Die folgenden Projekte wurden aus EFRE-Mitteln gefördert. Das Fachgebiet Metallkunde und Werkstofftechnik bedankt sich beim Fördergeber für die Möglichkeit zur Realisierung der Forschungsvorhaben.

Erforschung GAnzheitlicher, HyBrid-ElektRIscher AntriebskomponEnten für die Luftfahrt - GABRIEL (ProFIT Brandenburg, Antragsnummer: 80257607)
Laufzeit: 06/2021 - 12/2022

Rolls-Royce Deutschland ist dabei, sein Produkt- und Service-Portfolio, welches bisher auf Geschäftsreise- und Regional-Flugzeuge mit konventionellen Turbofan-Triebwerken abzielt, um die Sparte der Kleinflugzeuge von 3 bis 5 t Abfluggewicht mit völlig neuen Antriebssystemen und neuen Entwicklungs- und Fertigungsmethoden für wesentliche Komponenten/Bauteile zu erweitern. Mit dem vorliegenden Projekt sollen fachliche Entwicklungskompetenzen aufgebaut werden, in dem technische Fragestellungen für die Etablierung eines Flugzeugfunktionsmusters mit hybrid-elektrischem Antriebssystem (HEAS) bis hin zur Komponentenebene erforscht werden. Die Besonderheit der hybrid-elektrischen Antriebsart liegt in deutlich geringeren Bauräumen, die zur Unterbringung von Antriebskomponenten zu Verfügung stehen. Um die funktionalen Anforderungen bei reduzierter Baugröße erfüllen zu können, werden hochintegrierte Bauweisen notwendig, infolgedessen die geometrische Komplexität einzelner Teile stark zunimmt. Unabhängig von der Geometrie wird für alle Luftfahrtkomponenten gefordert, diese zu wirtschaftlichen Konditionen in durchgängig nachvollziehbarer und hoher Qualität herstellen zu können. Dieses Projekt dient zum Aufbau der Fachkompetenzen zur Konstruktion und Fertigung von hybrid-elektrischen Antriebskomponenten (HEAK) anhand ausgewählter Bauteile und Baugruppen. Das Gesamtziel des Vorhabens besteht darin, die Wettbewerbsfähigkeit von RRD, seinen Partnern und der Zulieferkette durch den Aufbau von Kernkompetenzen zur Erforschung und Herstellung eines hybrid-elektrischen Antriebssystems (HEAS) auf System- und Komponentenebene in der Region Brandenburg und langfristig insbesondere in der Lausitz zu etablieren und fest zu verankern.

Als Teil des Gesamtvorhabens sind die Hauptziele für das Fachgebiet Metallkunde und Werkstofftechnik wie folgt definiert:

• Kompetenzerweiterung im Bereich Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von additiv und hybrid gefertigten Bauteilen
• Entwicklung, Aufbau und Betrieb geeigneter Prüfsysteme für die, mittels neuartiger Fertigungsverfahren hergestellten, Proben und Labormuster
• Feste Positionierung des Fachgebiets im Hinblick auf Charakterisierung und Prüfung von Bauteilen für hybrid-elektrische Antriebskomponenten

MESH – Mikrostrukturelle in-situ Charakterisierung (EFRE-Projekt: 85044856)
Laufzeit: 06/2021 - 03/2022

Zur Stärkung der Forschungskraft und zum Ausbau der Transferleistungen des Fachgebietes  ist das Hauptziel des Vorhabens die Erweiterung der mikrostrukturellen Charakterisierung neuartiger Werkstoffe. Im Zuge der aktuellen Entwicklungen in der Forschungslandschaft Cottbus und Lausitz haben sich auch die Anforderungen an die Materialwissenschaften geändert. Die in der Ansiedlung befindlichen Großforschungseinrichtungen und internationalen Konzerne benötigen zu einem wesentlichen Teil Spezialwerkstoffe, maßgeschneidert für den jeweiligen Anwendungszweck. Diese müssen entwickelt, geprüft, analysiert und charakterisiert werden. Durch die Maßnahme soll ein Rasterelektronenmikroskop beschafft werden, mit dem lokale chemische Zusammensetzungen, Phasenzusammensetzungen, kristallographische Ausrichtungen der Körner, Eigenspannungen oder verformte, bzw. rekristallisierte Gefügebestandteile analysiert werden können. Darüber hinaus soll erstmals ein vorhandenes Zug-/Druck-/Biegemodul innerhalb des Rasterelektronenmikroskops genutzt werden, um die Verformung von Werkstoffen und Bauteilen auf Gefügeebene in-situ bei Belastung zu untersuchen.

