Hessisches Ministerium für Wirtschaft,
Energie, Verkehr und Landesentwicklung
www.hessen-nanotech.de
© WZR ceramic solutions GmbH
Hessen-Nanotech
NEWS
Rückblick:
Additive Fertigung auf dem
Vormarsch
Unternehmen im Fokus:
Die Fabrik der Zukunft für
das Zeitalter der Additiven
Fertigung
International:
NANORA-Unternehmerreise
nach Polen
Aus der Forschung:
Grüne Chemie trifft Nano
Material im Fokus:
Eisen und seine Oxide
Technologie- und Firmennews
1 | 2015
Liebe Leserinnen und Leser,
Editorial
3D-Druck, Lasersintern und andere sogenannte Additive Fertigungsverfahren sind derzeit bei vielen
hessischen Unternehmen im Fokus. Bereits im vergangenen Jahr haben wir mit erfolgreichen Veranstaltungen die wirtschaftlichen Potenziale aufgezeigt. Eine dieser Veranstaltungen war ein Fachforum auf der EuroMold in Frankfurt; einen Rückblick
darauf finden Sie in diesem Heft. Zudem werfen wir
einen Blick auf ein hessisches Unternehmen, das nun
mit additiver Fertigung konsequent den Weg zur industriellen Serienproduktion geht.
INHALT
Neue Verfahren und Konzepte reichen alleine aber
oft nicht aus, um Ideen auf den Markt zu bringen.
Hier können geeignete Kooperationen der Schlüssel
sein. Aber wie den richtigen Partner für die neue
Entwicklung finden? Eine mögliche Antwort kann
das Enterprise Europe Network geben, das europaweit Kooperationspartner zusammenbringt. Auch
Angebote des EU-Projekts NANORA können bei der
Suche nach Nanotechnologie-Kooperationspartnern unterstützen, etwa mit der unter Leitung des
hessischen Wirtschaftsministeriums aufgebauten
Datenbank oder mit Zusammenkünften wie der
NANORA-Reise nach Polen im vergangenen Jahr.
Editorial
2
Nun wünsche ich Ihnen eine interessante Lektüre
und ein erfolgreiches Jahr 2015.
Tarek Al-Wazir
Hessischer Minister für Wirtschaft,
Energie, Verkehr und Landesentwicklung
International
Europaweite Unternehmenskooperationen
13
Neuigkeiten aus Wissenschaft und Wirtschaft 3
Im Konvoi geht es besser:
NANORA-Unternehmerreise nach Polen
14
Ausblick
Projekte
Technologie- und Firmennews
Material- und Nanotechnologien hautnah
erleben
5
Rückblick
Additive Fertigung auf dem Vormarsch
Von Mikroskopen bis zur Solarzelle:
Nanotechnologie in der Photonik und Optik
revolutioniert unseren Alltag
6
8
Unternehmen im Fokus
Die Fabrik der Zukunft für das Zeitalter
der Additiven Fertigung
10
Leichtbauteile variabel verkleben
11
Grüne Chemie trifft Nano
20
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Leichtere Wasserstoff-Hochdrucktanks
durch neue Simulationsmethoden
16
Materialien im Fokus
Aus der Forschung
2
Nicht zuletzt erwartet Sie 2015 ein Jahr mit spannenden Messen, auf denen regional und überregional die aktuellsten Entwicklungen und Innovationen
der Material- und Nanotechnologien sowie der Photonik präsentiert werden. Mit der ACHEMA findet
das Weltforum der chemischen Technik und Prozessindustrie wieder einmal in Frankfurt statt. Und als
Branchentreff der Optik-, Elektronik- und MechanikIndustrie lädt zum zweiten Mal die W3+ FAIR ins mittelhessische Wetzlar ein. Nutzen Sie die Gelegenheiten, sich vor Ort in Hessen zu informieren, und besuchen Sie auch die Stände der Technologielinie
Hessen-Nanotech.
Eisen und seine Oxide –
Zwei unverzichtbare alte Bekannte
18
Nano-Kommunikation
Heraeus: Mit neuen Materialien in
neue Märkte
22
Veranstaltungen / Termine
24
Impressum
24
Technologie- und
Firmennews
Schichtarbeit: Leichter Querlenker aus
Faserverbunden integriert mehrere
Funktionen
Deutlich abspecken und gleichzeitig aufrüsten – das
ist Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für
Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit
LBF an einem Querlenker eines Mittelklassefahrzeugs gelungen. Das neuartige Leichtbauteil aus
Kohlenstofffaser wiegt 35 Prozent weniger als ein
vergleichbares aus Stahl.
Darüber hinaus planen die Wissenschaftler, Funktionen in den Querlenker zu integrieren, damit dieser
eine höhere Schadenstoleranz und gesteigerten
Komfort im Gebrauch aufweist. Umgesetzt wird dies
mit Structural Health
Monitoring Systemen
(SHM) und semi-aktiven Systemen, welche
die Übertragung von
Körperschall
mindern.
Prototyp eines Faserverbundquerlenkers
(Quelle: Fraunhofer LBF)
Den Forschern aus
Darmstadt ist es in nur
sechsmonatiger Entwicklungszeit gelungen, einen
Querlenker aus Faserverbund auszulegen und zu fertigen.
n
www.lbf.fraunhofer.de
Aus der Welt der Bionik: Flexible
Bewegungen, automatisch gelernt
Der Europäische Forschungsrat (European Research
Council, ERC) fördert das Projekt „SKILLS4ROBOTS
– Policy Learning of Motor Skills for Humanoid Robots“ von Jan Peters, Informatikprofessor an der TU
Darmstadt und Forschungsgruppenleiter am MaxPlanck-Institut für Intelligente Systeme, mit einem
der renommierten und begehrten ERC Starting
Grants in Höhe von 1,41 Millionen Euro. Mit seinem
Projekt plant Peters die bislang notwendige wiederholte und damit teure Roboterprogrammierung
durch eigenständiges maschinelles Lernen zu ersetzen.
n
www.tu-darmstadt.de
Leitfäden der Europäischen Kommission
für sicheres Arbeiten mit technisch
hergestellten Nanomaterialien
veröffentlicht
Die Europäische Kommission hat zwei neue Papiere
zur Unterstützung von Arbeitgebern und Arbeitnehmern bei der Arbeit mit technisch hergestellten Nanomaterialien veröffentlicht. Die Leitfäden beschäftigen sich mit Fragen zu Risiken und Exposition von
Nanomaterialien. Zum einen richten sie sich an Personen, die bei der Arbeit direkt mit Nanopartikeln
konfrontiert werden. Dabei geben die Dokumente
auch Hilfestellung für Maßnahmen zum Risikomanagement. Zum anderen sollen Arbeitgeber, Gesundheits- und Sicherheitsbeauftragte in Unternehmen
dabei unterstützt werden, generelle Sicherheitsvorschriften im Umgang mit Nanomaterialien umzusetzen.
n
www.ec.europa.eu
Wirtschaftsstaatssekretär Samson
zu Gast beim Darmstädter FabLab
(Quelle: Europäische
Kommission)
Als vorbildliche Unterstützung für Startups sowie
kleine und mittlere Unternehmen hat Hessens Wirtschaftsstaatssekretär Mathias Samson das Darmstädter FabLab gelobt. Dort können sich Tüftler,
Kreative, Forscher und Programmierer zum gemeinsamen Arbeiten mit 3D-Druckern, 3D-Scannern und
anderen digitalen Produktionswerkzeugen treffen.
„Mit der Einrichtung des FabLab stellt der IKT-Standort Darmstadt erneut sein innovatives Potenzial
unter Beweis“, sagte Samson bei einem Besuch am
9. Dezember 2014. „Hessische Gründer und Unternehmen erhalten hier die Möglichkeit, durch den
Zugang zu Spitzentechnologie die Chancen der
Digitalisierung auszuschöpfen, um aus Ideen möglichst schnell marktfähige Produkte zu machen.“
n
www.wirtschaft.hessen.de
Über FabLab
Die Einrichtung ist Teil des Forschungsprojekts Fabbing & Founding („Digitales Produzieren und Gründen“), bei dem die Technische Universität Darmstadt gemeinsam
mit dem House of IT mit dem Fraunhofer IGD kooperieren. Das Projekt wird vom
Hessischen Wirtschaftsministerium mit zirka 150.000 Euro aus dem Europäischen
Fonds für regionale Entwicklung gefördert. Es beschäftigt sich mit den Auswirkungen der digitalen Produktion auf das Wirtschaftsleben und den Potenzialen für kleine und mittelständische Unternehmen. Auch Beratung und Schulung sind wichtige
Bestandteile des Projekts.
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
3
Neuer BGR-Bericht zur Rohstoffsituation
(Quelle: Bundesanstalt
für Geowissenschaften
und Rohstoffe)
Ist die Rohstoffversorgung
für den Technologiestandort
Deutschland gesichert? Wie
viel Rohstoffe produziert Deutschland im eigenen
Land, was muss importiert werden? Welchen Anteil
steuert das Recycling zur Deckung des Rohstoffbedarfs bei? Zur Beantwortung dieser und
anderer wichtiger Fragen stellt der neue
Rohstoffsituationsbericht der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) die nötigen Daten und Fakten zur
Verfügung. Er liefert Informationen zur
Rohstoffproduktion in Deutschland, zum
Außenhandel, zur Preisentwicklung und
zum Verbrauch im Hinblick auf die Versorgungssituation Deutschlands mit mineralischen Rohstoffen und Energierohstoffen.
Mit Blick auf die Rohstoffversorgung für
Deutschland wird auch die Entwicklung
auf den internationalen Rohstoffmärkten dargestellt
und bewertet.
n
www.bgr.bund.de
Neues Förderprogramm „Fast Track to
Innovation“ soll Ideen schneller auf den
Markt bringen
„Fast Track to Innovation“
(FTI) spricht speziell die Industrie an sowie Akteure, für
die Horizont 2020 neu ist. In
FTI-Projekten sollen fortgeschrittene Ideen innerhalb von drei Jahren nach Projektstart in marktfertige Produkte, Verfahren, Dienstleistungen oder Geschäftsmodelle transferiert werden.
Für 2015 und 2016 stehen jeweils 100 Millionen Euro
zur Verfügung. Antragsberechtigt sind Konsortien
mit drei bis fünf Partnern mit Sitz in mindestens drei
Staaten der EU oder in assoziierten Staaten. Die maximale Fördersumme pro Projekt beträgt drei Millionen Euro. Die Förderquote liegt für Unternehmen
bei 70 Prozent. Anträge können jederzeit eingereicht
werden. Die drei Stichtage im Jahr 2015 sind der
29. April, der 1. September und der 1. Dezember.
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www.nks-kmu.de
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Neue Generation von Detektorkonzepten für Teilchenbeschleuniger
Eine neue Generation von Detektorkonzepten soll
es künftig ermöglichen, die Energie von geladenen
Teilchen oder Teilchenjets mit bisher nie erreichter
Genauigkeit zu messen und so vielfältige Anwendungsgebiete zu erschließen. Dünne Kristallfasern
aus anorganischem Szintillatormaterial spielen dabei
eine zentrale Rolle.
Bei der Optimierung dieser Fasern soll das kürzlich
bewilligte EU-Projekt INTELUM („International and
intersectoral mobility to develop advanced scintillating fibres and Cerenkov fibres for new hadron and
jet calorimeters for future colliders”) mit Beteiligung
der Arbeitsgruppe von Professor Kai-Thomas Brinkmann, II. Physikalisches Institut der Justus-LiebigUniversität Gießen, einen wesentlichen Beitrag leisten.
