Ziel des Projektes war die Integration von kinematischen Auslegungsverfahren in das CAD, damit sie für den Konstrukteur nutzbar werden. Zusätzlich sollten skalierte Modelle zur Schaffung eines universell einsetzbaren, beschleunigten und kostenreduzierten Entwurfsprozesses von Gelenkmechanismen eingesetzt werden.

Es wurde eine CAD-integrierte Software erstellt, in der die Synthese und Analyse von ebenen Gelenkgetrieben stattfindet. Die Definition der Bewegungsaufgabe und der Bauraumrestriktionen erfolgt direkt im CAD. Im Projekt (weiter-)entwickelte flexible Syntheseverfahren für Bausteine von Gelenkgetrieben wurden in die Software integriert. Die Generierung berechneter Kinematiken erfolgt durch die Software gesteuert wiederum automatisch im CAD.

Für den Aufbau von verkleinerten Kinematikmodellen mit skalierten Eigenschaften wurden Gelenkmodule mit einstellbarem Drehwiderstandsmoment entwickelt. Um Kinematikmodelle mit skalierten Eigenschaften zu bauen, wurden die Gesetzmäßigkeiten zwischen Werkstoff und Verformung von Original und Modell ermittelt. An einem aufgebauten Modell konnte die prinzipielle Gültigkeit der theoretischen Überlegungen bestätigt werden, wenngleich Schwierigkeiten in der Fertigung der miniaturisierten Gelenke die reale Nutzbarkeit erschweren.

Im Rahmen des Fördervorhabens wurden faseroptische Multi-Punkt-Hochtemperatursensoren für den industriellen Einsatz entwickelt und getestet. In Gasturbinen und einem chemischen Pilotreaktor konnten dabei Temperaturprofile bis 700 °C mit hoher örtlicher Auflösung gemessen werden.

Zur Weiterentwicklung sowohl von Gasturbinen als auch von chemischen Reaktoren besteht Bedarf an einer neuen Sensortechnik, welche eine Messung von Temperaturverteilungen mit hoher Messpunktdichte bei geringem Verkabelungs- und Platzbedarf ermöglicht. Hierzu ist die Technologie der faseroptischen Sensorik auf Basis von regenerierten Faser-Bragg-Gittern (RFBG) prädestiniert, da sie die Integration einer Vielzahl von hochtemperaturtauglichen Messstellen in eine einzige Faser erlaubt.

Der bisher noch weitgehend unbekannte Herstellungsmechanismus der RFBG konnte besser verstanden und optimiert werden. Mithilfe der entwickelten Aufbautechnik wurden verschiedene Messlanzen realisiert, die in unterschiedlichen Anwendungsfällen getestet wurden.

In Gasturbinen wurden erfolgreich bis zu 24 faseroptische Messpunkte in eine Sensorleitung mit weniger als 2 mm Durchmesser untergebracht. Im Vergleich zur konventionellen Sensorik konnte hierdurch eine bessere räumliche Auflösung und eine erheblich geringere Strömungsbeeinflussung. Ermöglicht werden. Weiterhin haben Langzeituntersuchungen über mehr als zwei Jahre in einem chemischen Röhren-Testreaktor gezeigt, dass großräumige, über mehrere Meter ausgedehnte Temperaturprofile mit hoher Genauigkeit, schneller Ansprechzeit und geringer Sensordrift erfasst werden können. Insgesamt steht ein neues Sensorverfahren zur Verfügung, das die industriellen Anforderungen erfüllt und neue Impulse für die Weiterentwicklung von Gasturbinen und chemischen Prozessanlagen setzt

Im Förderprojekt wurden Methoden zur modellhaften Abbildung zufälliger Lastanregungen schwingungsfähiger mechanischer Strukturen entwickelt. Eine Vielzahl physikalischer Problemstellungen, die für den Betrieb technischer Systeme von Bedeutung sind, unterliegt derartigen zufälligen Lasten, die nicht deterministisch beschrieben werden können. Die Untersuchung dynamischer Systeme, welche zufälligen Betriebslasten ausgesetzt sind, basiert oft auf der Annahme von Normalverteilungen. Aufgrund zahlreicher variierender Einflüsse stellt diese Annahme für viele Lastfälle jedoch eine ungenügende Approximation dar, die im Falle der Bewertung der Betriebsfestigkeit zu nicht-konservativen Lebensdauerabschätzungen führt.