Additive Fertigung medizinischer Koronarstents zur Behandlung von Arteriosklerose – mediStent (EFRE-Projekt: 34065003)
Laufzeit: 03/2020 - 02/2022

Das Ziel des Forschungsvorhabens „Additive Fertigung medizinischer Koronarstents zur Behandlung von Arteriosklerose – mediStent“ besteht daher in der Entwicklung additiv gefertigter Stents für die Anwendung als medizinische Implantate, der benötigten Werkstoffe sowie der zugehörigen Systemtechnologien zur effizienten und ressourcenschonenden Herstellung. Der neuartige Ansatz für die additive Fertigung von Koronarstents mittels SLM- und FDM Technologie und die hiermit in Verbindung stehenden Prozessschritte zur Verarbeitung und Prüfung stellen eine kostengünstige, effiziente und zudem individualisierbare Alternative für die bisher mittels Strangpressen, Vorwärts-Hohlfließpressen und Laserstrahlschneiden hergestellten Stents dar, die mit einem erheblichen Rohstoff- und Energieaufwand sowie mit einem beträchtlichen Ausschuss verbunden sind. Der medizinische Einsatz additiv gefertigter Stentstrukturen konnte bisher aufgrund der sehr geringen Toleranzen und des benötigten Materialverhaltens nicht erreicht werden. Die Bereitstellung von verkürzten Prozessschritten mit hohen Genauigkeiten und einstellbaren Werkstoffeigenschaften zur technologischen Umsetzung additiv gefertigter Stents stellt somit ein bisher kaum erschlossenes Potential für die Ressourcenschonung dar und soll daher in dem beantragten Vorhaben gelöst werden.

Beschaffung eines Funkenspektrometers zur Bestimmung der Zusammensetzung von gängigen und neuartigen Werkstoffen (EFRE-Projekt: 85007054)
Laufzeit: 11/2016 – 06/2017

Durch die Maßnahme soll ein Funkenspektrometer beschafft werden, welches nicht nur analytische Methoden zur Charakterisierung von Metallen auf Basis von Eisen, Titan, Aluminium und Nickel, sondern insbesondere auch eine zeit- und ortsaufgelöste Auswertung bietet. Durch die einfache Handhabung und die kurzen Prozesszeiten ist eine schnelle Serienprüfung möglich. Verschiedene Funkenstandsplatten ermöglichen außerdem die Prüfung variabler Geometrien. Durch die Einzelauswertung der Funken und die Steuerbarkeit der Entladungszeit und des Entladungsstroms kann zu dem ein einzigartiges Zusammensetzungstiefenprofil erstellt werden.
Die bisherigen Möglichkeiten decken dabei insbesondere die sehr leichten Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff nicht ab, so dass eine exakte Bestimmung oftmals nicht möglich ist. Die sehr gute Auflösung eines Funkenspektrometers ermöglich ein höchstmögliches Maß an Genauigkeit für nahezu alle Elemente des Periodensystems.

