Technologie realistisch sein.


II. Hochfeste Dünngläser für Architektur-, Solar- und Automobilanwendungen

Hochfeste Dünngläser <2 mm sind heute für Anwendungen im Bereich Cover & Touch (Tablet-Computer, Smartphones) verfügbar, aber stehen für Architektur-, Automobil- und Solaranwendungen erst am Anfang möglicher Verfügbarkeit. Es wird ein großes Potential für leichte, leicht verformbare und adaptiv veränderbare Produkte für das Bauwesen gesehen.

Hierfür müssen die konventionellen Verfahren zur Steigerung der Biegefestigkeit des Glases (Thermisches oder Chemisches Vorspannen) und die Laminationsverfahren mit transparenten Polymerwerkstoffen (Verbundglas), die nicht für diese Anwendungen und damit verbundenen Bauteilgrößen konzipiert wurden, verändert und verbessert werden. Andererseits fehlen hinsichtlich der Materialentwicklung verbesserte Materialien, die für die langen Nutzungszeiträume und Einwirkungen in den genannten Feldern eine sichere Anwendung ermöglichen.

Schließlich fehlen die Grundlagen für die Berechnung und Auslegung der Strukturelemente sowie die materialgerechten Fügetechniken für Dünngläser. Wenn diese Grundlagen erarbeitet wurden, können sehr innovative Produkte für die genannten Bereiche entstehen.

Neben den in obiger Abbildung eingetragenen Verbundforschungsprojekten sind zahlreiche weitere Projekte im Profilbereich verankert und geplant, aus deren Analyse sich wertvolle Hilfestellungen für die Thematik Wertschöpfungskette besonders im Hinblick auf Erfolgsfaktoren und Hindernisse ableiten lassen. Zu diesen gehören z.B. der im Antrag befindliche SFB 1189 „Mechanisch einstellbare elektrische Leitfähigkeit“, der LOEWE-Projektantrag „BAMP! – Bauen mit Papier„, der LOEWE Schwerpunkt “iNAPO – Sensoren im Nano-Maßstab nach dem Vorbild der Natur" und weitere.


III. Innovative Funktionsmaterialien und Technologien für steuerbare Hochfrequenzkomponenten im Mobilfunk und der Satellitenkommunikation

Zukünftige feste und mobile, terrestrische und satellitengestützte Kommunikations systeme erfordern flexible/agile Konzepte und Strategien hinsichtlich Soft- und Hardware, um die gewünschten elektronisch rekonfigurierbaren Funktionsmodule im Basis- und Hochfrequenzband mit „intelligenten“ Systemfunktionalitäten realisieren zu können wie Multistandard und Multiband, dynamische Frequenzallokierung und -tuning, adaptive Anpassung an unterschiedliche Frequenzbänder und Umgebungseinflüsse, dynamische, elektronische Strahlschwenkung und -formung von Antennen als auch elektronische Polarisationsdrehung und -konvertierung.

Exemplarische Beispiele sind Frequenz-agile Multibandantennen, adaptive Filter und Impedanzanpassnetzwerke, polarisationsagile Antennen sowie Phasenschieber als Kernkomponente für phasengesteuerte raumagile Antennensysteme. Diese agilen Schlüsselkomponenten ermöglichen eine anpassungsfähige, kognitive und effiziente Nutzung der Frequenzbänder und der Antennenausrichtung. Eine vielversprechende Hardwarelösung zur Realisierung dieser „smarten“ Hochfrequenzkomponenten im Frequenzbereich von 100 MHz bis 1 THz bietet der Einsatz von innovativen Funktionsmaterialien und entsprechender Prozesstechnologien, u.a. der Mikrowellen- Flüssigkristall- technologie sowie der ferroelektrischen Dünn- und Dickfilmtechnologie.