In diesem Förderprojekt wurden Methoden entwickelt, welche es ermöglichen, nicht-normalverteilte, zufällige Betriebslasten adäquat zu definieren und effizient in numerischen Simulationen zu verarbeiten oder auch auf Schwingungsprüfständen zu reproduzieren. Das entwickelte Modell verwendet innovative Verfahren der spektralen Analyse höherer Ordnung sowie der numerischen Optimierung, um nicht-normalverteiltes Schwingungsverhalten durch eine Zerlegung in normalverteilte Anteile zu approximieren.

Diese Approximation ermöglicht es, computergestützte Simulationen mechanischer Strukturen im Frequenzbereich durchzuführen. So kann das Resonanzverhalten mechanischer Strukturen für zufällige Lasten adäquat abgebildet werden. Die entwickelten Methoden erlauben es, nicht-normalverteilte Betriebslasten zielführend zu definieren und Simulationszeiten im Vergleich zu bisherigen Verfahren im Zeitbereich um mehrere Größenordnungen zu reduzieren. Die Verfahren wurden in Zusammenarbeit mit den industriellen Projektpartnern simulatorisch und experimentell validiert.

Im Förderzeitraum wurde untersucht, ob durch Co-Extrusion eine äußerst geringe Schichtdicke auf ein PE-Material aufgebracht werden kann. Diese dünne Multifunktionsschicht muss dabei eine Vielzahl an Eigenschaften gewährleisten. Die Schicht soll sauerstoffdicht, mechanisch hochbelastbar, sehr flexibel und temperaturbeständig bis ca. 105 °C sein sowie eine metallische Optik aufweisen. Die Multifunktionsschicht und ein möglicherweise benötigter Haftvermittler dürfen zusammen lediglich eine Schichtdicke von max. 15 μm erreichen. Das Kunststoffsystem, bestehend aus einer sauerstoffdichten Schicht und gegebenenfalls einem Haftvermittler, sollte in einem Produktionsschritt mit dem Basisrohr coextrudiert werden.

Obwohl wegen zu großer Prozessschwankungen in der Co-Extrusion kein vollumfänglicher Rohrverbund mit einer konstanten Schichtdicke von max. 15 μm realisiert werden konnte, wird durch die Versuchsreihe ersichtlich, dass die verwendeten Materialien geeignet sind. Mit einem speziell dafür weiterentwickelten Extrusionswerkzeug wäre eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung innerhalb der Toleranzen denkbar.

Die Strategie des Verfahrens besteht darin, Lysate vieler biologischer Proben zu vereinigen und gemeinsam zu prozessieren, um eine aufwendige Bearbeitung einzelner Proben zu umgehen. Dabei wird die RNA in Lysaten mit einem Barcode (Tag) versehen und nach Vereinigung vieler Proben (Pool) gemeinsam weiterverarbeitet. Dieser Ansatz soll es ermöglichen, hochparallele Messungen von Signaltransduktionswegen (cisPROFILER-Technologie) günstig anzubieten. Über diese molekulare Profilierung sollen neue Therapiemöglichkeiten für Schizophrenie identifiziert werden.

Zunächst wurden verschiedene experimentelle Parameter wie die Hybridisierung der Barcode-Primer im Lysat und die RNA-Aufreinigung über magnetische Beads optimiert. Im Folgenden wurde in Standard-Zellkultur sowie mit primären Mausneuronen sukzessive die Anzahl an vereinigten Probenlysaten erhöht und die erforderliche Menge an biologischem Material verringert.

Durch das völlig neuartige Tag&Pool-Verfahren können (bisher) 24 Proben gleichzeitig in einer Reaktion für die Sequenzierung aufbereitet werden. Die resultierende Zeit- und Kostenersparnis um den Faktor 24 bedeutet die Umsetzung der pathway profiling-Strategie in einem Screening-fähigen Format, wie Pilotexperimente mit Mausneuronen zeigen. In Zukunft sollen Modulatoren von Schizophrenie-relevanten Signalwegen in Patienten-abgeleiteten Neuronen identifiziert werden.