Die Gießener Projekt-Beteiligung ist eine Konsequenz langjähriger Erfahrungen und Vorstudien auf
diesem Gebiet der Detektorphysik.
n
www.uni-giessen.de
EU Projekt „Graphene Flagship“ sucht
weitere Industrie-Partner
Das „Graphene Flagship“ verfolgt das Ziel, die Kommerzialisierung von Graphen und damit zusammenhängende Schicht- und Hybrid-Systeme in verschiedenen Anwendungen voranzubringen. Um dies zu
erreichen, soll der Fokus der Projekt-Aktivitäten kontinuierlich weiterentwickelt werden. Dafür sucht das
Graphene Flagship derzeit mit einer ‚open invitation‘
nach neuen Industrie-Partnern für die Horizon 2020
Phase vom 1. April 2016 bis zum 31. März 2018. Interessenten können sich auf der Projekt-Homepage
informieren; ausgewählte neue Partner werden anschließend in die Projekte integriert.
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www.horizon2020projects.com
Material- und Nanotechnologien hautnah
erleben
Ausblick
W3+ FAIR 2015
Wetzlar gehört zu den weltweit bedeutendsten Produktionsstätten der optischen Industrie und ist
Standort vieler Unternehmen der ergänzenden Branchen Elektronik und Mechanik. Ein perfektes Umfeld
für eine Fachmesse: die W3+ FAIR. Nach dem erfolgreichen Auftakt 2014, findet am 25. und 26.
März in der Rittal Arena, Wetzlar, nun die zweite
Auflage der Netzwerkmesse statt. Wieder werden
rund 100 Aussteller und über 2.000 Fachbesucher an
den beiden Tagen erwartet um sich über Neuerungen und Innovationen ihrer Branchen zu informieren.
Die Technologielinie Hessen-Nanotech und das EUProjekt NANORA sponsern eine Startup-Area auf
der Messe, auf der sich junge Unternehmen präsentieren können. Begleitend wird auch ein umfangreiches Seminarprogramm mit Vorträgen und Kursen,
zum Beispiel den Short Courses des Netzwerks Optence e.V., angeboten. Nutzen Sie die Gelegenheit
und besuchen Sie die neue Branchenmesse.
Weitere Informationen zur W3+ FAIR finden Sie im
Internet unter www.w3-messe.de
ACHEMA 2015
Alle drei Jahre wird Frankfurt das Zentrum der Prozessindustrie. Dann findet in der Main-Metropole die
ACHEMA, Weltforum und Internationale Leitmesse
der Prozessindustrie, statt. In diesem Jahr treffen sich
vom 15. bis 19. Juni die Vertreter von Anlagenbau,
Messtechnik, Pharma-, Verpackungs- und Lagertechnik sowie von Werkstofftechnik und Arbeitsschutz bis hin zu den Fachverlagen auf der Messe
Frankfurt. Mit mehr als 3.700 Ausstellern und mehr
als 166.000 Besuchern stellt die ACHEMA einen der
wichtigsten Events für die Chemie-Industrie dar. Und
auch Hessen-Nanotech ist auf dieser Veranstaltung
aktiv. Neben einem Gemeinschaftsstand zusammen
mit den Technologielinien Hessen-Biotech und Hessen-Umwelttech (Foyer Halle 4.2) finden am 18. Juni
zwei Vortragssessions statt: Vormittags geht es in
die fachliche Tiefe rund um Oberflächen(beschichtungen) und Analytik, während am Nachmittag Insider erläutern, warum Fundraising mehr als nur das
Einwerben von Geldern ist. Wer interessiert ist, sollte sich das Datum schon einmal vormerken.
Übrigens: Das EU-Projekt NANORA wird am 17. Juni
seine Final Conference mit Vertretern der EU-Kommission veranstalten.
Weitere Informationen zur ACHEMA finden Sie im
Internet unter www.achema.de
EuroNanoForum 2015
Zum bereits siebten Mal findet in 2015 Europas größte Netzwerkkonferenz für Nano- und Materialtechnologien statt: das EuroNanoForum.
Entsprechend der Tradition, die Veranstaltung im
Land der jeweiligen EU-Ratspräsidentschaft durchzuführen, wird Riga in Lettland, vom 10. bis 12.
Juni des Jahres der Treffpunkt für Europas Nanotechnologie-Akteure.
Das durch die INTERREG IVb NWE Maßnahme geförderte EU-Projekt Nano Regions Alliance NANORA
wird diese Gelegenheit nutzen, um das Projekt und
seine Erfolge zu präsentieren. Unter Leitung des Hessischen Wirtschaftsministeriums hat das NANORAKonsortium in den vergangenen rund zwei Jahren
die europäischen Nanotechnologie-KMU stärker
miteinander verknüpft und die technologischen
Kompetenzen in Nordwest-Europa verdeutlicht. Informieren Sie sich in Riga über NANORA-Aktivitäten
wie Unternehmens-Convoys, Masterclasses oder die
TINCA-Datenbank (Transnational Interactive Nanotechnology Competence Atlas) mit ihren rund 600
qualifizierten Einträgen, die das Projekt aufgebaut
hat.
Weitere Informationen zum EuroNanoForum finden
Sie im Internet unter www.euronanoforum2015.eu
Internationale Messen und Delegationsreisen 2015
IFAT EURASIA
Ankara, Türkei
16. – 18.04.2015
RENEWABLE ENERGY ASIA
Bangkok, Thailand
03. – 06.06.2015
MSV
Brunn, Tschechische Rep.
14. – 18.09.2015
BAUMA CONEXPO AFRICA
Johannesburg, Südafrika
15. – 18.09.2015
CREMONA MONDOMUSICA
Cremona, Italien
25. – 27.09.2015
DELEGATIONSREISE
Mailand, Italien
06. – 08.10.2015
DELEGATIONSREISE
Indien
01. – 07.11.2015
THE BIG 5 SHOW
Dubai, VAE
23. – 26.11.2015
www.hessen-international.de
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
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Additive Fertigung auf dem Vormarsch
Rückblick
Die EuroMold gilt als eine hervorragende Gelegenheit, sich über Themen rund um Werkzeug- und Formenbau sowie Verfahren zur additiven Fertigung in
Deutschland und weltweit zu informieren. So strömten Ende November des vergangenen Jahres über
50.000 Messebesucher in die Frankfurter Messehallen, um sich bei etwa 1.000 Ausstellern und zahlreichen Vortragsangeboten auf den neuesten Stand
bringen zu lassen. Ein zentraler Aspekt war dabei der
Stellenwert der additiven im Vergleich zu etablierten
Fertigungsverfahren. Dabei stellte sich die Frage
nach den Vor- und Nachteilen der additiven Technologien ebenso wie die nach der Reife der Technik zur
Serienproduktion von Bauteilen.
Vor dem Hintergrund, dass sich auch immer mehr
Global Player wie General Electric oder HewlettPackard ernsthaft mit der Thematik und ihren Möglichkeiten beschäftigen, ist das Potenzial dieses Marktes für die beteiligten Akteure von großem Interesse.
Auf diese Fragestellungen reagierte Hessen-Nanotech, indem sie auf der EuroMold am 27. November
eine Vortragsveranstaltung durchführte. Unter dem
Titel „Prodolution – Lösungen für die industrielle
Produktion durch additive Fertigung“ wurde eine
breite Übersicht zu Möglichkeiten und Anwendungen additiver Fertigungsverfahren geboten und vor
allem gefragt: Wie weit sind additive Prozesse für die
industrielle Serienproduktion geeignet?
Großer Andrang: Die Besucher der EuroMold interessierten
sich sehr für das Forum von Hessen-Nanotech.
(Foto: Hessen-Nanotech/ Roland Grün)
6
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Den Auftakt machte Dr. Sascha Peters von Haute
Innovation, einer von ihm gegründeten Agentur zum
Thema Technik und Innovation. Eine seiner zentralen
Erkenntnisse: „Nach dem Hype folgte der typische
Absturz. Inzwischen kommt die additive Fertigung
aber wieder aus dem Tal der Tränen heraus und erreicht die Phase der industriellen Implementierung.“
Zudem nannte Peters auch konkrete Zahlen: „Im
letzten Jahr wurden 70.000 Drucker für den Heimgebrauch und etwa 10.000 Profigeräte verkauft.“ Angesichts der noch relativ hohen Gerätepreise zwar
ein überschaubarer Markt, aber mit klarem Wachstum. Als eine der aktuellsten Entwicklungen im Bereich identifizierte der Innovationsanalyst die Verarbeitung von Formgedächtnislegierungen. Dies sind
Werkstoffe, die ihre Form beispielsweise bei Temperaturabsenkungen oder -erhöhungen verändern.
Sie finden eine breite Anwendung in der Medizintechnik, zum Beispiel als Stents, Gefäßstützen für die
Aufdehnung verengter Blutgefäße.
Ein mittelständisches Unternehmen, das sich mit additiver Serienfertigung beschäftigt, ist die FKM
Sintertechnik GmbH aus dem mittelhessischen Biedenkopf bei Marburg. Seit seiner Gründung 1994
expandierte das Unternehmen und betreibt inzwischen 24 Anlagen. Pro Jahr werden etwa 5.000 Aufträge unterschiedlichen Umfangs abgearbeitet. Jürgen Blöcher, geschäftsführender Gesellschafter der
FKM Sintertechnik, berichtete von seinen Erfahrungen mit Lasersintern in der industriellen Serienfertigung. Beim Lasersintern wird zur Formgebung das
Material Schicht für Schicht gezielt mittels Laser aufgeschmolzen. Die FKM Sintertechnik verarbeitet vornehmlich Polyamide (PA), jedoch auch Polyurethane
(PU) sowie Polyetheretherketone (PEEK), einen Hochleistungskunststoff. Bislang können pro Bau-Job, wie
die in sich geschlossenen Fertigungsprozesse genannt werden, etwa 800 Einzelteile gefertigt werden.
Damit sind die Anlagen des Unternehmens jeweils
etwa 48 Stunden beschäftigt, zuzüglich einer fast
ebenso langen Abkühlzeit. Beliefert werden unterschiedliche Branchen: Automotive-, Medizin- sowie
Konsumgüterindustrie. Und Blöchers Vortrag belegte:
Additive Fertigung eignet sich durchaus für die Serienproduktion, vor allem bei komplexen Bauteilen.
Den Weg zum etablierten Unternehmen hat die 3DLaserdruck GbR aus Reutlingen noch vor sich. Auf
der Veranstaltung stellten Philipp Albrecht und Sven
Skerbis, zwei junge Ingenieure, die Aktivitäten ihres
2014 gegründeten Startups vor. Das Unternehmen
verarbeitet durch selektives Laserschmelzen Werkzeugstähle, Edelstähle, Aluminium und Titanlegierungen. Es kann mit dieser Technik komplexere Geometrien darstellen, ohne dass höhere Kosten verursacht werden. Einschränkungen sieht das Unternehmen zum Beispiel bei äußerst kleinen Durchmessern
von Bohrungen, da hier bislang die Oberflächenrauigkeiten eine entsprechende Präzision verhindern.
Dabei umfasst das Angebot der Reutlinger alle Ingenieursleistungen rund um die Konstruktion. Die
Basis sind die Fragen: Was wird gefordert und in welcher Qualität? Ein Ergebnis des jungen Unternehmens wurde in Form eines Greifersystems zum Teilehandling präsentiert. Dessen Gewicht reduzierte
sich um 75 Prozent. Zudem verringerten sich die Kosten um 65 Prozent durch den Einsatz des additiven
Verfahrens und der Kunde erhielt das Bauteil nun in
einer deutlich kürzeren Lieferzeit.
Dieses vielfältige Marktgeschehen versuchte Dr.
