Forschung

– Key to Smart Products!

Impulsprojekte:
Innovationen für E-Mobilität, Industrie 4.0 und energieeffiziente Produkte

Die Forschungsaktivitäten der SmartPro-Partnerschaft fokussieren auf vier zentrale Anwendungsfelder: Energiewandler und -speicher, Leichtbau und 3D-Druck. In diesen zukunftsweisenden Feldern liefert SmartPro wichtige Beiträge zur Schärfung des Forschungsprofils der Hochschule Aalen und zur nachhaltigen Stärkung des Kompetenz- und Innovationsprofils der Region.

Die Umsetzung erfolgt über vier langfristig angelegte Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die sog. Impulsprojekte MagNetz, LiMaProMet, InDiMat und AddFunK. In den Impulsprojekten bringen 14 Arbeitsgruppen der Hochschule ihre spezifische Expertise ein. Eng eingebunden sind regionale Unternehmen unterschiedlicher Größe, Forschungseinrichtungen und Transferpartner.

Zusätzliche Potentiale für die Forschungs- und Innovationsziele der SmartPro-Partnerschaft werden durch sog. Explorative Projekte eröffnet, in denen die Forschungsansätze der vier Impulsprojekte und Anwendungsfelder inhaltlich und methodisch ausgeweitet werden.

MagNetz

Smarte Magnet­werkstoffe und Werkzeuge ihrer Qualitäts­bewertung für leichte, kompakte und effiziente Elektromotoren

Magnete sind allgegenwärtig: in Elektromotoren, Generatoren und Aktoren in autonomen Systemen und Akkugeräten. Magnet­technologien in diesen elektrischen Energiewandler-Maschinen ermöglichen die effiziente Nutzung von Energie für intelligente Mobilität, Windkraft und Elektrowerkzeuge sowie Industrie 4.0-gerechte Fabrikautomation. Magnetmaterialien sind Schlüssel für marktattraktive material-, energie- und ressourcen­effiziente Produkte. Gegenwärtige Nachteile sind kostenintensive Seltenerdmetalle und erhöhte Verluste durch verbautes Elektroblech. Smarte Magnetwerkstoffe von gesicherter Qualität mit spezifisch auf die Systeman­forderungen angepassten Eigenschaften und intelligente Magnet­technologien stehen daher im Fokus des Impulsprojekts MagNetz.

MagNetz

 

Projektleitung

Prof. Dr. Dagmar Goll
Tel.: +49 (0) 7361 576-1601
dagmar.goll@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Weitere Forschungs­institutionen
  • Fraunhofer–Institut für Werkstoff­mechanik
  • Karlsruher Institut für Technologie
  • Max-Planck-Institut für intelligente Systeme
Unternehmen
  • AMK Arnold Müller GmbH & Co. KG Antriebs- und Steuertechnik
  • Antriebstechnik GmbH Faurndau
  • Carl Zeiss Microscopy GmbH
  • Daimler AG
  • Dürr Technik GmbH & Co. KG
  • Georgii Kobold GmbH & Co. KG
  • GTS Generator. Technik. Systeme. GmbH & Co. KG
  • Robert Bosch GmbH
  • Vacuumschmelze GmbH & Co. KG
Transferpartner
  • e-mobil BW GmbH

LiMaProMet

 

Projektleitung

Prof. Dr. Timo Sörgel
Tel.: +49 (0) 7361 576-2468
timo.soergel@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Weitere Forschungsinstitutionen
  • Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie fem Schwäbisch Gmünd
  • Karlsruher Institut für Technologie
Unternehmen
  • Carl Zeiss Microscopy GmbH
  • CCT GmbH
  • Kessler & Co. GmbH & Co. KG
  • Outlast Europe GmbH
  • VARTA Microbattery GmbH
Transferpartner
  • e-mobil BW GmbH

LiMaProMet

Smarte Materialsysteme, intelligente Fertigungsprozesse und Qualitäts­methoden für Lithium-basierte Batterien

Der Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit erhöhter Energie­dichte, Sicherheit und Lebensdauer ist aufgrund der gestiegenen An­forder­ungen an mobile Anwendungen sehr hoch. Im Fokus stehen Reichweite, Laufzeit, Ladedauer und Sicherheit für Elektromobilität und Portable Electronics. Die in der Energie­wende angestrebte vermehrte Nutzung regenerativer Energien erfordert kostengünstige Energiespeicher mit langer Lebensdauer. Smarte Batterie­materialien, Fertigungsprozesse und Qualitäts­bewertungs­methoden sind Schlüssel­techno­logien für eine ressourcen­effiziente Mobilität und Energieversorgung. Daher zielt das Impulsprojekt LiMaProMet ab auf die Entwicklung intelligenter Lithium-basierter Speicher­technologien bis zur Marktreife.

