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Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung eines Heißdrahtförderers sowie Sensordatenmanagement

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additiven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung eines energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmesserbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zugeführt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Bei EUTECT wird ein Heißdrahtfördersystem entwickelt, welches auf der einen Seite Feindrähte im Durchmesserbereich zwischen 50 µm und 100 µm prozesssicher fördern kann und auf der anderen Seite über eine Widerstandserwärmung verfügt, welche mit elektrischer Leistung von unter 7 W den Draht auf Temperaturen kurz unterhalb der Schmelztemperaturen erwärmen kann. Zusätzlich soll mit einer zu entwickelnden Kraftmesseinheit die mechanische Widerstandskraft auf den Draht während des Auftragschweißprozesses detektierbar sein.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Die Entwicklungstätigkeiten des Antragstellers im Teilvorhaben zielen dabei auf die energieverbrauchsoptimierte Regelung der Anlagenkomponenten wie Laserstrahlquellen, Drahtfördersystem, Vorwärmsystem und Bewegungssystem.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Errichtung des Versuchsstands und Entwicklung der Maschinensteuerung

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Die Entwicklungstätigkeiten des Antragstellers im Teilvorhaben zielen dabei auf die energieverbrauchsoptimierte Regelung der Anlagenkomponenten wie Laserstrahlquellen, Drahtfördersystem, Vorwärmsystem und Bewegungssystem.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung des koaxialen Laserauftragschweißkopfes und Laserprozessentwicklung

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Pulverwiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Im Teilvorhaben ist einerseits beabsichtigt, einen Laserbearbeitungskopf zu entwickeln. Dieser umfasst vier einzelne Strahlquellen sowie eine geeignete Strahlführung. Der Bearbeitungskopf verfügt zudem über eine mechanische Schnittstelle zur Aufnahme eines Drahtvorschubs. Anderseits werden in diesem Teilvorhaben Auftragschweißprozesse im Laboraufbau und im Versuchsstand eines Projektpartners unter industriellen Bedin­gungen entwickelt. Der Nachweis der industrienahen Einsetzbarkeit soll anhand der Fertigung anwendungstypischer Demonstratorbauteile erfolgen.

Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile

Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile, KMU-innovativ - SLSElasto - Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile

Photonische Prozesse zum schnellen, präzisen und flexiblen Heizen von Halbleiterbauelementen, Teilvorhaben: Ultraschnelle in situ-Analyse von Annealing-Prozessen mittels Pump-Probe Messtechnik

Ziel des Projektes ist das breite Spektrum der thermischen Prozesse (Annealing) in der Solarzellenproduktion mit 'Laser' als Wärmequelle abzudecken und die Limitierungen der Ofentechnologie zu überwinden. Folgender Bedarf wird adressiert: Örtlich selektive Behandlung einzelner Schichten in komplexen Strukturen wie Perowskit- und Heterosolarzellen sollen überhaupt möglich gemacht werden. In Öfen werden die Werkstücke als Ganzes geheizt. Während manche Schichten von der Wärme profitieren, degradieren andere. Laser bieten über angepasste Wellenlänge, Strahlformung und Pulsdauern drei Strategien zum selektiven Wärmeeintrag. - Temperaturen größer als 1400 Grad C im Werkstück sollen energieeffizient erreicht werden. Im Gegensatz zu Lampen oder elektrischen Elementen können Laser Materialien heizen, während sie selbst kalt bleiben. Die Anforderungen an das Kühlsystem und Stromverbrauch der Anlage sinken dabei. - Die Geschwindigkeit, die Präzision und die Flexibilität des Wärmeeintrags sollen erheblich steigen. Laser können auf Knopfdruck an- und ausgeschaltet werden und sind somit hoch dynamische Quellen. - Die physikalischen Mechanismen im Werkstück sollen durch die breiten Prozessoptionen mit Lasern besser verstanden werden. Die Materialien in Solarzellen sind vielseitig, ebenso wie zur Verfügung stehenden Laser. Im Konsortium in PhocoHila soll zum ersten Mal ein Gesamtbild erzeugt werden, das die Anforderungen der Materialien mit den verfügbaren Strahlquellen verknüpft. Daraus kann für die verschiedenen Anwendungen im Kontext der jeweils geltenden Randbedingungen die optimale thermische Behandlung ermöglicht werden. Des Weiteren soll in PhocoHila die Laser-Materie Interaktion in unterschiedlichen Szenarien mit dediziertem Messequipment detailliert untersucht werden. Auch Anlagenentwicklung wird in diesem Projekt adressiert. Es soll eine Prototyp Laseranlage mit integrierter Vakuum-Prozesskammer gebaut werden, die Annealing bei hohen Temperaturen über dem Schmelzpunkt ermöglicht.