Bernhard Langefeld von Roland Berger Strategy
Consultants GmbH einzuordnen. Bei additiver Fertigung können Werkstoffe direkt in ein fertiges Bauteil
geformt werden, so Langefeld. Dabei werden nahezu 100 Prozent des Materials verwendet; es gibt
praktisch keine Abfälle. Darüber hinaus ermöglichen
die additiven Fertigungsverfahren eine leichte Integration komplexer Geometrien. Einen Nachteil sah
Langefeld bei der fehlenden Reduktion der Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Verfahren, wenn es zur Fertigung größerer Stückzahlen
kommt. Auch stellte der Unternehmensberater die
Frage nach der Veränderung der zukünftigen Geschäfte. Hier sah der Vertreter von Roland Berger
drei Phasen: Zunächst einmal individualisiertere Produkte, dann neue Geometrien und Materialien sowie
zuletzt eine Dezentralisierung der Produktionen. „Im
Bereich der Prototypenfertigung haben sich die additiven Fertigungsverfahren durchgesetzt“, analysierte
Langefeld. Jedoch scheitere die Serienfertigung
noch häufig an der fehlenden Kostendegeneration.
Bislang sei man in Kleinserien mit 200 bis 300 Stück
wettbewerbsfähig. In Zukunft wird dieses dann auch
in einem Bereich von 700 bis 900 Stück der Fall sein.
Den Werkzeugmaschinenmarkt sah der Berater mit
einem Volumen von 60 Milliarden Euro nicht gefährdet, denn in diesem Bereich sei das Volumen der additiven Fertigung um eine Zehnerpotenz geringer.
Bislang sind die ökologischen Auswirkungen des 3DDruckens wenig untersucht. Diesem Forschungsgegenstand widmete sich Dr. Hartmut Stahl vom Öko-
Additive Fertigung macht's möglich: Auch Produkte mit mechanischen Funktionen
können so in einem einzigen Arbeitsgang gefertigt werden.
(Foto: Hessen-Nanotech/ Roland Grün)
Designer-Produkte, die das hessische Unternehmen Kegelmann Technik mittels
Lasersintern in industrieller Serie fertigt. (Foto: Hessen-Nanotech/ Roland Grün)
Institut e.V. Der Chemiker war bereits Projektleiter
des Umweltkonzepts bei der Fußball WM 2006 in
Deutschland. Bislang gelten additiv gefertigte Produkte gegenüber konventionellen als umweltfreundlicher. „Generell gibt es keine Studie, die das Thema
bewertet“, so Stahl zum Forschungsgegenstand. Es
zeige sich jedoch anhand von bestehenden Ökobilanzen, dass der oftmals als Gunstfaktor ins Feld
geführte Teiletransport nur einen unwesentlichen
Einfluss auf die ökologischen Auswirkungen hat. Den
Vorteil additiver Fertigung sah Stahl beim geringeren Materialbedarf der gefertigten Teile und zitierte
eine entsprechende Studie aus Amerika zur Serienproduktion.
Abgerundet wurde die Veranstaltung durch Vorträge
von Alexander Spiegel, EDAG Engineering AG, Stephan Kegelmann, Kegelmann Technik GmbH, Jurgen Laudus, Materialise NV aus Belgien sowie Peter
Volz, 4D Concepts GmbH. Die durchweg gut besuchte Vortragsveranstaltung auf der Messe signalisiert den hohen Bedarf an Informationen für die Besucher und zeigte: Additive Fertigung ist in Teilen
bereits für die industrielle Serienfertigung geeignet,
besitzt aber weiteres Potenzial.
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
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Von Mikroskopen bis zur Solarzelle:
Nanotechnologie in der Photonik und
Optik revolutioniert unseren Alltag
Rückblick
In Deutschland gibt es nur wenige Orte, die im
Bereich Photonik und Optik mit dem mittelhessischen Wetzlar mithalten können. Aus diesem
Grund hatte die Technologielinie Hessen-Nanotech sich auch die Stadt an der Lahn als Ort für ihre Fachveranstaltung „Nanotechnologie für Photonik und Optik“ ausgesucht. Der Workshop am
11. November 2014 im Neuen Rathaus Wetzlar
unterstrich die Bedeutung der Nanotechnologien
für die Branche.
Nanotechnologische Innovationen besitzen im Bereich Photonik und Optik ein enormes Potenzial. Das
machte nicht zuletzt der diesjährige Nobelpreis für
Chemie deutlich: Diesen erhielt der deutsche Physiker Stefan Hell zusammen mit den beiden Amerikanern Eric Betzig und William Moerner für die Entwicklung eines hochauflösenden Fluoreszenzmikroskops. Mithilfe dieses Mikroskops kann das bisher
geltende „Abbe-Limit“ für Lichtmikroskope überwunden und Objekte dargestellt werden, die weit
unter 200 Nanometer liegen. Das ermöglicht zukünftig, immer kleinere Strukturen sichtbar zu machen und zu erforschen. Das in Wetzlar angesiedelte Unternehmen Leica Microsystems CMS GmbH hat
dieses Prinzip auf das erste kommerziell erhältliche
STED-Mikroskop übertragen und damit einmal mehr
die Bedeutung Hessens im Bereich der Nanotechnologie bestätigt.
Eine Fachveranstaltung zum Thema Nanotechnologie für Photonik und Optik hätte somit keinen besseren Ort als Wetzlar finden können. Zumal die Veranstaltungsräumlichkeiten im Neuen Rathaus als
ehemalige Unternehmensräumlichkeiten von Leica
eng mit der Branche verbunden sind und nur wenige Laufmeter entfernt von der Leica Microsystems
CMS liegen. Rund 50 Teilnehmer, die aus erster Hand
erfahren wollten, wo die Branche aktuell steht, hatten sich für die Veranstaltung angemeldet.
Ein Blick hinter die Kulisse eines
hessischen Weltmarktführers
Im Vorfeld des Vortragsprogramms konnten sich die
Teilnehmer bei einer Betriebsbesichtigung von Leica
Microsystems CMS einen eigenen Eindruck von der
Arbeit eines Branchenführers verschaffen. „Das neueste STED-Mikroskop erreicht eine Auflösung unter
8
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
30 Nanometer“, erläuterte Dr. Kai Scheffler während
der Führung zum aktuellen Entwicklungsstand bei
Leica Microsystems CMS. Scheffler, Produktmanager für Auflichtsysteme und Softwareapplikationen,
stellte neben den hochauflösenden Mikroskopen
auch verschiedene Kamera- und Lasersysteme vor,
die unter anderem in der Forensik und der Materialwissenschaft Anwendung finden.
Teilnehmer bei der
Betriebsführung Leica
Microsystems CMS.
(Foto: Hessen-Nanotech/ Oliver Heimann)
Im Anschluss an die Unternehmensführung begrüßte der Wetzlarer Bürgermeister Manfred Wagner die
Teilnehmer im Sitzungssaal des Neuen Rathauses
und stellte dabei noch einmal die herausragende
Rolle Wetzlars als eines der wichtigsten Optik-Standorte Europas mit zahlreichen namhaften Unternehmen heraus.
Von der Spitzenforschung zum Dialog
mit Industriepartnern
Den Vortragsteil eröffnete danach Professor Dr.
Martin Eickhoff von der Gießener Justus-Liebig-Universität. Eickhoff leitet dort die Arbeitsgruppe Nanotechnologische Materialien, die sich auf das Wachstum und die Charakterisierung von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke konzentriert. In seiner
Präsentation skizzierte er die optischen Funktionalitäten von Nanotechnologien am Beispiel von Galliumnitrid-Nanodrähten, die gegenüber herkömmlichen Halbleiter-Nanostrukturen deutliche Vorteile
aufweisen. So zeigen sie eine wesentlich temperaturstabilere Photolumineszenz, bieten größere Kontaktflächen für die Gasadsorption und ermöglichen
daher durch Anregung und Detektion der Rückseite
solcher Sensoren eine effiziente Medientrennung
zwischen Reaktionsgefäß und Sensorik.
Dem Übergang von der Forschung in die Entwicklung widmete sich im Anschluss Dr. Wolfgang Stolz
in seinem Vortrag über die Arbeit seines Unternehmens, der NAsP III/V GmbH. Das KMU ist eine Ausgründung der Philipps-Universität Marburg und beschäftigt sich mit der Entwicklung und Integration
optischer Datenübertragung. Eine wichtige Grundlage dafür bildet der für die Firma namengebende
Mix aus Gallium, Stickstoff, Arsen und Phosphor. Damit sollen Halbleiter entwickelt werden, so die Hoffnung von Stolz, die es zukünftig ermöglichen, beispielsweise bei Computern die Rechengeschwindigkeit deutlich über die seit Jahren gängigen zwei
bis drei Gigahertz zu erhöhen. Darüber hinaus war es
ein besonderes Anliegen von Stolz, Akteure der
Branche zu ermuntern, einen offenen Gedankenaustausch zu betreiben, da nur so gewinnbringende Kooperationen entstehen könnten. „Suchen Sie das
Gespräch mit den Industriepartnern“, legte Stolz am
Ende seines Vortrags den Zuhörern nahe.
Teilnehmer nutzen die Kaffeepause für Fachgespräche
(Foto: Hessen-Nanotech/ Oliver Heimann)
Ein Produktbeispiel lieferte anschließend Andreas
Dorbach von Leica Microsystems CMS, der in seiner
Präsentation über den aktuellen Stand der Methoden zur Nanokorrektur von Präzisionsoptiken referierte. In seinem Vortrag ging Dorbach auf die Oberflächenbearbeitung von optischen Linsen durch die
Nutzung von Ionenstrahlen ein, die im Gegensatz zu
klassischen Verfahren ohne direkten mechanischen
Kontakt agieren. Das ermögliche Feinstkorrekturen
im Nano-Bereich, bei denen das herkömmliche Polieren an seine Grenzen stoße, sowie das Aufdampfen von Beschichtungen, so Dorbach in seiner Präsentation.
Optische Nanotechnologie ist im Alltag
angekommen
Nach einer Kaffeepause bot Professor Dr.-Ing. Ubbo
Ricklefs vom Zentrum für Nanotechnik und Photonik
der Technischen Hochschule Mittelhessen weitere
Einblicke in den aktuellen Stand der Forschung. Rick-
lefs stellte die Forschungsergebnisse seiner Arbeitsgruppe in den Bereichen der Optik, Bildverarbeitung und Sensorik vor. Er beschäftigt sich mit dem
Design von ASICs, Application Specific Integrated
Circuits. Diese hochintegrierten Systembausteine
sind heutzutage aus vielen Bereichen der Elektronik
nicht mehr wegzudenken. Das Team um Professor
Ricklefs erforscht insbesondere die Integration von
Photodioden auf ASICs, so dass diese in optischen
Messgeräten als hochintegrierte Signalverarbeitungseinheit eingesetzt werden können.
Im letzten Vortragsblock wurden den Teilnehmern
weitere Beispiele für nanotechnologische Produkte
präsentiert, die bereits im Alltag angekommen sind.
Dr. David Müller von der Merck KGaA sprach vom
schier unbegrenzten Potenzial der Nanotechnologie im Bereich der Photovoltaik, aber auch über die
wirtschaftlichen Herausforderungen von der Marktetablierung der „next generation“-Technologien.
Hochspezielle Materialien und Beschichtungsprozesse auf der Nanometerskala spielten hierbei eine
essenzielle „Enabling-Rolle“, so Müller. Allerdings
verwies er auf die bestehenden Probleme in diesem
Bereich. Zwar würden organische Solarzellen, DSSC
(dye-sensitized solar cells; Farbstoffsolarzellen) oder
Perowskit-Zellen hinsichtlich Form, Aussehen, sekundärer Leistungen und dem Umweltaspekt vielversprechende Ansätze bieten, erklärte Müller, doch
im Hinblick auf Lebenszeit, Return on Investment
und der primären Leistung seien die herkömmlichen
Solarzellen momentan noch besser aufgestellt. Im
Abschlussvortrag stellte dann Dr. Thomas Oberbillig
von der COTEC GmbH mit nanoskaliger Anti-FingerPrint-Beschichtung ein Produkt vor, das sich am
Markt bereits etabliert hat.
Dr. Thomas Oberbillig von
COTEC präsentierte mit der
Anti-Fingerprint-Beschichtung
Nanotechnologie, die bereits
im Alltag Verwendung findet.