InDiMat

Intelligente Fügeprozesse und Leichtbau-Designs sowie qualitäts­sichernde Prüf­verfahren für energieeffiziente Produkte

Leichtbau ist eine branchen­übergreifende Schlüsseltechnologie mit herausragender Bedeutung für Verkehr, Energie­versorgung und Automatisierung in der Industrie. Im Vordergrund stehen Material- und Energieeffizienz. Zu den vielver­sprechendsten Leichtbau­­werkstoffen gehören Carbon­faserverstärkte Kunststoffe (CFK) — oft realisiert als Multimaterial­verbunde mit breitem Anwendungs­spektrum, wie z.B. mit Leichtmetallen und hochfesten Stählen. Auf kosteneffiziente intelligente Verfahrensansätze für hybriden Leichtbau zielt das Impulsprojekt InDiMat ab. Dabei stehen Druckumgießen, thermisches Direktfügen sowie klebetechnisches Fügen von CFK mit Leichtmetallen zur Darstellung hochfester Multimaterial­verbunde im Fokus. Ergänzend werden Simulationsmethoden zur Auslegung sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Absicherung der Qualität der Fügeverbindungen weiterentwickelt.

InDiMat

 

Projektleitung

Prof. Dr. Lothar Kallien
Tel.: +49 (0) 7361 576-2252
lothar.kallien@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Weitere Forschungsinstitutionen
  • Technische Universität München
  • Universität Ulm
Unternehmen
  • Alfred Härer GmbH
  • Carbon-Werke Weißgerber GmbH & Co. KG
  • DYNA more GmbH
  • EMAG Automation GmbH
  • Franke GmbH
  • HAAS Metallguss GmbH
  • Henkel AG & Co. KGaA
  • Oskar Frech GmbH + Co. KG
  • PVA TePla Analytical Systems GmbH
  • TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
  • Voith Composites GmbH & Co. KG
Transferpartner
  • Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg GmbH
  • Photonics BW e. V.

AddFunK

 

Projektleitung

Prof. Dr. Rainer Börret
Tel.: +49 (0)7361 576-3482
rainer.boerret@hs-aalen.de

 

Projektpartner

Weitere Forschungsinstitutionen
  • Glasgow Caledonian University
  • Karlsruher Institut für Technologie
  • Universität Ulm 
Unternehmen
  • Carl Zeiss Jena GmbH / Carl Zeiss Vision GmbH
  • Eluminocity GmbH
  • Franke GmbH
  • F. & G. Hachtel GmbH & Co. KG
  • Hecker Werke GmbH
  • MAPAL Dr. Kress KG
  • Oppold System International GmbH
  • Trumpf GmbH + Co. KG
Transferpartner
  • Photonics BW e. V.

AddFunK

Additiv gefertigte intelligente Komponenten für Ressourcen- und Energieeffizienz

Additive Fertigung ist eine der Schlüssel­technologien für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge. Sie ermöglicht die wirtschaftliche ressourcen­effiziente Herstellung individualisierter Produkte. Fragestellungen der Industrie hierzu greift das Impuls­projekt AddFunK auf. Beispiele sind 3D-Druck mit smarten Werkstoffen oder neuen Material­kombi­nationen wie CerMets, Hartmetallen und optischen Kunststoffen für intelligente Sensoren in cyberphysischen Systemen. Neben neuen Anwendungs­möglichkeiten und Funktions­integration im Bereich Metall oder optischer Elemente durch intelligente Fertigungs­prozesse stehen die konstruktive Gestaltung der Komponenten sowie die Einstellung gewünschter physikalischer Eigenschaften im Fokus. Wichtige Aspekte sind die Oberflächen­qualität und -mikro­strukturierung durch Laser.