Investition in innovative und ressourcenschonende Werkstoffprüftechnik für Mikro- und Nanomaterialien ( EFRE-Projekt: 85007055)
Laufzeit: 09/2016 – 03/2017

Durch die Investition sollen die Kompetenzen im Bereich der mechanischen Prüfung von Mikroproben erweitert werden, welche gemeinsam mit der vorhandenen Kompetenz im Bereich der Mikrostrukturanalyse zu deutlichen Verbesserungen des Verständnisses von Werkstoffen führen werden. Hinsichtlich der Anschaffung des Prüfgeräts mit der dazugehörigen Ausstattung ergeben sich folgende Ziele und Aufgaben:
Das Ziel des servo-elektrischen Lastrahmens ist die mechanische Langzeitprüfung von oligokristallinen (oder nanokristallinen) Werkstoffen und Mikroproben, um deren veränderte Materialeigenschaften im Vergleich zu den herkömmlich geprüften polykristallinen Proben und Bauteilen detektieren zu können. Die Proben lassen sich nach verschiedenen Prüfintervallen zeitnah und effektiv für eine mikroskopische Untersuchung entnehmen, sodass eine stadienübergreifende mikrostrukturelle Analyse möglich wird.

Innovationsfördernde Erweiterung der Mikrostrukturcharakterisierung zur Analyse neuartiger Werkstoffe (EFRE-Projekt: 85000739)
Laufzeit: 02/2016 – 07/2016

Durch die Erweiterung wurden die Kompetenzen im Bereich der Rasterelektronenmikroskopie weiter ausgebaut. Als übergeordnetes Ziel galt die Verbesserung der Mikrostrukturanalyse mittels Rasterelektronenmikroskop. Hinsichtlich der einzelnen Geräte ergaben sich folgende Ziele und Aufgaben:

Aktives Schwingungsdämpfungsisolationssystem

Das Ziel der aktiven Schwingungsdämpfung war die Abkopplung des analytischen Systems von der räumlichen Umgebung. Die bisherige Lösung erreichte nicht die notwendige Abkopplung, um auch die größtmögliche Präzision des Rasterelektronenmikroskops zu erreichen. Durch die beantragte aktive Abschirmung werden Schwingungen deutlich effektiver gedämpft, so dass die mögliche Präzision wesentlich verbessert wird.

Plasma-Reinigungssystem

Da Bruchflächen und freie Oberflächen nicht wie ein Mikroschliff präpariert werden können, befinden sich neben Partikeln aus der Umgebungsluft auch Oxidschichten auf der zu untersuchenden Probenoberfläche. Der Abtrag solcher oberflächlichen Verunreinigungen ist schwierig, da ein mechanischer Abtrag die zu untersuchenden Bereiche zerstören würde. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Forschung an koronaren Stents im Rahmen eines laufenden DFG-Projektes. Durch den Einsatz eines Plasmareinigers wird die erforderliche exzellente Oberflächenqualität zur Charakterisierung solcher Bauteile ohne mechanische Belastung gewährleistet. Das Ziel des Plasmareinigungssystems ist es, durch ein aufgeladenes Plasma die obersten Atomlagen abzutragen, ohne dabei die Oberfläche zu zerstören und so die Analyse zu ermöglichen.

Elektrolytisches Polier- und Ätzgerät

Je nach untersuchter Werkstoffklasse werden unterschiedliche Präparationsschritte notwendig, um die bestmögliche Oberflächengüte zu erhalten. Insbesondere bei neuartigen Werkstoffen und neuartigen Analyseverfahren (z.B. EBSD-Analyse) gelangten die vorhandenen Möglichkeiten teilweise an ihre Grenzen, so dass nicht immer die Oberflächengüte erreicht wurde, die eine Analyse der Mikrostruktur ohne weiteres ermöglichte.

So erhält man beispielsweise die Werkstoffinformation bei der EBSD-Analyse aus den oberen hundert Nanometern der Probe. Ist diese dünne Oberflächenschicht verformt oder unzureichend poliert, ist keine Messung möglich. Durch das elektrolytisches Polier- und Ätzgerät wurde, neben den bereits vorhandenen Kapazitäten des mechanischen Polierens, eine weitere Möglichkeit geschaffen, Mikroschliffe zu präparieren. Dank variabler Abtragsraten sind deutlich bessere Oberflächengüten erreichbar.

INCA-Softwareupgrade und Erneuerung der Analyse- und Steuerungshardware

Das vorhandene INCA-System dient der chemischen Analyse von Werkstoffen. Dabei wird das durch Elektronenbeschuss erzeugte Röntgenspektrum des untersuchten Materials detektiert und ausgewertet. In den letzten 6 Jahren wurden neue Algorithmen entwickelt um die Analyse nicht nur schneller, sondern auch vielseitiger und exakter durchführen zu können. Dadurch ist es nun möglich qualitativ hochwertigere Ergebnisse zu generieren.