(Foto: Hessen-Nanotech/
Oliver Heimann)
Bei einem abschließenden Imbiss hatten die Teilnehmer dann die Möglichkeit, sich untereinander
und mit den Referenten auszutauschen. Das praxisund forschungsnahe Vortragsprogramm bot hierfür
reichlich Gesprächsstoff und die Teilnehmer nutzten
die Gelegenheit intensiv.
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
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Die Fabrik der Zukunft für das Zeitalter der
Additiven Fertigung
Unternehmen im Fokus
Seit mehr als 20 Jahren zählt FKM zu den europäischen Technologieführern auf dem Gebiet des Lasersinterns. Dabei versteht das Unternehmen Lasersintern schon lange als vollwertiges Produktionsverfahren weit über den Prototypenbau hinaus. Mit
der Eröffnung seines neuen Werks im Juli 2014 in
Biedenkopf bei Marburg startete das Unternehmen
eine vollwertige Fabrik mit Lasersinteranlagen und
brachte damit das ‚Additive Manufacturing‘auf das
Niveau einer industriellen Fertigung. Das Besondere:
Die neue Produktion wurde durchgängig nach industriellem Maßstab aufgebaut, unter Beachtung
anspruchsvoller ökologischer Prinzipien. So wird beispielsweise der Energiebedarf mit Ökostrom gedeckt und durch konsequente Rückgewinnung von
Wärmeenergie aus dem Produktionsprozess kommt
die Fabrik ohne Heizungsanlage aus. Die zurückgewonnene Energie reicht dabei sowohl zur Bereitung
von warmem Brauchwasser als auch der Beheizung
des Gebäudes bis zu einer Außentemperatur von
-15 Grad Celsius aus.
Neue Laserfabrik der FKM Sintertechnik in Biedenkopf (Quelle: FKM Sintertechnik)
Fertigungshalle mit 25 Lasersinteranlagen und automatisierter Steuerung der Materialkreisläufe
(Quelle: FKM Sintertechnik)
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Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Das Herzstück bildet eine Fertigungshalle von rund
3.000 Quadratmetern mit 25 Lasersinteranlagen für
die Herstellung einbaufertiger Kunststoff- und Metallbauteile. Die Anlagen werden ausgehend von
mehreren Silos mit zentraler Verteilerstation über einen geschlossenen Kreislauf vollautomatisiert mit
Pulvermaterial versorgt. „So gewährleisten wir eine
optimale Nutzung der Anlagen und der Kunde profitiert von kürzeren Vorlauf- und Lieferzeiten“, erläutert Jürgen Blöcher, geschäftsführender Gesellschafter der FKM Sintertechnik. Sämtliche vor- und nachgeschalteten mechanischen und oberflächentechnischen Be- und Verarbeitungsprozesse erfolgen in
einer prozessoptimierten Infrastruktur. Eine flexible
Produktionssteuerung managt und überwacht alle
Abläufe von der Gütekontrolle des angelieferten
Pulvermaterials bis zur Qualitätssicherung der fertigen Sinterteile.
Abhängig von den individuellen Kundenanforderungen können unterschiedliche Materialien für die Fertigung eingesetzt werden.
Kunden können sowohl in Kunststoff als auch in Metall fertigen lassen. Polyamide wie PA 11 und PA 12 ,
das flexible Elastomer TPU (thermoplastisches Polyurethan) mit seinen kautschukähnlichen Eigenschaften oder das chemikalien- und hitzefeste Polyetheretherketon PEEK HP3 sind im Kunststoffbereich
einsetzbar. Bei den Metallen stehen Werkzeugstahl,
Edelstahl und Aluminium ebenso zur Verfügung wie
DirectMetal 20, ein bronzebasiertes Metallpulver,
oder das extrem umgebungsresistente Inconel 718,
eine Nickel-Chrom-Legierung für HochtemperaturAnwendungen, zum Beispiel für Turbolader oder Turbinenschaufeln.
Aber nicht nur hinsichtlich des Materials zeigen sich
diese Fertigungssysteme flexibel. Vielfältige Funktionalitäten und höchste Konstruktionsanforderungen können auf engstem Raum in einem einzigen
Bauteil eingestellt werden. Ein beeindruckendes
Beispiel für Funktionsintegration durch Lasersintern
ist ein systemrelevantes Bauteil für Lackierroboter in
der Automobilindustrie. „Ausgangspunkt war ein zylinderförmiges Aluminiumbauteil. Dessen Länge von
120 Millimetern ergab sich durch die Notwendigkeit,
etwa 40 Kanäle in unterschiedlicher Richtung durch
Bohren einzubringen. Mit einer lasersintergerechten
Konstruktion mit verschlungenen und eng nebeneinander liegenden Kanälen ließ sich die Baulänge auf
21 Millimeter verkürzen“, erläutert Blöcher das Vorzeigeprojekt. Da das Bauteil mit dem Hochleistungspolymer PEEK HP3 umgesetzt wurde, konnte
das Gewicht zudem von ursprünglich knapp vier Kilogramm auf 230 Gramm reduziert werden. „Natürlich
mussten wir durch den Materialwechsel zunächst
nachweisen, dass unser Produkt mit den AluminiumWerkstücken mithalten konnte“, führt Blöcher weiter
aus, „aber Versuche mit Prototypen bestätigten nicht
nur, dass wir gleichziehen konnten, sondern belegten sogar eine signifikant verbesserte Performance
der Lackierroboter durch die Verwendung der neuen lasergesinterten Bauteile.“ Inzwischen ist es in die Serienfertigung der Lackierroboter integriert und FKM
Sintertechnik hat bis
Ende 2014 bereits
eine vierstellige Anzahl dieser Bauteile
ausgeliefert.
Blick auf die Materialsilos
und die zentrale Verteilerstation in der neuen
Lasersinter-Fabrik
(Quelle: FKM Sintertechnik)
Die Symbolkraft des neuen Produktionswerks in
Biedenkopf ist nicht zu unterschätzen. Es ist ein Zeichen dafür, dass die lange als Zukunftsvision gehandelte Idee der additiven Fertigung konsequent in
die Tat umgesetzt wird. Gleichzeitig zeigt die Inbetriebnahme der Fabrik von FKM Sintertechnik auch
den Wandel der Branche von der handwerklich geprägten Fabrikation im Manufakturstil zur prozessorientierten Fertigung im industriellen Maßstab.
n
Additiv erzeugtes PEEK Bauteil für Lackierroboter
(Quelle: FKM Sintertechnik)
Kontakt
FKM Sintertechnik GmbH
Jürgen Blöcher (Geschäftsführer)
Zum Musbach 6, 35216 Biedenkopf
Tel.: 06461 9551-0
E-Mail: [email protected]
www.fkm-lasersintering.de
Leichtbauteile variabel verkleben
Aus der Forschung
Neue Materialien ermöglichen leichtere Autos,
Flugzeuge und Co. Das Problem: Viele dieser
Werkstoffe lassen sich nicht schweißen. Doch es
gibt eine Alternative: Gradientenklebstoffe halten Fügeteile über die gesamte Betriebsdauer
sehr gut zusammen. Zudem sind sie besonders
crashresistent.
gramm mit welchen Leichtbaukomponenten die
Hersteller auch wählen, etwas wollen sie alle realisiert wissen: die optimale und lebenslange Verbindung der Fahrzeugteile. Doch Duroplaste, die oftmals als Matrix für Faserverbundwerkstoffe dienen,
lassen sich beispielsweise nicht verschweißen. Also
braucht es eine andere Fügetechnik.
Abspecken ist angesagt. Der weltweite Trend zur
Gewichtsreduktion zeigt sich auch in der Automobilbranche. Immer leichter sollen die Fahrzeuge werden – zum Beispiel durch neue Materialien wie ultrahochfeste Stähle oder Karbon, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Doch egal welches Diätpro-
Die beste Lösung ist das Verkleben. „Wir arbeiten
vor allem mit strukturellen Klebstoffen, die Fügeteile dauerhaft verbinden und zusätzlich eine gewisse
Formstabilität erzeugen“, sagt Dr.-Ing. Jan Spengler,
Chemiker im Bereich Kunststoffe am FraunhoferInstitut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässig-
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
11
keit LBF in Darmstadt. Diese Klebverbindungen
haben einen besonderen Vorteil: Sie sind deutlich
crashresistenter als andere Verbindungstypen. Darüber hinaus besitzen Klebstoffe bessere Dämpfungseigenschaften als Metall und verbessern die
NVH-Eigenschaften. Die Abkürzung steht für Noise,
Vibration, Harshness und ist die Bezeichnung für als
Geräusch hörbare oder als Vibration spürbare
Schwingungen in Kraftfahrzeugen. „Die Klebschicht
wirkt wie ein klassischer Dämpfer. So lässt sich
Dämmmaterial und damit Gewicht einsparen“, sagt
Dr.-Ing. Halvar Schmidt vom Bereich Betriebsfestigkeit des LBF.
Wichtig für Leichtbau: Neue Gradientenklebstoffe ermöglichen,
Bauteile sicher miteinander zu verbinden, die nicht geschweißt
werden können. (Quelle: Fraunhofer LBF)
Gleichzeitig hart und weich
Dr.-Ing. Jan Spengler
12
Seit eineinhalb Jahren erforschen die Mitarbeiter der
beiden Sparten ‚Kunststoffe‘ und ‚Betriebsfestigkeit‘
des LBF Dual-Cure-Klebstoffe. Deren Besonderheit:
Sie härten in zwei Schritten aus. Diese Gradientenklebstoffe benötigen dabei Luftfeuchte, Wärme,
anaerobe Bedingungen oder UV-Licht, um den ersten Härtungsmechanismus in Gang zu setzen. Ein
anderer Aktivator initiiert anschließend die zweite
Härtung. „Derartige Klebstoffe sind schon länger am
Markt erhältlich. Bislang gibt es allerdings ausschließlich Produkte mit konstanter Elastizität. Sie
weisen an jeder Stelle die gleiche Steifigkeit auf“,
berichtet Spengler. „Uns ist es gelungen, einen innovativen Dual-Cure-Klebstoff mit variabler Elastizität herzustellen.“ Der erste, durch Wärme gestartete Härtungsmechanismus umfasst die gesamte Klebstoffschicht und liefert ein weiches, flexibles Produkt.
Durch die Bestrahlung mit UV-Licht wird eine weitere Härtung in Gang gesetzt. Der Clou: Diese Reaktion lässt sich ganz gezielt an bestimmten Stellen star-
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
ten. Lediglich an den UV-exponierten Orten vernetzen sich die Polymerketten zusätzlich. Das führt lokal
zu einer größeren Steifigkeit. Auf diese Weise erhalten die Forscher vom LBF etwa ein Stück Kunststoff mit einer ganz weichen und einer ganz harten
Hälfte.
Dank des Steifigkeitsgradienten lässt sich die Lebensdauer solcher innovativen Klebverbindungen
deutlich verlängern. Bei jeder Fahrt muss das Fahrzeug die auftretenden Schwingungsbelastungen
verkraften. Beim Einwirken äußerer Belastungen verteilen sich die Spannungen stets ungleichmäßig
über die Klebfläche. An den Rändern der Fuge bilden sich Spannungsspitzen. Dort wird die Verbindung übermäßig stark beansprucht. „Unser neu entwickelter Klebstoff mit spezifischem Steifigkeitsgradienten ist an den Rändern elastisch und macht die
Verformung durch Belastungen besser mit. Die
Spannungsspitzen werden abgefedert. In der Mitte
wiederum wurde die Klebschicht lokal aufgehärtet
und ist entsprechend fest, was für dauerhafte Formstabilität der Verbindung und der verklebten Fahrzeugkarosserie sorgt“, erläutert Spengler. Dabei ist
die Anwendung in der Automobilindustrie nur der
erste Schritt. Die neuen Werkstoffe könnten beispielsweise auch als Vergussmaterial für Elektronikbauteile eingesetzt werden.