Explorative Projekte

Zusätzlich zu den vier langfristig angelegten Impulsprojekten führt die SmartPro Partnerschaft Explorative Projekte durch, um weitere Forschungs- und Innovationspotentiale zu eröffnen. Die vier zentralen Anwendungsfelder von SmartPro – Energiewandler und -speicher, Leichtbau und 3D-Druck – werden hierdurch inhaltlich und methodisch erweitert. Die Vorhaben sind meist grundlagenorientiert und mit einem hohen Risiko behaftet, weisen jedoch bei erfolgreicher Durchführung ein besonders hohes Verwertungspotential auf.

Die Fragestellungen, die in den „Explorativen Projekten“ von SmartPro aufgegriffen werden, erfordern hochgradig interdisziplinäre Lösungsansätze. Hierbei werden zur kontinuierlichen Erweiterung der zur Verfügung stehenden Expertise auch neuberufene oder bisher weniger forschungsaktive Professoren in SmartPro integriert.

3DGRIN

3D-Druck von Gradientenindexoptiken

Konventionelle optische Bauelemente bestehen aus einem Material mit homogenen optischen Eigenschaften wie z.B. dem Brechungsindex. Ziel des Projekts 3DGRIN ist die Entwicklung einer Gradientenindexoptik (GRIN-Optik), bei der Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices kombiniert werden.

Gradientenindexoptiken generieren neue Eigenschaften optischer Bauteile und versprechen damit innovative Anwendungen, wie sie für hochintegrierte Systeme notwendig sind, z.B. für Augmented Reality – Systeme. Bisher konnten sie nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten sowie für eingeschränkte Funktionalitäten gefertigt werden. Im Vorhaben 3DGRIN wird nun die innovative und wirtschaftliche Fertigung von Gradientenindexoptiken in einem einzigen Fertigungsprozess mittels 3D-Druck untersucht.

3DGRIN unterstützt die Verwertungs- und Transferstrategie der SmartPro-Partnerschaft durch direkte Kooperation mit den an SmartPro beteiligten Unternehmen.

  • Projektleitung
    Prof. Dr. Andreas Heinrich, Zentrum für optische Technologien (ZOT)
  • Projektpartner
    Prof. Dr. Rainer Börret, ZOT;
    Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum (LAZ)
  • Laufzeit 
    01.07.2018 – 30.06.2019

Das Explorative Projekt 3DGRIN ist dem Impulsprojekt AddFunK angegliedert.

HEROD

Simulation des 3D-Drucks hochpräziser Kunststoffteile

Ziel des Projekts HEROD ist die Entwicklung eines Simulationsmodells für den 3D-Kunststoffdruck.
3D-gedruckte Kunststoffbauteile werden schichtweise im Drucker aufgebaut. Die Verbindung der Schichten während des Druckprozesses ist eine Schwachstelle. Die mechanischen Eigenschaften des gesamten Bauteils hängen stark davon ab, wie gut sie sich ausbildet.

Das in HEROD zu entwickelnde Simulationsmodell soll die mechanischen Eigenschaften der Komponenten vorhersagen. Es beruht auf Einzelelementen, die einzelnen 3D-gedruckten Tropfen entsprechen. Das Modell wird experimentell durch Festigkeitstests überprüft. Mit dem Modell lässt sich ermitteln, ob mittels 3D-Druck Kunststoffteile hergestellt werden können, die ähnliche mechanische Eigenschaften und identische Belastbarkeit wie die derzeit in der Industrie verwendeten Spritzgussteile aufweisen. Im Erfolgsfall können z.B. Ersatzteile aus Kunststoff in kleinen Stückzahlen schnell, einfach und hochpräzise mittels 3D-Druck gefertigt werden.

  • Projektleitung
    Prof. Dr. Rainer Börret, Zentrum für optische Technologien (ZOT)
  • Projektpartner
    Dr. Wolfgang Rimkus, Technologiezentrum Leichtbau (TZL)
  • Laufzeit
    01.01.2019 – 29.02.2020

Das Explorative Projekt HEROD ist dem Impulsprojekt AddFunK angegliedert.

