smart materials –
Forschung im smart³ Konsortium

Forschung- und Entwicklung im Rahmen des Förderprogramms
ZWANZIG20 – PARTNERSCHAFT FÜR INNOVATION

Video Workshop 'smart materials. Was ist möglich? Was ist menschlich?'

smart materials und eine Idee

Ein Draht, der sich nach dem Verbiegen an seine Ursprungsform zurückerinnert, Folien und Festkörper, die beim Verformen elektrischen Strom erzeugen oder sich beim gezielten Anlegen eines Stromes zu komplexen dreidimensionalen Gebilden wandeln; Flüssigkeiten, die sich unter Einfluss von Magneten verfestigen – all das sind Beispiele für eine ganz besondere Klasse von Werkstoffen, die smart materials. Noch viel zu oft von Werkstoffwissenschaftlern prozessinitiiert – „weil's möglich ist“ – entwickelt, fehlt es an sinnvollen Anwendungen. Aus dieser Erkenntnis heraus bilden sich vermehrt Vernetzungen zwischen Technologen, Designern und anderen Querschnittsdisziplinen, um bei der Werkstoffentwicklung problemlösungsorientierter vorzugehen und frühzeitig die Perspektive des Anwenders einzubinden. Das smart3-Forschungskonsortium ist aus der Initiative einer kleinen interdisziplinären Gruppe entstanden, die diese Idee verfolgt.

Die Förderung

Mit ZWANZIG20 – PARTNERSCHAFT FÜR INNOVATION sollen die in den Neuen Ländern aufgebauten herausragenden wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Kompetenzen durch überregionale und interdisziplinäre Kooperationen systematisch für die Zukunft ausgebaut werden. Dabei sollen kognitive Grenzen im Denken überwunden sowie Grenzen von Technologien, wissenschaftlichen Disziplinen, Branchen, Märkten und Organisationskulturen bewusst überschritten werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert 10 ostdeutsche Konsortien bis zum Jahr 2019 / 2020 und stellt hierfür 500 Mio. € über den gesamten Zeitraum bereit. Das Forschungs- und Entwicklungskonsortium smart3 ist eines der erfolgreichen Bewerber. Zum initiativen Kernteam gehört die Burg Giebichenstein.

smart3 – das Konsortium

Smart3 hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung neuer, innovativer Produkte auf Basis von smart materials zu forcieren. Hierfür wurden 3 strategische Herausforderungen identifiziert, die es durch die gezielte Einbindung entsprechender Partner zu meistern gilt:

Technik & Technologie. Einem paradigmatisch erweiterten Einsatz von smart materials im Produkt steht eine Reihe technologischer und ökonomischer Herausforderungen gegenüber. Insbesondere die Lücken in bestehenden Wertschöpfungsketten gilt es zu schließen, um Ergebnisse der Materialforschung über Entwicklung und Herstellung hinweg für in den Markt zu tragen.

Kommunikation & Vernetzung. Das smart3-Konsortium versteht seine Inter- und Transdisziplinarität als die innovationstreibende Kraft. Für deren Entfaltung müssen technologische und organisationale Pfadabhängigkeiten durchbrochen und die Vernetzung der heterogenen Partner entlang der Wertschöpfungskette nachhaltig etabliert werden.

Sichtbarkeit & Akzeptanz. Materialforschung geschieht heute noch wenig problemlösungsorientiert. Fehlende Präsenz und Unkenntnis von Materialien, die mangels sinnvoller Anwendung zunächst im wissenschaftlichen Raum verbleiben, unterbinden eine breite gesellschaftlichen Akzeptanz von smart materials. Die Herausforderung liegt in der frühzeitigen Einbindung der Nutzerperspektive.

Mit seinem Ansatz konnte das smart3-Konsortium die Förderer überzeugen und einen fachlichen Beirat aus national und international etablierten Fachleuten (z.B. Prof. Dr. Günter Faltin – EntrepreneurshipDr. Sascha Peters – HAUTE INNOVATION) gewinnen.

Intelligente Lösungen auf der Basis von smart materials

Unter smart materials fokussiert das Konsortium eine Gruppe von Werkstoffen, welche die herausragende Fähigkeiten 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 in der Produktgestaltung. smart3 setzt im Besonderen auf folgende vier Materialklassen:

Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL). Sie ermöglichen elegante Lösungen, um auftretende Wärmeenergie zum energieautarken Auslösen des Formgedächtniseffektes zu nutzen. So können Stellantriebe, wie sie beispielsweise im Automobilbau häufig verwendet werden, stark vereinfacht und sogar um temperaturgesteuerte Zusatzfunktionen in Antrieben erweitert werden. Thermische Formgedächtnislegierungen besitzen darüber hinaus einen unschlagbaren Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen: Sie weisen in Relation zur Leistungsdichte ein äußerst geringes Gewicht auf!

Magnetische Formgedächtniswerkstoffe (MSM). Diese Materialien bilden eine zukunftsträchtige Klasse unter den smart materials, die ihre Form unter Einfluss eines Magnetfeldes bis zu 12% ändern können. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen als Aktoren, für das Gewinnen kleiner Mengen elektrischer Energie sowie als Sensoren. MSM-Aktoren bieten signifikante Vorteile der Arbeitsabgabe im Verhältnis zur Betriebsfrequenz, Energieeffizienz und Lebensdauer.