Bislang wurden die Materialsysteme allerdings möglichst breit gefächert untersucht. Die LBF-Forscher
haben dabei alle gängigen Klebstoffe auf Basis von
Epoxiden über Acrylharzen bis hin zu Urethanen getestet. Als nächster Schritt wird nun nach dem besten System gesucht, um dieses dann weiter in Richtung Marktreife zu entwickeln. Dabei sind die Darmstädter Wissenschaftler auch für Kooperationen mit
interessierten Unternehmen offen. „Natürlich gibt
es noch Forschungsbedarf“, räumt Spengler ein,
„aber wir sind auf einem sehr guten Weg“.
n
Dr.-Ing. Jan Spengler
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Tel.: 06151 705-8851
E-Mail: [email protected]
Europaweite Unternehmenskooperationen
International
Hessische Unternehmen können von den Kooperationsdatenbanken des Enterprise Europe Network (EEN) profitieren, indem sie ihre Interessen
oder Kooperationswünsche ihren EEN-Ansprechpartnern mitteilen. Die Kooperationsmöglichkeiten umfassen Geschäftskooperationen ebenso
wie Angebote und Gesuche in allen Technologiebereichen.
Das EEN ist ein Netzwerk der Europäischen Kommission zur Unterstützung von kleinen und mittleren Unternehmen. Es umfasst rund 600 Organisationen in über 50 Ländern. Das EEN Hessen besteht seit Beginn 2015 neben dem Koordinator
Hessen Trade & Invest GmbH auch aus den Industrie- und Handelskammern Frankfurt/Main, Offenbach, RheinMainNeckar und der WI-Bank Hessen.
Bei Interesse an diesen Vorschlägen oder weiteren
Fragen nehmen Sie gern Kontakt auf.
K O O P E R AT I O N S A N G E B O T E
Implementing cold gas sprayed nanocomposite wear resistant coatings on
medical implants
TRNL20141126001
The production of cold gas sprayed
nanostructured composite coatings
on curved medical implants needs to
be further developed. This company (part of a consortium) looks for innovative companies producing
and developing medical implants, both the RD&Tdepartments as well as the production units. Furthermore other SME on powder production and deposition are welcome.
http://bit.ly/1xXlBGQ
Application of fibre reinforced
unidirectional tape
TONL20130912001
A Dutch company developed a flexible industrial process for impregnating glass and carbon fibres with different types of thermoplastic materials. This technology enables to produce unidirectional tapes with
properties tailored to the specific needs of clients.
The Dutch partner seeks contact with manufacturers
of high-end composite parts and components that
are interested applying these tapes in the frame of
commercial agreements supported by technology
transfer through technical assistance.
http://bit.ly/1vA6j0m
Highly fluorescent / luminescent materials
TOFR20150112002
A French research laboratory has developed innovative highly fluorescent
materials enhancing lighting lumino-
sity properties & functionalities. That solution can be
inserted into different kinds of structures such as
LED, lightings, printings, sensors, probes, luminophores; thanks to inorganic nanoparticles (nanohybrids) as surface ligands. License agreement or R&D
collaboration are sought with industries dealing with
the above-mentioned materials.
http://bit.ly/1AO4Gh3
Powerful composite sorbent for the removal
of contaminants from water
TOSK20150108003
Established Slovak research institute
has developed a highly effective composite sorbent for the removal of contaminants from water. This includes heavy metals
such as arsenic, antimony, chromium, cadmium, lead
and others. The composite sorbent can be also used
in wastewater treatment, including wastewater from
chemical and electronic industry. Partners are sought
through licensing agreement, financial agreement
or technical cooperation agreement.
http://bit.ly/172W0Hh
Looking for partners to improve product
chemical formulations and produce eco-label
products
TRCY20141114001
This Cypriot SME which manufactures
chemicals is looking for a partner to
improve its product formulations, prepare products which will be awarded the EU Ecolabel and learn about new methods of controlling the
use of raw materials more efficiently to achieve significant cost savings and more competitive prices.
The Cypriot SME is looking for service agreements.
http://bit.ly/1DwznqM
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Olaf Jüptner
n
Ansprechpartner
Olaf Jüptner
Material-, Nano- /
Mikrotechnologien
Enterprise Europe Network
Hessen
Hessen Trade & Invest GmbH
Telefon: 0611/95017-8469
E-Mail: [email protected]
Internet: www.een-hessen.de
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Im Konvoi geht es besser:
NANORA-Unternehmerreise nach Polen
International
Nach dem erfolgreichen Aufbau des Netzwerks
dreht sich seit Herbst 2014 bei NANORA, der Allianz europäischer Nanotechnologie-Regionen
unter der Leitung des Hessischen Wirtschaftsministeriums (HMWEVL), alles um die Unternehmen
im Allianzraum. Vom 17. bis 20. November setzte NANORA eine seiner ambitioniertesten Unterstützungsmaßnahmen für Nanotechnologie-KMU
in den beteiligten Regionen in die Tat um und lud
zu einer Nano-Unternehmerreise nach Polen.
gestimmten Besuchen in ausgewählten Forschungszentren, mittelständischen Unternehmen und einschlägigen Clustern an den Standorten Posen, Warschau und Kattowitz. Die hohe Qualität des Programms verdankte sich nicht zuletzt den ausgezeichneten Kontakten des EEN Hessen zu den
lokalen EEN-Agenturen in Polen sowie der wertvollen Unterstützung durch die Institution des HessischPolnischen Kooperationsbüros, das das HMWEVL in
Posen unterhält.
Die NANORA-Reisegruppe im NanoBioMedical Centre Posen.
(Foto: Dr. Ulrike Niedner-Kalthoff)
Besuch bei der Firma Prevac Precision and Vacuum Technology
in Oberschlesien. (Foto: J. Pilszak, Europerspektywy)
Der Clou dabei war, dass die Unternehmerreise zwar
von hessischer Seite organisiert wurde – in tatkräftiger Kooperation von HMWEVL und dem bei der
Hessen Trade & Invest (HTAI) angesiedelten Enterprise Europe Network (EEN) Hessen – dabei aber
Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus
dem gesamten NANORA-Projektraum offen stand.
Was den kleinen und heterogenen Bereich der
Nanotechnologie betrifft, so die Überzeugung der
NANORA-Initiatoren, müssen regionale Egoismen
unbedingt überwunden werden, um europäische
Unternehmen im globalen Wettbewerb zu positionieren. Durch die Akquise einer Unternehmergruppe, die Teilnehmer aus Hessen, Frankreich, Irland
und europäischen Institutionen umfasste, gewann
die Reise für alle Beteiligten noch einmal an Attraktivität.
Höhepunkte am Standort Posen bildeten die Besuche in zwei jungen und bestens ausgestatteten Forschungszentren: dem Wielkopolska Centre of Advanced Technologies, dessen anwendungsnahe interdisziplinäre Forschung sich überwiegend neuen
Nano- und Biomaterialien für optische, elektronische
und pharmazeutische Anwendungen widmet, und
dem NanoBioMedical Centre, getragen von der
Adam Mickiewicz-Universität und weiteren Posener
Hochschulen, das Nanomaterialien und -strukturen
insbesondere für die Bereiche Biosensoren, Tissue
Engineering und Zellmanipulation nutzbar macht.
Auf Polen als Zielland war die Wahl zum einen wegen
der dortigen wissenschaftlichen Exzellenz im Bereich
Nanotechnologie gefallen, zum anderen wegen der
traditionell starken industriellen Basis der polnischen
Wirtschaft. Die elf Mitreisenden der Gruppe profitierten von perfekt auf ihre jeweilige Expertise ab-
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Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
In Warschau stieß die Tour durch das Unternehmen
Vigo System auf besonderes Interesse, dessen Produktportfolio Infrarotdetektoren, Infrarotkameras
und Messausrüstung wie Vorverstärker beinhaltet.
Zudem konnten die Reiseteilnehmer hier von zwei
weiteren Veranstaltungen profitieren: Auf dem Programm stand zum einen ein Partnering-Event des
CORNET-Netzwerks, in dem sich nationale und regionale Programme der Gemeinschaftsforschung in
Europa zusammengeschlossen haben. Hier konnten
sich die Teilnehmer – insgesamt über 100 – in Elevator
Pitches vorstellen oder individuelle Kooperationsgespräche führen. Zum anderen richtete das Warschauer Institut für Hochdruckphysik einen Workshop
aus, in dem die Reiseteilnehmer über die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen für Geschäftsaktivitäten im Bereich Nanotechnologie in
Polen informiert wurden und Erfahrungsberichte zu
Technologietransfer und Unternehmensgründung
erhielten.
Der Standort Kattowitz und Umgebung schließlich
erwies sich als besonders reich an fruchtbaren Kontakten, nicht zuletzt da dort das Schlesische Nanocluster aktiv ist. So hatte die Reisegruppe nicht nur
Gelegenheit, mit dem Schlesischen Zentrum für Bildung und interdisziplinäre Forschung ein weiteres
hochkarätiges Forschungszentrum kennen zu lernen,
sondern auch in B2B-Gesprächen mit den zahlreich
erschienenen ortsansässigen Unternehmen über Kooperationschancen zu sprechen. Insbesondere die
Besuche bei dem erfolgreichen mittelständischen
Unternehmen Prevac, das Vakuumanlagen und weitere Komponenten und Baugruppen auf dem Gebiet der Mess-, Prüf- und Sensortechnik entwickelt
und fertigt, sowie bei der Blut- und Zellenbank Kattowitz boten eine ausgezeichnete Basis für das Ausloten von Möglichkeiten konkreter Zusammenarbeit.
Als sehr wertvoll erwies sich die Reise so beispielsweise für Oxford Instruments Omicron NanoScience.
Die hessische Nanosparte von Oxford Instruments,
die auf die Untersuchung von ultra-sauberen Oberflächen im Ultrahochvakuum in Physik, Chemie und
Werkstoffwissenschaften spezialisiert ist, nahm in
Person von Sales Manager Dr. Till Hagedorn teil.
„Die Nanotechnologie-Unternehmerreise bot unserer Firma die einmalige Gelegenheit, neue Entwicklungen von Nanotechnologiezentren in Polen kennen zu lernen“, zeigte sich Dr. Hagedorn überzeugt.
„Wir knüpften dort Kontakte mit Entscheidern und
konnten unsere Chancen ungemein erhöhen, uns als
Anbieter von Hightech-Analysegeräten zu positionieren, dadurch dass wir frühzeitig über Zeitachsen
und Forschungsrichtungen informiert wurden.“ Auch
Dr. Norman McMillan vom irischen Unternehmen
Drop Technology, das auf Tropfen-Spektroskopie
spezialisiert ist, betonte die Bedeutung, die die
„wertvolle Reise“ für sein Geschäft hatte: „Die Gelegenheit kommt genau zum richtigen Zeitpunkt. Bis
letzten Monat hätten wir noch keine Gespräche füh-
ren können, da die Patentanmeldung noch im Gange war, und nächstes Jahr wäre zu spät. Perfekt.“
Prevac-Geschäftsführer
Dr. Andreas Glenz erläutert
sein Produkt. (Foto: J. Pilszak,
Europerspektywy)
Während die Kooperationsgespräche zwischen Mitreisenden und den besuchten polnischen Unternehmen und Einrichtungen im Nachgang der Reise weiter geführt werden, entfaltet dieses NANORA-Angebot auch darüber hinaus seine Wirkung: So ist inzwischen die Stiftung Nanonet Polen, die die
zentrale Plattform für Nanotechnologieakteure in
Polen organisiert, Mitglied im NANORA-Netzwerk
geworden, das damit neue Verbindungen in Richtung Osteuropa unterhält. Das europäische Joint
Undertaking ECSEL (Electronic Components and
Systems for European Leadership) knüpft mit einer
großen Veranstaltung in Polen im Frühjahr 2015 an
politische Vorgespräche an, die in die NANORA-Unternehmerreise integriert waren. Und für einen Gegenbesuch einer polnischen Delegation in Hessen
2015 gibt es auch schon erste Überlegungen.