Photonische Prozesse zum schnellen, präzisen und flexiblen Heizen von Halbleiterbauelementen, Teilvorhaben: Prozesskammer für laserbasierte Hochtemperaturprozessierung

Die Ziel des Projektes ist das breite Spektrum der thermischen Prozesse (Annealing) in der Solarzellenproduktion mit 'Laser' als Wärmequelle abzudecken und die Limitierungen der Ofentechnologie zu überwinden Die Materialien in Solarzellen sind vielseitig, ebenso wie die Laser. Im Vorhaben 'PhocoHila' soll zum ersten Mal ein Gesamtbild erzeugt werden, das die Anforderungen der Materialien mit den verfügbaren Strahlquellen verknüpft. Daraus kann für die verschiedenen Anwendungen im Kontext der jeweils geltenden Randbedingungen die optimale thermische Behandlung ermöglicht werden. Des Weiteren soll in PhocoHila die Laser-Materie Interaktion in unterschiedlichen Szenarien mit dediziertem Messequipment detailliert untersucht werden. Auch Anlagenentwicklung wird in diesem Projekt adressiert. Es soll eine Prototyp Laseranlage mit integrierter Vakuum-Prozesskammer gebaut werden, die Annealing bei hohen Temperaturen über dem Schmelzpunkt ermöglicht.

Untersuchungen zu Mengengerüst und Entsorgungsmöglichkeiten berylliumhaltiger radioaktiver Abfälle in Deutschland

Schwerpunktprogramm (SPP) 1708: Materialsynthese nahe Raumtemperatur; Priority program (SPP) 1708: Material Synthesis near Room Temperature, Chalkogenid-basierte Ionische Flüssigkeiten in der Synthese von Metallchalkogenid- und Interchalcogenid-Materialien nahe Raumtemperatur

Das Projekt untersucht die Anwendung Ionischer Flüssigkeiten (IL) Chalcogen-basierter Anionen vom Typ Hydrochalcogenid (EH), Trimethylsilylchalcogenid (E-TMS) oder Polychalcogenid (Ex) (E = S, Se, Te) in der Synthese ausgewählter 2D- und 3D-Metal-Chalcogenid- oder Poly- bzw. Interchalcogenid-Materialien. Das Vorhaben wird klare Vorteile der Nutzung derart hochreaktiver Synthone für den Chalkogen-Transfer herausarbeiten, die einen einfachen Zugang, höchste Reinheit, perfekte Löslichkeit in organischen Cosolventien, niedrige Schmelzpunkte (in einigen Fällen) und eine äußerst hohe Reaktivität gegenüber Elektrophilen und Lewis-Säuren aufweisen. Eine Strategie verfolgt Protolysereaktionen ausgewählter Metallorganyle und Amide in Ionischen Flüssigkeiten Cat (EH) (E = S, Se), eine weitere komplementäre Strategie die Anionmetathese von Metallhalogeniden, die in Cat (E-TMS) and Cat (EH) ILs gelöst werden. In dieser Hinsicht werden Reaktivitätsmuster ausgewählter Metall-Vorläuferverbindungen des p-Blocks, Ga(III), In(III), In(II) and Sn(II), in ihren Reaktivitätsmustern mit ausgewählten Startverbindungen der f-Block Elemente, Ln(II) and Ln(III), verglichen. Neue Klassen thermolabiler Chalcogenido-Organometallate ((RxM)yEz)n- (M = Ga, In, La und Ln; E = S, Se) und Trimethylsilylchalcogenido-Metallate (M(E-TMS)4)- (M = Ga, In, La) werden erschlossen. Sie stellen labile Intermediate in der Gewinnung von Halbleitermaterialien ME, M2S3 und ME2 nahe Raumtemperatur oder knapp darüber dar. Reaktionen mit oben genannten ILs bei Raumtemperatur erlauben die Isolierung neuer Zinn(II)- und Zinn(IV)-Vorläuferverbindungen, Cat(SnE2) und Sn(E-TMS)4 (E = S, Se), deren Kondensation zu SnE und SnE2 Halbleitermaterialien untersucht wird. Die Reaktion von (NH4)2(MoS4) mit Methylcarbonat-ILs Cat(MeCO3) bietet einen Zugang zu Zwischenprodukten Cat2(MoS4), die über zwei Strategien in MoS2 überführt werden sollen: 1) Thermolye im IL-Flux und 2) Reaktionen mit Elektrophilen, gefolgt von reduktiver Eliminierung von Disulfiden. Eine dritte Strategie untersucht die Thiolyse von (MoX4) Komplexen in Cat(SH) oder Cat(S-TMS) ILs. Schließlich ist geplant, die Vorteile Chalcogenid-basierter ILs in der Synthese von Chalcogen-reichen Polychalcogenid-, Interchalcogenid- und Interchalcogen-Materialien zu erforschen.

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