Erweiterung der Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (EFRE-Projekt: 80160686)
Laufzeit: 03/2014 – 12/2014

Durch die Beschaffung der "lonendünnung“ wurde ein vorhandenes Kompetenzgebiet wesentlich erweitert. Dabei bindet sich das Gerät ohne Kompromisse oder thematische Überschneidungen in das Fachgebietprofil mit ein. Nach entsprechenden Vorversuchen wurden Präparationen für das inzwischen abgeschlossene DFG­ Projekt „Messung und Simulation der monotonen und zyklischen Verformung oligokristalliner Strukturen am Beispiel koronarer Stents“ mit diesem Gerät durchgeführt, was dem Projektverlauf wesentlich zugutekam. Im Rahmen von laufenden Promotionen werden Querschnittspräparationen an dünnen Schichten sowie tribologisch belastete Proben analysiert. Die in diesem Zusammenhang erworbene Zusatzkompetenz der Mitarbeiter bietet die Basis weitere Forschungsvorhaben zu starten, die bisher an den unzureichenden Präparationsmöglichkeiten gescheitert waren. Die neu geschaffenen Kapazitäten erweitern das Spektrum der Mikrostrukturcharakterisierung wesentlich.
Die Erweiterung des Zentrums für Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung mittels Transmissionselektronenmikroskopie ermöglicht durch das Zusatzgerät „lonendünnung" nicht mehr nur die Analyse von Standardproben aus Vollmaterial, sondern auch die von Spezialproben wie Querschliffen und Mikrobauteilen, was der BTU Cottbus ein Alleinstellungsmerkmal in Brandenburg hinsichtlich der TEM-Präparationstechniken verschafft. Die inbegriffene Stickstoffkühlung garantiert, dass auch bei empfindlichen Proben keine thermisch bedingten Präparationsartefakte auftreten. Falls es sich später als notwendig herausstellen sollte, ist die Ionendünnung mit einem digitalen Zoom-Mikroskop als Ersatz für ein optisches Mikroskop sowie mit einem Labor-PC (mit separatem Monitor) und entsprechender Software zur Korrelationsmöglichkeit zu TEM Aufnahmen erweiterbar.

Einrichtung eines Prüfzentrums für mechanische Werkstoffprüfung im Kleinlastbereich und Rissforschungsuntersuchungen (EFRE-Projekt: 80158144)
Laufzeit: 09/2013 – 12/2014

Durch die Beschaffung des Prüfzentrums konnte ein neues Kompetenzgebiet dem bereits vorhandenen Forschungsgebiet hinzugefügt werden. Nach Vorversuchen und Erweiterung der Anzahl an möglichen Probenaufnahmen sowie der Optimierung der Software hinsichtlich der speziellen Anforderungen können nun Prüfungen im Bereich der Leichtbaumetalle durchgeführt werden. Dabei besteht ein besonderes Interesse darin, Risswiderstand und Rissfortschrittsgeschwindigkeit von Titan-Aluminium-Legierungen in Konkurrenz zu konventionell eingesetzten Nickelbasis- bzw. Titanbasislegierungen zu bestimmen. Dabei werden gezielt Risse in entsprechende Prüfkörper induziert, um sie anschließend kontinuierlich unter zyklischer Belastung zum Versagen des Prüfkörpers zu führen. Die somit ermittelbaren Kennwerte stellen eine aussagefähige Kenndatenbasis für den neuartigen Werkstoff dar. Des Weiteren soll das Prüfzentrum auch für konventionelle Prüfungen umgerüstet werden, um eine Prüfung im Kleinlastbereich zu ermöglichen. Dabei besteht die Möglichkeit, sowohl Zug-/Druck- als auch Biege- und Ermüdungsversuche durchzuführen. Die bisherigen Möglichkeiten des Lehrstuhls beschränkten sich auf große Lasten und große Bauteilgeometrien.