NANORA wird neben einer Reihe von Fachveranstaltungen im Bereich Nanobeschichtungen, Nanomedizin, Nanokomposite und Nanoelektronik schon
im Mai 2015 die nächste Unternehmerreise anbieten.
Diesmal geht es in die USA, vor allem nach Tennessee, wo namhafte Unternehmen wie Alcoa, Cooper
Standard und MAHLE bereits Bedarf an Besuch aus
Europa angemeldet haben. Das Programm wird in
Kürze auf www.nanora.eu verfügbar sein.
n
Dr. Ulrike Niedner-Kalthoff
Referentin für Schlüsseltechnologien und
Ressourceneffizienz
Projektmanagerin NANORA
Hessisches Ministerium für Wirtschaft,
Energie, Verkehr und Landesentwicklung
Tel.: 0611 815-2478
E-Mail: ulrike.niedner-kalthoff@wirtschaft.
hessen.de
www.wirtschaft.hessen.de, www.nweurope.eu
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Dr. Ulrike NiednerKalthoff
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Leichtere Wasserstoff-Hochdrucktanks
durch neue Simulationsmethoden
Projekte
Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.:
301/11-46) wurde im Rahmen
von Hessen Modell-Projekte als
KMU-Modell- und Pilotprojekt
(MPP) aus Mitteln des Landes
Hessen und der Europäischen
Union (Europäischer Fonds für
Regionale Entwicklung – EFRE)
gefördert.
Die Sicherung unserer zukünftigen Energieversorgung sowie die spürbare Reduktion der Kohlendioxidemissionen und der Einsatz von regenerativen
Energieträgern sind die wesentlichen Herausforderungen für eine zukünftige, nachhaltige, automobile
Mobilität. Größere Fahrzeugreichweiten von bis zu
600 Kilometern können mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen
realisiert werden. Die Speicherung von Wasserstoff
ist hierbei eine der wesentlichen Schlüsseltechnologien. Die Wasserstoffspeicherung in Form von komprimiertem Gas unter hohem Druck (bis 700 bar) ist
die derzeit ausgereifteste Technologie für einen
Markteintritt. Eine der wesentlichen Markteintrittsbarrieren sind die hohen Kosten für diese Druckbehälter, die bis zu 75 Prozent durch die hohen Materialkosten für die Kohlenstofffaser-Verbundmaterialien bestimmt sind. Für eine zukünftige Industrialisierung, die mit einer deutlichen Kostenreduktion
einhergehen muss, sind innovative Konzepte für die
Auslegung und Fertigung von Druckbehältern dringend erforderlich.
Ein starkes Projektkonsortium
Die Planung des Forschungsprojekts erfolgte durch
eine intensive Diskussion zwischen Opel als Endanwender der Wasserstoff-Drucktanks, xperion als Entwickler und Hersteller dieser Faserverbund-Hochdrucktanks und dem Forschungsinstitut Konstruktiver
Leichtbau und Bauweisen (KLuB) der TU Darmstadt,
das die Entwicklung der theoretischen Grundlagen
der Modellentwicklung vorantrieb. Die xperion Energy
& Environment GmbH kann auf langjährige Erfahrungen im Bereich der Entwicklung von faserverstärkten Druckbehältern zurückgreifen. Für die Speicherung von Erdgas in Fahrzeugen konnte xperion
bereits erfolgreich Lösungen für Serienanwendungen
realisieren. Die Adam Opel AG hat eine erste, durchgängige Softwarelösung (Computer Aided Engineering (CAE) Prozesskette) zur numerischen Auslegung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen,
wie Wasserstoff-Hochdrucktanks, etabliert. Dort kann
ein Finite-Elemente-Netz sowohl zur statischen, als
auch zur dynamischen Berechnung (Crash) erstellt
werden. Die Forschung im KLuB-Institut fokussiert
sich auf die Auslegung und Konstruktion hoch belasteter Faserverbund-Leichtbaustrukturen. Sowohl
Abb. 1: Einbau von 700 bar Wasserstoff-Hochdrucktanks im
Opel HydroGen4 (Quelle: Opel)
16
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
zum Thema „detaillierte Spannungs- und Festigkeitsanalyse von Faserverbunden“ als auch zum
Thema „Druckbehälter“ wurde intensiv Grundlagenforschung betrieben.
Mit weniger Material zu besseren
Ergebnissen
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Abbildung und Berechnung des
gesamten Produktionsprozesses eines 700 bar Typ 4Wasserstoff-Tanks. Eine der Herausforderungen ist
es, den Fertigungsprozess exakt abzubilden und die
so gewonnenen Daten bereits in der Auslegungsphase zu nutzen. Im Wickelprozess werden Kohlenstofffaser-Rovings – Bündel parallel angeordneter
Filamente – mit Harz getränkt und, in vorher berechneten Mustern, auf der Tankoberfläche abgelegt. Für eine möglichst detailgenaue Simulation des
Tanks unter Last muss eine Berechnung dieser Ablagemuster bereits in der Entwicklungsphase durchgeführt werden. Fertigungsabhängige Parameter,
wie zum Beispiel unterschiedliche Faservolumenanteile oder Bandbreitenschwankungen aufgrund sich
ändernder Oberflächenkrümmungen, können so bereits in der Designentwicklung berücksichtigt werden. Neben der Fertigungssimulation lag ein zweiter Schwerpunkt auf der Abbildung des nichtlinearen
Werkstoffverhaltens des Faser-Kunststoff-Verbunds.
Unter Last kommt es relativ früh zu Zwischenfaserbrüchen. Diese Degradationen führen aber nicht
zum Versagen der Tankstruktur, da die lasttragenden
Fasern unbeschädigt bleiben. Solche Degradationsmechanismen beeinflussen aber die Steifigkeit der
einzelnen Schichten und sollten somit zur exakten
Vorhersage der Spannungsverteilung berücksichtigt
werden. Hierzu wurde eine Subroutine entwickelt,
die den Schädigungsprozess in der Finite-ElementeSimulation abbildet. Durch die Berücksichtigung des
Fertigungsprozesses und eine verbesserte Abbildung des Werkstoffverhaltens ist es den Projektpartnern gelungen, den Materialeinsatz der teuren
Kohlenstofffaser durch optimierte Tankdesigns deutlich zu reduzieren.
xperion Energy & Environment GmbH. Dort ist das
Simulationstool universell einsetzbar; neben der Entwicklung von Wasserstoff- oder Erdgas-Drucktanks
lässt es sich auch für Antriebswellen für den Automobilbau sowie Flugzeug-, Windkraft-, und Industrieanwendungen nutzen. Dadurch kann die xperion
Energy & Environment GmbH ihr Produktportfolio
entscheidend erweitern und Leichtbau-Tanks auch
für weitere kundenspezifische Anforderungen effizient auslegen und kostenoptimiert produzieren.
Die Adam Opel AG kann durch die neu entwickelten
Simulationsmethoden bereits in der Frühphase eines Fahrzeugprojektes verlässliche Aussagen bezüglich Belastbarkeit, Masse und Kosten eines Tanks
treffen, was langwierige und kostspielige Tests minimiert.
Die Projektpartner arbeiten in der bewährten Konstellation bereits an einem Folgeprojekt.
n
n
Projekt mit Potenzial
Durch die computergestützte Simulation können in
Zukunft hohe Kosten bei der Entwicklung von Hochdrucktanks eingespart und die Kommerzialisierung
von alternativen Antriebstechnologien in Brennstoffzellen- und Erdgasfahrzeugen vorangetrieben
werden.
Das Auslegungs– und Fertigungs-Know-how für
Leichtbautanks liegt beim Technologieunternehmen
3DSIM Tool Chain zur
FEM-Simulation eines
Wasserstoff-Hochdrucktanks
(Quelle: KLuB, xperion, Opel)
n
xperion Energy &
Environment GmbH
Dr. Michael Kleschinski
Dr. Jörg Strohhäcker
Tel.: 0561/585490
www.xperion-energy.de
Technische Universität Darmstadt
Fachgebiet Konstruktiver
Leichtbau und Bauwesen
Nils Meyer
Tel.: 06151/16-3660
www.klub.tu-darmstadt.de
n
n
Adam Opel AG
Fachbereich
GME Vehicle CAE
Thorsten Schütz
Tel.: 06142/7-69507
www.opel.de
InnovationGreen
Dr. Volker Strubel
Tel. 07666/88 13 164
www.innovationgreen.eu
Renate Kirsch
HA Hessen Agentur GmbH
Projektmanagerin Hessen ModellProjekte
Tel.: 0611/95017-8665
E-Mail: [email protected]
www.innovationsfoerderung-hessen.de
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Renate Kirsch
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Eisen und seine Oxide –
zwei unverzichtbare alte Bekannte
Materialien im Fokus
Irgendwo ist vermutlich jeder Mensch schon einmal mit Eisen als gediegenem Metall oder seinen
Oxiden in Kontakt gekommen, denn Eisen gehört zu den Elementen, die am häufigsten auf der
Erde vorkommen und bereits seit Jahrtausenden
von den Menschen genutzt werden.
Daten und Wissen zu Nanomaterialien Aufbereitung gesellschaftlich relevanter
naturwissenschaftlicher Fakten
www.nanopartikel.info
Nicht nur aus diesem Grund ist Eisen (chemisches
Symbol Fe, lat. ferrum) eines der wichtigsten Metalle, das wir bis heute verwenden. Stahlträger für Brücken und Häuser, Walzbleche aus Eisen und Stahl,
um zum Beispiel Autos zu bauen, Schrauben und
Nägel: Sie alle bestehen aus Eisen beziehungsweise
seiner veredelten Variante, dem Stahl. Eisen wird in
Form von Eisenoxiden als Erz abgebaut; chemisch
handelt es sich dabei um Fe2O3 beziehungsweise
Fe3O4, sehr selten um FeO. Im Jahr 2000 wurde etwa
eine halbe Milliarde Tonnen Eisen aus Eisenerz hergestellt, mit steigender Tendenz.
Denn nicht nur seine vielseitigen und verlässlichen
Eigenschaften als Konstruktionswerkstoff bei breiter
Verfügbarkeit machen Eisen für uns Menschen so
wertvoll. Es besitzt auch eine besondere Funktionalität, die es für unseren technologischen Fortschritt
nahezu unentbehrlich macht.
Eisen ist eines jener drei ferromagnetischen Metalle,
ohne die die technische Nutzung des Elektromagnetismus nicht möglich wäre. Dieser wird unter anderem in Generatoren, Transformatoren, Drosseln,
Relais oder Elektromotoren ausgenutzt. Hierbei wird
Eisen rein oder legiert zur Führung von Magnetfeldern, zur Abschirmung von Magnetfeldern oder zur
Erhöhung der Induktivität verwendet.
Nicht nur metallisches Eisen, sondern auch einige
seiner Oxide zeigen magnetische Eigenschaften,
weshalb sie früher zum Beispiel in Tonbändern und
Kassetten verwendet wurden. Später fanden solche
Eisenverbindungen auch Eingang in Disketten/Floppy-Disks. Magnetische Speicherschichten werden
bis heute in sehr großen Stückzahlen in modernen
Computer-Festplatten eingesetzt, aber auch in Magnetbändern für große Datenarchive, wo der schnelle
Zugriff auf die Daten weniger wichtig ist. In letzteren
finden ferritische Verbindungen Verwendung. Nanometerkleine Strukturen werden sowohl in den Bändern als auch den Festplatten ausgenutzt, um Daten
zu speichern, und erst diese extrem kleinen Struktu-
18
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
ren machten es in den 2000er Jahren möglich, auf
Festplatten Datenmengen im Terabyte-Bereich zu
speichern.
Eisen ist nicht nur als Vollkörper oder Schicht von
praktischem Nutzen. Auch Eisenoxid in Partikelform
ist begehrt. Das Fe2O3 weist eine typische rostrote
Farbe auf und findet Verwendung als Farbpigment.