PreMo-LiB

Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen als Wegbereiter zur Verbesserung der Prozessqualität in der Batterie-Massenproduktion

Hochqualitative Lithium-Ionen Batterien mit langer Lebensdauer werden zukünftig in vielen Industrieprodukten benötigt, z. B. in E-Autos, Smartphones oder Elektrowerkzeugen. Im Projekt PreMo-LiB untersucht die Hochschule Aalen in Kooperation mit der Varta Microbattery GmbH innovative produktionsbegleitende Verfahren zur Lebensdauerprognose und -verbesserung mittels moderner selbstlernender Softwarealgorithmen (Maschinelles Lernen, Künstliche Intelligenz).

Derzeit zeigt sich erst im späteren Einsatz, ob eine Lithium-Ionen Batterie den Kundenanforderungen genügt. Denn eine produktionsbegleitende Qualitätsprognose ist aufgrund der komplexen physikalischen Wirkzusammenhänge innerhalb der Batterie nur sehr eingeschränkt möglich und nicht tauglich für die Massenproduktion.

Im Projekt PreMo-LiB werden nun maschinelle Lernverfahren eingesetzt, mit denen kostengünstig und praktikabel die Qualität und Lebensdauer der Batterie produktionsbegleitend prognostiziert werden können. Das qualitätssichernde Verfahren arbeitet zerstörungsfrei und ist für die Massenproduktion hochqualitativer Lithium-Ionen Batterien skalierbar.

  • Projektleitung
    Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik
  • Projektpartner
    VARTA Microbattery GmbH
  • Laufzeit
    01.03.2019 – 31.08.2020

Das Explorative Projekt PreMo-LiB ist dem Impulsprojekt LiMaProMet angegliedert.

SurfPlus

Laserstrukturierte Oberflächen für trennmittelfreies Druckgießen

Aluminium-Druckguss gewinnt für Leichtbauanwendungen immer mehr an Bedeutung. Um beim Gießvorgang ein Anhaften des Bauteils an der Oberfläche des Druckgusswerkzeuges zu verhindern, sind bisher Trennmittel erforderlich. Ihr Einsatz ist jedoch kostenintensiv und kann zu Rissbildung und erhöhtem Verschleiß führen.

Im Projekt SurfPlus wird ein innovatives trennmittelfreies Verfahren erarbeitet, das ein Anhaften des Aluminiumbauteils an das Werkzeug verhindert. Die Werkzeugoberfläche wird vor dem Gießvorgang mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung definiert strukturiert. Die Pulse mit einer Dauer im Femto- und Pikosekundenbereich senken gezielt die Benetzungsfähigkeit des Druckgusswerkzeugs, so dass seine Oberfläche nicht durch die Schmelze benetzt werden kann. Ein Anhaften des Bauteils während des Gussprozesses wird verhindert.

Erfolgreiche laserbasierte Oberflächenfunktionalisierung ermöglicht Aluminium-Druckgussverfahren ohne Trennmittel und steigert dadurch Wirtschaftlichkeit und Qualität. SurfPlus eröffnet neue Anwendungsfelder, die insbesondere für die Automotive-Branche von großem Interesse sind.

  • Projektleitung 
    Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum (LAZ)
  • Projektpartner
    Prof. D. Lothar Kallien, Gießereitechnologie Aalen (GTA)
  • Laufzeit
    01.04.2019 – 31.03.2020

Das Explorative Projekt SurfPlus ist dem Impulsprojekt InDiMat angegliedert.

TRICLA

Topologieoptimierung hybrider Bauteile für den Automobilbau

Leichtere Bauteile mit hoher Stabilität und Sicherheit sind für den Automobilbau von großem Interesse. Zahlreiche Strukturbauteile in Autos, die bruchanfällig und bei einem Aufprall relevant sind, bestehen aus unterschiedlichen, miteinander kombinierten Materialien. Für solche sog. hybriden Bauteile lassen sich die gängigen Methoden zur Auslegung von (nicht hybriden) Bauteilen derzeit nicht geeignet einsetzen und verknüpfen.