Dielektrische Elastomeraktoren (DEA). Als Teilbereich der elektroaktiven Polymere (EAP) können DEA in den Bereichen Aktorik, Sensorik und Energieumwandlung Anwendung finden. DEA sind überdies leicht und weisen eine sehr kompakte Bauform auf, sie schalten schnell und geräuschlos. Aus DEA-Materialien gefertige Energy-Harvesting-Module zur Gewinnung elektrischer Energie aus Quellen wie Vibrationen oder Schwingungen werden Wirkungsgrade von über 80% prognostiziert und sind damit konventionellen Techniken und Solarmodulen deutlich überlegen.

Piezokeramiken. Funktionswerkstoffe mit faszinierenden Eigenschaften sind Piezokeramiken, die schon über einen hohen Reifegrad verfügen und beispielsweise als Injektoren für verbrauchsarme Diesel- und Ottomotoren oder als Ultraschallsensoren in der Medizintechnik Anwendung finden. Piezokeramische Werkstoffe zeigen unter Einwirkung einer Verformung durch eine äußere Kraft eine Ladungstrennung. Verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche entweder an der Ober- bzw. Unterseite oder an den gegenüberliegenden Mantelflächen. Die Reaktionszeiten sind extrem kurz und erlauben über quasistatischen Betrieb hinausgehend auch das Anregen und Empfangen hochfrequenter Schwingungen bis in den GHz-Bereich. Daraus leiten sich z.B. Anwendungen als Ultraschallumwandler und elektromechanische Transformatoren ab.

Die BURG in smart3

smart3-Lebenslauf der Burg:

  • 2013 Erarbeitung eines Initialkonzeptes
  • 2014 Erarbeitung einer Roadmap für das smart3-Konsortium
  • 2014 'smart3Home' ... ein studentisches Semesterprojekt mit experimenteller Auseinandersetzung mit smart materials 
  • 2014 'smart materials – Was ist möglich? Was ist menschlich?' ... interdisziplinärer Workshop zu Erfahrungen mit und Potentialen, Herausforderungen von smart materials
  • 2015 Forschung und Entwicklung

 

Forschung und Entwicklung:

Die BURG sieht ihre Herausforderungen in den Bereichen Technik & Technologie sowie Sichtbarkeit & Akzeptanz. In ersterem sind folgende Projekte durch die fachlichen Instanzen Strategierat und Beirat bestätigt:

Der Bereich Sichtbarkeit & Akzeptanz von smart materials bzw. smarten Produkten umfaßt ein ganzes Paket strategischer Werkzeuge. Gemeinsam mit der Berliner Kunsthochschule Weißensee sollen hier unter anderem ein Zukunftslabor und ein Materialarchiv (serendipity cloud) konzipiert bzw. umgesetzt werden. Die Zusammenarbeit mit weiteren Querschnitts-disziplinen im Konsortium (z.B. Sozialwissenschaften TU Berlin, Wirtschaftswissenschaften FU Berlin) insbesondere im Bereich Kommunikation & Vernetzung soll neue Impulse für die Arbeit der BURG geben.

 

 

Standort

Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle
, Neuwerk 7

Projektleitung

Prof. Frithjof Meinel

Mitarbeiter

Enrico Wilde Dipl. Des.

Kontakt

Tel. 0345 / 7751-872
wilde(at)  burg-halle.  de

Gefördert durch

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Forschung & Lehre:

nachwachsende Rohstoffe: „Pflanzenfaserverstärkte Composite für Raumausstattungen“ „Faszinierender Werkstoff Bambus“

ambient assisted living: „Technikgestützte Pflege-Assistenzsysteme und rehabilitativ-soziale Integration unter dem starken demografischen Wandel in Sachsen-Anhalt“

smart materials: „StartSmart“ „smart materials. Was ist möglich? Was ist menschlich?“  „smart3Home“

 

Links

Konsortium smart3

Veröffentlichung AAL

Forschungsbericht AAL beim WZW Sachsen-Anhalt

Zukunftsmacher Sachsen

Standort

Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle
, Neuwerk 7

Projektleitung

Prof. Frithjof Meinel

Mitarbeiter

Enrico Wilde Dipl. Des.

Kontakt

Tel. 0345 / 7751-872
wilde(at)  burg-halle.  de

Gefördert durch

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Forschung & Lehre:

nachwachsende Rohstoffe: „Pflanzenfaserverstärkte Composite für Raumausstattungen“ „Faszinierender Werkstoff Bambus“

ambient assisted living: „Technikgestützte Pflege-Assistenzsysteme und rehabilitativ-soziale Integration unter dem starken demografischen Wandel in Sachsen-Anhalt“

smart materials: „StartSmart“ „smart materials. Was ist möglich? Was ist menschlich?“  „smart3Home“

 

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Konsortium smart3

Veröffentlichung AAL

Forschungsbericht AAL beim WZW Sachsen-Anhalt

Zukunftsmacher Sachsen