Wegen der hohen chemischen Stabilität ist Eisenoxid als Farbstoff lange haltbar und hat dadurch
auch in antiken Malereien Jahrtausende überstanden.
Eisenoxid kann aber auch unerwünscht sein: Die Oxidation des metallischen Eisens stellt das größte Problem bei seiner Nutzung als Konstruktionswerkstoff
dar, denn diese Oxidation, bekannt unter dem Begriff „rosten“, kostet die Weltwirtschaft jährlich Milliarden. Beim Rosten verliert Eisen seine mechanische Stabilität und zerbröselt zu kleinen Rostteilchen.
Auch in der belebten Natur ist Eisen weit verbreitet:
Es spielt als Bestandteil des Hämoglobins in roten
Blutkörperchen für die höheren Lebewesen eine
ebenso entscheidende Rolle wie in dem Enzym Nitrogenase von Knöllchenbakterien, das an einigen
Pflanzen die Selbst-Düngung bewerkstelligt. Ohne
Eisen wären Mensch und Pflanzen nicht lebensfähig.
Bei der Blutarmut (Anämie) werden Patienten mit
Eisensalzgaben behandelt, um die Hämoglobinbildung zu unterstützen. Einige neuere diagnostische
Verfahren, die meist noch in der Erprobungsphase
sind, setzen (Nano-)Eisenoxid als Kontrastmittel für
medizinische Bildgebungsverfahren ein. Solche magnetischen Verfahren sollen – wann immer möglich –
die Strahlenbelastung bei medizinischen Untersuchungen verringern. Auch versprechen speziell beschichtete Eisenoxid-Nanopartikel Fortschritte in
der Krebstherapie.
Sicherheitsforschung
Sowohl in der Medizin als auch in der Umwelttechnik wird der Einsatz von nanoskaligen Eisenoxidoder Eisenpartikeln untersucht.
Wenn Eisenoxid-Nanopartikel vor allem medizinisch
angewendet werden sollen (zum Beispiel als Kon-
© Uyuni Bolivia c javarmann / fotolia.com
trastmittel oder zur Tumortherapie) und somit direkt
in den Körper eingespritzt werden, ist es wichtig,
dass sie bei den verwendeten Dosierungen nicht toxisch wirken.
Die momentan verwendeten superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikel (SPION) bestehen aus
zwei Komponenten: einem Kern aus Eisenoxid und
einer Hülle aus einem wasseranziehenden Polymer.
Diese Beschichtung verhindert die Agglomeration
der Nanopartikel, reduziert ihre Toxizität und kontrolliert ihr Verhalten und ihre Verteilung im Körper.
SPION-Partikel mit einer Hülle aus Dextran wurden
bereits intensiv untersucht und sind für den klinischen Gebrauch von der US Food and Drug Administration (FDA) zugelassen.
Intravenös gespritzte SPION werden vor allem von
Makrophagen aufgenommen. In diesen Zellen wird
die Polymerhülle abgebaut und dann über den Urin
oder den Stuhl ausgeschieden. Das Eisen in den
SPION wird in die körpereigenen Eisenspeicher eingebaut. Die geringe Toxizität von SPION erstaunt
daher wenig, wenn man bedenkt, dass für medizinische Anwendungen nur relativ geringe Eisen-Konzentrationen (50 – 200 Milligramm/Person) verabreicht werden im Vergleich zu der relativ hohen
Eisenmenge, die bereits natürlich im Körper gespeichert wird (zirka 4.000 Milligramm/erwachsene Person).
Mit einer speziellen Polymerhülle, zum Beispiel
Polyethylenglykol (PEG), versehene SPION werden
weniger gut von Makrophagen aufgenommen. Diese Modifikation erhöht somit die Verweildauer von
Verrostete Dampflokomotive in Bolivien
(Foto: © javarman /
fotolia.com)
SPION im Körper und somit die Wahrscheinlichkeit,
das gewollte Ziel (beispielsweise einen Tumor) zu erreichen.
Eisenoxide kommen natürlich in Form von Erzen in
der Erdkruste vor. Deshalb könnte eine Exposition
mit Eisenoxid-Nanopartikeln dort schwer nachweisbar sein, wo auch natürliches Eisenoxid vorkommt.
Eisenoxide sind unlöslich in Wasser und treten in natürlichen Gewässern auf, zum Beispiel, wenn sie
durch Erzabbau-Tätigkeiten aus der Erdkruste freigesetzt werden.
Nanoskaliges metallisches Eisen wird in der Umwelttechnik zur Zerstörung von Grundwasserschadstoffen eingesetzt. Eisenoxid-Partikel wie Magnetit
eignen sich aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften hervorragend als Trägermaterialien für
Katalysatoren. Sie können gemeinsam mit dieser
katalytisch aktiven Beschichtung für die Reinigung
von verschmutzten Grund- und Abwässern eingesetzt werden. Da diese Methoden sowohl materialals auch zeitsparend im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren sind, ist ein verstärkter Einsatz von eisenbasierten Partikeln in der Ab- und vor allem der
Grundwasserreinigung zu erwarten. Bei der Anwendung im Grundwasser verbleiben die Partikel nach
der Zersetzung der schädlichen Chemikalien im
Grundwasserleiter. Generell werden sie als wenig
mobil eingeschätzt und man geht davon aus, dass
sie am Ort des Einsatzes verbleiben.
Was eine allgemeine Gefährdung durch Eisen angeht, sind derzeit keine Daten von epidemiologischen Studien verfügbar.
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Dr. Florian Paul
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Grüne Chemie trifft Nano
Aus der Forschung
Eva-Maria Felix, Doktorandin in den Materialwissenschaften an der Technischen Universität Darmstadt, stellt Nanoröhren aus Gold her – mit Hilfe
von Vitamin C und anderen harmlosen Substanzen.
Kaffee, Apfelsaft und Vitamin C: Was andere Leute
täglich zu sich nehmen, ist für die Chemikerin EvaMaria Felix Experimentiermaterial. Die Doktorandin
in der Arbeitsgruppe von Professor Wolfgang Ensinger, Fachgebiet Materialanalytik an der Technischen
Universität Darmstadt, beschäftigt sich mit der Herstellung von Nanoröhren aus Gold. Sie scheidet das
Edelmetall aus einer wässrigen Lösung auf einer vorbehandelten Folie mit vielen winzigen Kanälen ab.
Die Kanäle geben die Form der Nanoröhren vor; die
Folie wird anschließend aufgelöst. Die Technik an
sich ist nicht neu, doch Felix hat sie modifiziert: „Die
dafür üblicherweise verwendeten Chemikalien waren mir einfach zu giftig.“ Auf Cyanid und Formaldehyd, auf Arsen- und Schwermetallsalze wollte sie lieber verzichten. Ein Fachartikel von Forschern, denen
die Silberabscheidung mit Kaffee gelungen war,
spornte sie an.
Mit Kaffee führte auch Felix ihre ersten Versuche
durch. Doch mit dem dunklen Gebräu im Laborgefäß konnte sie die Reaktion nicht beobachten. Als
nächstes testete sie Apfelsaft, dann Vitamin C. Das
erschien ihr am besten geeignet, denn „bei Kaffee
und Apfelsaft weiß man nie genau, was drin ist“.
Vitamin C, im Fachjargon Ascorbinsäure, hingegen
gibt es in reiner Form im Chemikalienhandel – die
Voraussetzung für reproduzierbare Studien. Doch
was hat das Vitamin mit der Abscheidung von Gold
zu tun? Im Körper macht Vitamin C freie Radikale unschädlich, indem es Elektronen auf sie überträgt.
„Nach demselben Prinzip funktioniert auch die Goldabscheidung. Nur dass sich das Vitamin hier keine
Radikale schnappt, sondern Goldionen“, erklärt Falk
Münch, Postdoktorand und Betreuer der Dissertation von Felix. Die im Abscheidungsbad gelösten
Goldionen wandeln sich durch die Elektronenaufnahme in metallisches Gold um.
Für den Prozess sind noch weitere Chemikalien erforderlich. Alle sind jetzt so harmlos, dass Doktorvater Ensinger sagt: „Ich würde die Lösung des Abscheidungsbades trinken. Das ist wirklich grüne Chemie.“ Grün ist das Verfahren aber nicht nur wegen
der ungiftigen Substanzen, sondern auch weil es bei
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Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Raumtemperatur und ohne äußere Stromzufuhr abläuft und so Energie spart. Im Gegensatz zu anderen
Methoden sind zudem keine teuren Geräte erforderlich. Die Folie mit den Nanokanälen wird lediglich
in das Abscheidungsbad gelegt. „Eigentlich unglaublich, dass man mit wässrigen Lösungen und einfachen
Grundchemikalien so präzise Nanostrukturen produzieren kann“, findet selbst Postdoktorand Münch.
„Green meets Nano“ lautet der Leitspruch der TUForscher. Das einzige noch nicht grüne an dem Verfahren sei die als Vorlage verwendeten Folien, bemerkt Ensinger. Tests mit biobasierten Kunststoffen
stehen zwar schon auf der Agenda, aber noch bestehen die Folien aus Polycarbonat, aus dem auch
CDs gefertigt werden, oder aus Polyethylenterephthalat, kurz PET, bestens bekannt von Plastikflaschen
für Getränke.
Um die formgebenden Mini-Kunststoffkanäle zu erzeugen, wird eine runde Folie mit einem Durchmesser von fünf Zentimetern senkrecht mit einem Ionenstrahl beschossen. Jedes Ion hinterlässt in der
Folie eine geradlinige Spur, die anschließend zu einem feinen Loch, mikroskopisch betrachtet: zu einem Kanal, aufgeätzt wird. Dessen Durchmesser
lässt sich exakt einstellen – bis auf deutlich unter 100
Nanometer. Die Goldnanoröhren sind daher einige
hundertmal feiner als ein menschliches Haar. Ihre
Wandstärke hängt sowohl von der Dauer der Abscheidung als auch von der Goldkonzentration der
Ausgangslösung ab. Nach Auflösung der Folie erhält
man – je nach Versuchsbedingung – eine Ansammlung einzelner Nanoröhren oder ein Array aus hunderttausenden miteinander verbundenen Röhren.
Der Knackpunkt an der Technik: Um den Ionenstrahl
zu erzeugen, braucht man einen Ionenbeschleuniger.
Im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
am Stadtrand von Darmstadt haben die TU-Wissenschaftler den idealen Partner für ihre Forschung gefunden, doch für eine spätere kommerzielle Anwendung eignet sich der GSI-Großbeschleuniger schon
aus Kostengründen nicht. Nach Alternativen haben
sich die TU-Wissenschaftler bereits umgeschaut. Ein
amerikanisches Unternehmen etwa produziert ähnlich durchlöcherte Folien mit kleineren Beschleunigern. „Die Folien sind nicht so wohl definiert wie
unsere, eignen sich aber auch“, sagt Münch. Zudem
sind sie preiswert: eine ungefähr DIN-A4-große Folie
kostet nur wenige Euro. Der Goldpreis fällt laut Ensinger übrigens nicht ins Gewicht, da die benötigten
Mengen klein sind: „Mit einem Gramm Gold könnten wir für jeden Erdenbürger eine Nanoröhre machen.“ Eine einzelne Röhre nützt zwar niemandem,
aber auch für Mikrosensoren, Mini-Durchflussreaktoren oder andere potenzielle Anwendungen braucht
man nur wenig Material.