Im Projekt LEANition sollen die Möglichkeiten und Grenzen einer gespülten Vorkammerzündung in PKW-Ottomotoren als ein wesentlicher Enabler für zukünftige hocheffiziente Ottomotoren aufgezeigt werden.

Die Vorkammer ist ein kleiner Zündraum um die Zündkerze, der durch Übertrittskanäle mit dem Brenn-raum verbunden ist und zusätzlich zum Ladungswechsel mit dem Hauptbrennraum aktiv mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird. Speziell im Teillastbereich kann so ein effizientes und schadstoffarmes Brennverfahren mit stark verdünnter Ladung (homogen mager oder hohe Restgasanteile) ermöglicht werden, welches mit konventioneller Funkenzündung keinen stabilen Motorbetrieb ermöglicht. 

Kern des Projekts ist die Verwendung leichtsiedender Bestandteile von Ottokraftstoff aus dem normalen Benzintank zur Gemischanreicherung in der Vorkammer. In einer Vorstudie wurde die Eignung der im Tank oberhalb der Flüssigphase immer vorhandenen Gase als Vorkammerkraftstoff untersucht. Dazu wurden ein Labor-Kraftstoffsystem aufgebaut und verschiedene Extremkraftstoffe untersucht. Die Kraftstoffe wurden vor Einsatz und im Betrieb in ihrer Zusammensetzung analysiert. Dabei konnte in allen Fällen eine für den PKW-Betrieb hinreichende Kraftstoffversorgung nachgewiesen werden. Hinsichtlich möglicher Kondensatbildung konnte durch eine erzwungene Zwischenkühlung gezeigt werden, dass bei bioethanolhaltigen Kraftstoffen der Alkohol einen hohen Anteil des im Versuch gezielt erzeugten Kondensats ausmacht. Durch dessen Eigenschaft als Lösungsmittel sind auch bei bio-ethanolhaltigen Kraftstoffen keine Ablagerungen zu erwarten. 

Eine aktive Vorkammerzündung mit Benzin konnte für PKW Motoren erfolgreich dargestellt werden. Eine nähere Untersuchung des Themas ist Gegenstand eines auf den Ergebnissen der Vorstudie aufbauenden Projekts.

Das Projekt MBatt adressierte die weitergehende Erforschung einer neuartigen, hocheffizienten Umrichtertechnologie für Batteriespeichersysteme – die Multilevel-Stromrichtertechnik. Multilevel-Umrichter weisen viele der bekannten Schwächen von klassischen Wechselrichtern nicht auf und ermöglichen eine Umwandlung der Energie nahezu ohne Netzrückwirkung sowie mit einem höheren Wirkungsgrad als klassische Wechselrichter. Ziel des Projekts war es, den Reifegrad der Multilevel-Umrichtertechnologie hinsichtlich Sicherheit und Performance zu verbessern sowie die Tauglichkeit anhand anwendungsnaher Funktionsmuster nachzuweisen.

Das Projekt gliederte sich in die folgenden vier Arbeitspakete:

–    Durchführung einer Anforderungsanalyse und Erstellung einer
     Systemspezifikation

–    Betrachtung von Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekten

–    Entwicklung einer geeigneten Systemarchitektur und
     Betriebsführung

–    Aufbau eines Demonstrators und Validierung der Ergebnisse

Während der Projektlaufzeit konnte ein Energiespeichersystem mit einem dreiphasigen Multilevel-Umrichter mit 17 Stufen realisiert werden. Dabei wurde die innovative „Cascaded-H-Bridge-Voltage-Source-Converter (CHB)“-Topologie verwendet, welche eine sehr gute Skalierbarkeit und Wartbarkeit des Systems erlaubt. Die Betriebssicherheit konnte durch die Integration von redundanten Überwachungssystemen maximiert werden. Für die Regelung des Systems wurde die fehlertolerante und skalierbare „Level-Shift-Modulation“ angewendet. Die Funktion des Multilevel-Umrichters konnte durch den Aufbau eines Prüfstands (Abbildung links) sowie eines Demonstrators (Abbildung rechts) erfolgreich dargestellt werden. Der verfolgte Ansatz birgt ein großes Potenzial für den Batteriespeichermarkt der Zukunft, weshalb dessen Kommerzialisierung weiter untersucht werden sollte.

