Der Problemraum

Der Mensch misst den Nutzen von Produkten an den Kriterien Funktionalität, Bezahlbarkeit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit. In diesem Bestreben werden Produkte und Prozesse immer komplexer. Der Aufwand zum Lösen von Problemen steigt überproportional an – zulasten der Entwicklungsdynamik, die hierdurch gebremst wird.

Smart³ setzt daher auf einen Paradigmenwechsel, der die Potentiale von smart materials strategisch aufgreift und im Verlauf schöpferischer Prozesse Innovationen generiert.

Unter smart materials versteht das Konsortium eine Gruppe von Werkstoffen, welche die herausragende Fähigkeit besitzen, sich selbständig veränderten Umweltbedingungen anzupassen bzw. ihre Eigenschaften durch äußere Einflüsse gezielt so zu verändern, dass sie optimal angepasst sind. Sie ermöglichen eine hohe Funktionalität in vereinfachten Strukturen und eröffnen gleichzeitig völlig neue Perspektiven im Produktdesign.

Das Konsortium setzt bei der Erarbeitung von neuartigen Prozessen und Produkten auf vier intelligente Materialklassen:

Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL)
FGL ermöglichen elegante Lösungen, um bspw. auftretende Wärmeenergie zum energieautarken Auslösen des Formgedächtniseffektes zu nutzen.

Magnetische Formgedächtniswerkstoffe (MSM)
MSM-Materialien sind eine besonders zukunftsträchtige Klasse unter den smart materials, da sie ihre Form unter Einfluss eines Magnetfeldes bis zu 12 Prozent ändern können. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen als Aktoren, für das Gewinnen kleiner Mengen elektrischer Energie sowie als Sensoren.

Dielektrische Elastomeraktoren (DEA)
Aus DEA-Materialien gefertigte Energy-Harvesting-Module zur Gewinnung elektrischer Energie aus Quellen wie Vibrationen oder Schwingungen werden Wirkungsgrade von über 80 Prozent prognostiziert. Sie sind damit konventionellen Techniken und Solarmodulen deutlich überlegen.

Piezokeramiken
Piezokeramische Werkstoffe zeigen unter Einwirkung einer Verformung durch äußere Kräfte eine Ladungstrennung. Verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche entweder an der Ober- bzw. Unterseite oder an den gegenüberliegenden Mantelflächen. Daraus leiten sich z.B. Anwendungen als Ultraschallsensoren und elektromechanische Transformatoren ab.
 

Die Ziele

Smart³ setzt sich zum Ziel, die Entwicklung neuer, innovativer (+intelligenter) Produkte und Lösungen auf Basis von smart materials zu forcieren und damit nachhaltiges Wachstum zu schaffen. Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Konsortium drei Projektskizzen entwickelt, die strategische Fragen klären und die Verwirklichung erster konkreter Ideen anvisieren.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Zukunft vernetzen – Neue Horizonte in SichtDas Projekt ZUKUNFT VERNETZEN legt den Grundstein für die Strategie von smart³. Die interdisziplinäre Kooperation zwischen Ingenieurswissenschaften, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften eröffnet in technischer wie technologischer Sicht völlig neue Horizonte. Es fungiert als „Schrittmacher“ für die Umsetzung der Vision und entwickelt Lösungsansätze für den kommerziellen Durchbruch von smart materials.

Zukunft gestalten – Für eine aufgeklärte Gesellschaft
Das Projekt ZUKUNFT GESTALTEN bildet das zentrale Bindeglied zwischen smart³ und der breiten Öffentlichkeit, um eine gesellschaftliche Sensibilisierung und Akzeptanz von smart materials umfassend herzustellen. So sucht das Konsortium gemeinsam mit Bürgern gezielt nach frischen Ideen für bahnbrechende Produkte. Hierzu sollen die Kompetenzen im Bereich der Werkstoffwissenschaften mit modernem Design und vor allem gestalterischer Kreativität kombiniert werden, um neue kommunikative und mediale Möglichkeiten und Kanäle zu erschließen. Im »Labor der Zukunft« entsteht bspw. ein thematischer Begegnungs- und Bezugsraum zwischen Wissenschaftlern, Unternehmern und gesellschaftlichen Akteuren.

Zukunft sichern – Erste Innovationen generieren
Im Projekt ZUKUNFT SICHERN werden gezielt Lösungen in den vier Bedarfsfeldern Mobilität, Gesundheit, Energie und Sicherheit erarbeitet. Das Konsortium untersucht hierzu bekannte Probleme in den jeweiligen Bedarfsfeldern und entwickelt auf der Grundlage von smart materials innovative Lösungsansätze.

Mobilität der Zukunft
Das Startprojekt Mobilität der Zukunft repräsentiert die Materialklasse der magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSM). Die technologischen Vorteile von MSM-Aktoren begründen ein umfangreiches Interesse kommerzieller Anwendungen im Bedarfsfeld Mobilität. Das Ziel ist eine wirtschaftliche Etablierung von Produktionsprozessketten für Anwendungen mit kleinen und mittleren Stückzahlen.

Gesundheit der Zukunft
Das Startprojekt Gesundheit zielt auf die Materialklasse der thermischen Formgedächtnislegierungen (FGL). Dabei sollen die Grundlagen für die Überführung von smart materials bis in die klinische Anwendung geschaffen werden. Am Beispiel einer adaptiven Endoprothese für die Versorgung bei Tumorerkrankungen im Kindesalter wird die gesamte entwicklungstechnische Prozesskette abgebildet und umgesetzt.

Energie der Zukunft
Das Startprojekt Energie der Zukunft bildet die Materialklasse der dielektrischen Elastomere (DEA) ab. Im Vergleich zu anderen smart materials existieren für DEA-Stapelaktoren bisher keine Fertigungstechnologien, die eine wirtschaftliche Fertigung von Aktoren und Energy-Harvestern für konkrete Anwendungen ermöglichen. Im Teilprojekt werden daher erstmals DEA-Stapelaktoren entwickelt, um die hierfür benötigten Bauelemente, Werkstoffe und Fertigungstechnologien flexibel bereitstellen zu können – beispielsweise für die Entwicklung von Wandlern, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Sicherheit der Zukunft
Das Startprojekt Sicherheit der Zukunft adressiert die Materialklasse der Piezokeramiken. Aktorische und sensorische Grundelemente werden bereits in großem Umfang kommerziell eingesetzt und besitzen eine hohe Akzeptanz. Deshalb werden zwei konkrete Anwendungsbereiche definiert: Akustische Technologien für Fertigungskontrolle und Schadensüberwachung von Verbundbauteilen sowie die Steuerung gasförmiger und flüssiger Medien durch integrierte Piezoaktoren.
 

Die Partner

smart³ wird getragen von den Kompetenzen der 31 Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft. Weitere 20 strategisch wichtige Partner unterstützen die Idee. Der geographische Schwerpunkt liegt in den Neuen Bundesländern. Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg ist die breite Integration von verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen.
 

Kontakt

Konsortialführer:
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
PD Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel
Nöthnitzer Straße 44
01187 Dresden
Tel.: 0351 4772-2300
Fax: 0351 4772-2103
E-Mail: welf-guntram.drossel[at]iwu.fraunhofer   
www.smarthoch3.de