Eine Einsatzmöglichkeit der Goldnanoröhren hat
Ensingers Team bereits erfolgreich getestet: Sie eignen sich für den Bau von Sensoren zur Messung von
Wasserstoffperoxid. Wasserstoffperoxid schädigt
Nervenzellen und spielt vermutlich eine Rolle bei
neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer und
Parkinson. Sowohl in der medizinischen Forschung
als auch in der Diagnostik wäre daher ein Mikrosensor praktisch, der Wasserstoffperoxid im Körper
misst. Als Nachweisreaktion dient die durch Gold
katalysierte Umsetzung von Wasserstoffperoxid zu
Wasser. Dabei werden Elektronen frei – es fließt also
ein gut messbarer elektrischer Strom. „Bei geringen
Konzentrationen ist die Stromstärke proportional zur
Wasserstoffperoxid-Menge“, berichtet Münch. Die
Goldnanoröhren leiten den Strom durch ihre eindimensionale Struktur besonders gut. Außerdem sind
sie relativ lang und daher alterungsbeständiger als
herkömmliche Nanopartikel. Letztere werden meist
auf einem Träger fixiert, können sich aber mit der
Zeit ablösen und zum Wandern neigen.
„Nano meets Life“ lautet das zweite Motto der TUMaterialforscher. Sie denken zum Beispiel auch an
den Einsatz der Nanoröhren zur Messung von Blutzucker. „Ein subkutaner Sensor könnte DiabetesPatienten ersparen, dass sie sich ständig in den Finger stechen müssen“, meint Ensinger. Auch hier
punktet die grüne Herstellungsmethode, denn die
Bauteile solcher Implantate sollten möglichst ohne
giftige Chemikalien produziert werden. „Da schließt
sich der Kreis“, betont der TU-Professor und fasst
die beiden Leitsprüche zu einem zusammen: „Green
meets Nano meets Life“.
Autor: Dr. Uta Neubauer
Kombinieren grüne Chemie und Nanotechnologie: Professor Wolfgang Ensinger,
Doktorandin Eva-Maria Felix und Dr. Falk Münch (von links).
(Foto: Sandra Junker/TU Darmstadt)
Für die Herstellung der Nanoröhren wird Gold auf einer Folie abgeschieden.
(Foto: Sandra Junker/TU Darmstadt)
Publikation und Kooperation
Im Fachjournal RSC Advances der britischen Royal Society of Chemistry (RSC) haben Eva-Maria Felix, Falk Münch und Wolfgang Ensinger
ihr grünes Verfahren zur Herstellung von Goldnanoröhren und deren
Eignung als Wasserstoffperoxid-Sensor kürzlich publiziert (RSC Advances 4, 24504-24510, 2014, DOI: 10.1039/c4ra03377a). Die Technik
funktioniert so gut, dass die TU-Materialforscher jetzt auch Nanoröhren aus Platin, Palladium und anderen Metallen herstellen wollen. Ein
anderes Projekt, das die Folientechnik mit biologischen Nanokanälen
kombiniert, planen sie gemeinsam mit Kollegen aus dem Fachbereich
Biologie der TU Darmstadt.
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
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Heraeus: Mit neuen Materialien in
neue Märkte
Nano-Kommunikation
Ob für Brennstoffzellen oder Mobiltelefone: Die
Entwicklung von neuen Materialien genießt für
den Technologiekonzern Heraeus höchste Priorität, wie Rolf Najork, Mitglied der Geschäftsführung, erläutert.
Herr Najork, Heraeus ist in vielen verschiedenen Branchen aktiv. Wo sehen Sie zukünftig die besten Marktchancen?
Die potenziellen Zukunftsmärkte sind quasi deckungsgleich mit unseren konzernübergreifenden
Clustern zu den Themen Erneuerbare Energien, Display & Consumer Electronics, Additive Manufacturing, Health/Life Science und Sensorik. Das sind die
Zukunftsfelder, in denen Heraeus mit attraktiven Produkten und Materialinnovationen neue Märkte erobern will. Viele Märkte verändern sich rasant, vor allem getrieben durch neue Technologien. Seit Jahren
erfolgreiche Produkte kannibalisieren oder substituieren sich, da die weltweite Konkurrenz immer mehr
zunimmt. Produkt- und Innovationszyklen werden
immer kürzer. Wir müssen uns diesem Tempo anpassen.
?
Rolf Najork
Was sind aktuell die vielversprechendsten
Projekte in Ihrer Forschungspipeline?
Ich will dies mit einem Beispiel aus unserem Cluster
Display & Consumer Electronics beantworten. Die
Palette der Produkte, in denen Know-how von Heraeus steckt, reicht von Smartphones, Tablets, Fernsehern über Spielkonsolen und Kameras bis hin zu
Smart-Home-Modellen für das vernetzte Entertainment im ganzen Haushalt. Heraeus gestaltet diesen
?
Leitfähige Polymere
(Quelle: Heraeus)
Über Heraeus
Die Heraeus Holding GmbH mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges
Familienunternehmen mit einer über 160-jährigen Tradition. Mit seinen sechs Geschäftsbereichen – Edelmetalle, Materialien & Technologien, Sensoren, Biomaterialien, Pharma- & Medizinprodukte sowie
Quarzglas & Speziallichtquellen – erzielte der Konzern im Geschäftsjahr 2013 einen Produktumsatz von 3,6 Milliarden Euro und einen
Edelmetallhandelsumsatz von 13,5 Milliarden Euro. Heraeus beschäftigt weltweit rund 12.500 Mitarbeiter in mehr als 110 Gesellschaften.
Über Rolf Najork
Rolf Najork, Jahrgang 1961, hat an der RWTH Aachen Maschinenbau
studiert und war anschließend in verschiedenen leitenden Positionen
bei den Ford Werken, bei Getrag Ford Transmissions und der Schaeffler
Gruppe tätig. Seit April 2013 gehört er der Geschäftsführung von
Heraeus an.
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Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
Wandel mit – mit Ideen und innovativen Materialien,
die zum Beispiel ultradünne biegsame OLED-Displays oder unzerbrechliche, flexible Touchscreens
möglich machen und dazu beitragen, dass die Geräte noch kleiner, nutzerfreundlicher und leistungsfähiger werden.
Wie stellen Sie sicher, dass Sie nicht am
Kunden vorbei entwickeln?
Neue Materialien entwickeln wir in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden. Bei Entwicklungen
für die Display-Branche setzt Heraeus auf Forschungskooperationen in Europa und Asien. In Taiwan arbeiten wir beispielsweise mit dem Industrial
Technology Research Institute (ITRI) zusammen, vergleichbar einem Fraunhofer-Institut in Deutschland.
?
Welche Rolle spielt die Energiewende für
? die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
von Heraeus?
Green Technology und erneuerbare Energien sind
auf jeden Fall Themen, die uns zu Innovationen antreiben. Ein Beispiel sind Brennstoffzellen für die Automobilindustrie: Obwohl in diesem Hochtechnologiefeld schon seit den 1960er-Jahren weltweit intensive Entwicklungsarbeit betrieben wird, steht der
massentaugliche Durchbruch noch aus. Durch die
verstärkte Suche nach emissionsarmen und CO2neutralen Antrieben gewinnt das Thema jetzt immer
mehr an Dynamik.
Wie trägt Heraeus zur Weiterentwicklung
von Brennstoffzellen bei?
Speziell die Verbesserung der Lebensdauer und der
Leistung der Brennstoffzellen steht im Fokus. Unser
Cluster Erneuerbare Energien leistet dabei Entwicklungshilfe, denn neue Materialien für die Elektroden
der Brennstoffzelle können den Wirkungsgrad optimieren. In Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen sorgen
Katalysatoren dafür, die chemische Reaktionsenergie
von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie
umzuwandeln. Heraeus entwickelt dafür neue edelmetallhaltige Katalysator-Tinten, die als wirksame
Elektroden-Beschichtungen genutzt werden können.
Ziel des Clusters ist es, durch Know-how aus den verschiedenen Geschäftsbereichen Materialien zu entwickeln, die signifikante Produktverbesserungen zur
Erzeugung, Umwandlung, Speicherung und Distribution von erneuerbaren Energien möglich machen.
Zu den größten Herausforderungen der Zukunft gehört, Energie effizient zu nutzen und dabei Ressourcen und Umwelt zu schonen.
?
Veranstaltungen/Termine
25. – 26.03.2015
Wetzlar
W3+ FAIR. Drei Branchen. Ein Netzwerk. Eine Messe
Deutschlands neue Netzwerk-Messe der Branchen Optik, Elektronik
und Mechanik
n
www.w3-messe.de
13.04.2015
Hanau
Materialforum Rhein-Main
Veranstaltung des Materials Valley e.V.
n
www.materials-valley.de
16.04.2015
Wiesbaden
Beratungstag „Hessen ModellProjekte – Förderung angewandter
F&E-Projekte“
Beratungstag der HA Hessen Agentur GmbH
n
www.innovationsfoerderung-hessen.de
27. – 29.04.2015
Dresden
i-WING 2015
Deutschlands Konferenz für Förderakteure aus den Material- und
Werkstoffwissenschaften
n
www.i-wing2015.de
06.05.2015
Lauterbach
Industrie 4.0 - Für die Zukunft gerüstet sein!
Veranstaltung der IHK Gießen-Friedberg
n
www.ebusiness-lotse-mittelhessen.de
10. – 12.06.2015
Riga / Lettland
EuroNanoForum 2015
Europas Netzwerk-Konferenz im Bereich der Nanotechnologien
n www.euronanoforum2015.eu
Die Technologielinie Hessen-Nanotech ist eine Maßnahme des
Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie,
Verkehr und Landesentwicklung
Sebastian Hummel
Kaiser-Friedrich-Ring 75
D-65185 Wiesbaden
Tel.: +49 611 / 815 - 2471, Fax: - 492471
E-Mail: [email protected]
Internet: www.wirtschaft.hessen.de
Projektträger ist die
Hessen Trade & Invest GmbH
Dr. David Eckensberger (Projektleiter), Nicole Holderbaum
Konradinerallee 9
D-65189 Wiesbaden
Tel.: +49 611/950 17-83 26, Fax: -86 20
E-Mail: [email protected]
[email protected]
Impressum
Herausgeber
Technologielinie Hessen-Nanotech
Hessen Trade & Invest GmbH
Konradinerallee 9
D-65189 Wiesbaden
Redaktion
Nicole Holderbaum, Hessen Trade & Invest GmbH
Dr. David Eckensberger, Hessen Trade & Invest GmbH
Beiträge
S. 8/9 Kevin Zdiara, genius GmbH
S. 10/11 Jürgen Blöcher, FKM Sintertechnik
S. 11/12 Dr. Jan Spengler, Fraunhofer LBF
S. 16/17 Dr. Volker Strubel, InnovationGreen
S. 22 Interview geführt von Dr. Uta Neubauer
Bildquelle
Titelbild: © WZR ceramic solutions GmbH
Gestaltung
Piva & Piva, Studio für visuelles Design
Heidelberger Straße 93, 64285 Darmstadt
Druck
Druck- und Verlagshaus Zarbock GmbH & Co. KG
Sontraer Straße 6, 60386 Frankfurt am Main
Erscheinungsweise
4-mal pro Jahr (kostenlos)
Auflagenhöhe
5.000 Stück
11.06.2015
Hanau
Prozessautomatisierung in der Materialtechnologie (tbc)
Gemeinsame Veranstaltung von Materials Valley,
Hessen Trade & Invest und Umicore
n
www.materials-valley.de
15. – 19.06.2015
Frankfurt
ACHEMA 2015
Weltforum und 31. Internationale Leitmesse der Prozessindustrie
n
24
www.achema.de
Hessen-Nanotech NEWS 1/2015
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Mitteln der Europäischen Union.

Das Landesamt für Denkmalpflege Hessen in Wiesbaden

Ferientermine in Hessen 2014 / 2015 Herbstferien 20.10.2014

Flyer Politik wie funktioniert das eigentlich.pdf - Friedrich-Ebert

Pressemeldung von Hessen Mobil

Freiwillige Feuerwehr Zellhausen – Mach mit!

Ausschreibung - Integrationskompass

...finden Sie gutes Mittagessen in Ihrer Umgebung! ‹‹

2015-05 Was sind Hessens Lehrer wert - GEW

Côte de Nuits - La Vinotheque du Sommelier

Wie viele Schritte vor, wie viele zurück? - AWI Hessen