Ziel des Projektes TRICLA ist daher die Entwicklung eines effizienten Workflows zur kraftflussgerechten Auslegung hybrider Strukturbauteile. Unterschiedliche Strukturoptimierungsmethoden und Simulationen werden darin kombiniert. Zentraler Bestandteil ist die dynamische Topologieoptimierung. Mit dieser Methode werden Bauteile nach bionischen Grundsätzen (nach dem Vorbild der Natur) und unter dynamischen Lasten, wie sie z. B. bei einem Aufprall auftreten, konstruiert. Materialeigenschaften und weitere Parameter werden berücksichtigt. Ziel ist eine signifikante Materialreduktion bei gleichbleibender Performance des bruchanfälligen Bauteils.

  • Projektleitung 
    Dr. Wolfgang Rimkus, Technologiezentrum Leichtbau (TZL)
  • Projektpartner 
    Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen (IMFAA)
  • Laufzeit
    01.03.2019 – 31.08.2020

Das Explorative Projekt TRICLA ist dem Impulsprojekt InDiMat angegliedert.

Data Science für SmartPro

Neben Qualitätsbewertung und Materialanalytik wird Data Science zukünftig eine zentrale Querschnitts­thematik sein. Interdisziplinär werden neue Verfahren entwickelt, die Machine Learning nutzen. «Wir verknüpfen durch ‚Machine Learning‘-Informationen von Werkstoffstrukturen mit den Werkstoffeigenschaften. So können wir Materialeigenschaften gezielt verbessern und schaffen Grundlagen für smarte Produkte», sagt Rektor Prof. Dr. Gerhard Schneider.

Mehr Infos …

Künstliche Intelligenz und Machine Learning als Wegbereiter zur Verbesserung der Prozessqualität in der Batterie-Massenproduktion

In der Zukunft werden in vielen Industrieprodukten hochqualitative Lithium-Ionen-Batterien mit langer Lebensdauer benötigt: E-Fahrzeuge, Smartphones, Elektrowerkzeuge, etc. Hier setzt das Explorative Projekt „PreMo-LiB“ (Prädiktive Modellierung der Lebenszyklen von Lithium-Ionen Batterien) der SmartPro – Partnerschaft an. Im Projekt PreMo-LiB untersucht die Hochschule Aalen, in Kooperation mit der Varta Microbattery GmbH, innovative produktionsbegleitende Verfahren zur Lebensdauerprognose und -verbesserung mittels moderner selbstlernender Software-Algorithmen (Machine Learning, Künstliche Intelligenz).

Bildinfo

Die Beurteilung der Qualität von Lithium-Ionen-Batterien mittels Deep Learning – Methoden in der Mikroskopie wurde auch auf der Hannover Messe 2019 und der make Ostwürttemberg 2019 vorgestellt. Links: Olatomiwa Badmos vom Institut für Materialforschung beim Forum tech transfer.

KMU-Projekte

Gemeinsam mit der Wirtschaft werden weitere attraktive Forschungs- und Entwicklungsprojekte auf den Weg gebracht, insbesondere mit regionalen KMU. Diese Vorhaben – sog. «KMU-Projekte» – tragen zum weiteren Ausbau des starken Kooperations­netzwerks bei und entwickeln SmartPro gezielt thematisch, wie methodisch weiter. Interessierte innovative Unternehmen aus der Region können dadurch strategisch als Industriepartner neu oder intensiver einbezogen werden.

Assoziierte Projekte

Mit großem Erfolg konnte die Hochschule Aalen Drittmittel für weitere innovative Forschungsprojekte einwerben, die Fragestellungen aus den SmartPro-Anwendungsfeldern aufgreifen. Diese assoziierten Projekte werden häufig gemeinsam mit regionalen Unternehmen durch die an SmartPro beteiligten Arbeitsgruppen durchgeführt. Dabei unterstützen auch zahlreiche SmartPro-Industriepartner seit der Antragstellung durch LOIs, Beratung im Rahmen von Beiräten sowie wissenschaftliche Diskussionen der transferorientierten Vorhaben. Ausgewählte Projekte werden vorgestellt.

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Die Hochschule Aalen hat sich mit SmartPro bundesweit in der Spitzengruppe der Fachhochschulen positioniert. Sie wird als eine von 10 Hochschulen in der Fördermaßnahme FH-Impuls des Bundes­ministeriums für Bildung und Forschung mit rund 5 Millionen Euro für zunächst vier Jahre gefördert. Kernziele sind der nachhaltige Ausbau des regionalen Transfer- und Kooperations­netzwerks sowie die Schärfung des Forschungsprofils.