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens war die Erarbeitung von Strategien zum Laserstrahlschweißen warmfester Mischverbindungen ohne Zusatzwerkstoff, um die Robustheit der Mischverbindungen im Betrieb zu erhöhen. Dadurch sollen belastungsgerechte Konstruktionen mit lokal unterschiedlichen Anforderungen an die Temperaturfestigkeit ermöglicht werden, die Ressourceneffizienz gesteigert und die Kosten gesenkt werden.

Der Schwerpunkt des Projekts lag auf dem Auflegieren der Schweißnaht mit Legierungselementen aus den Grundwerkstoffen selbst sowie auf der laserbasierten bzw. induktiven Vor- und Nachwärmung beim Schweißen. Durch diese prozesstechnischen Maßnahmen sollte die Aufhärtung und Rissbildung in der Wärmeeinflusszone verringert werden.

Während die globale, induktive Vor- und Nachwärmung nur eine geringe Verbesserung brachte, konnte mit der lokalen, laserbasierten eine deutliche Steigerung der Schweißnahtqualität erzielt werden. Durch die Wärmebehandlung konnte im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschweißen lokal eine geringere Abkühlrate erreicht werden, wodurch Kaltrisse vermieden werden konnten. Anhand von Funktionsmustern konnte die Übertragbarkeit auf seriennahe Anwendungen demonstriert werden.

State-of-Art Glukosesensoren, wie sie auch für Blutzucker-Messungen verwendet werden, basieren meist auf dem indirekten Nachweis von Glukose mithilfe von Enzymen.  Dieses enzymunterstützte Wandlerprinzip hat jedoch seine Grenzen, und die genaue und langzeitstabile Messung des Glukosegehalts in Flüssigkeiten ist nach wie vor eine Herausforderung.

Vor diesem Hintergrund war es das Ziel des Projekts GlukZ, einen enzymfreien Glukose-Sensor für Zellkulturen zu etablieren. Der hierbei verwendete enzymfreie Sensor basiert auf farbstoffmarkiertem Concanavalin A (ConA) und Dextran. Bei Zugabe von Glukose wird das ConA von seinem Bindungspartner Dextran verdrängt und an die Glukose gebunden. Diese reversible Verdrängung durch Glukose führt zu einem modifizierten Fluoreszenzsignal, das mithilfe eines inversen Fluoreszenz-Mikroskops und einer einfachen Messeinheit erfasst und analysiert werden kann. Der Sensor zeigt in verschiedenen Zellkulturmedien eine robuste Glukoseempfindlichkeit bis 10 g/l und eine gute Biokompatibilität bei Langzeitmessungen z. B. mit Herzmuskelzellen.

Hergestellt werden Zahnräder konventionell durch spanende Fertigungsverfahren, da hierdurch hohe geometrische Qualitätsstandards erzielbar sind. Kaltfließpressprozesse bieten aufgrund von kürzeren Fertigungszyklen und einer gesteigerten Materialeffizienz eine vielversprechende Verfahrensalternative. Ein fließpresstechnischer Prozess zur Herstellung von Zahnrädern ist das sogenannte „Samanta“-Verfahren. Bei diesem auch als „Fließpressen im Paket“ bezeichneten Verfahren werden mehrere Rohlinge sequentiell durch die formgebende Matrize gepresst, indem die Umformung eines Rohlings unterbrochen und ein weiterer Rohling in das Werkzeugsystem eingelegt wird. Die Etablierung des „Samanta“-Verfahrens im industriellen Umfeld ist jedoch aufgrund bauteil- sowie prozessseitiger Faktoren vor Herausforderungen gestellt.

Ziele im Projekt umfassten daher die Erhöhung der Bauteilgenauigkeit und die Reduzierung der Werkzeugbeanspruchung. Hierfür wurde ein grundlegendes Prozessverständnis über den Einfluss von Zahnradparametern auf das Prozessergebnis erarbeitet. In diesem Kontext wurde die Herstellbarkeit von unterschiedlichen Zahnradgeometrien und Verzahnungstypen für die gängigen Stahlsorten 16MnCr5 und C15C nachgewiesen. Aufbauend hierauf wurden praxisrelevante Methoden erforscht, um die Bauteil- und Prozesseigenschaften vorteilhaft beeinflussen zu können. Die Untersuchungen erfolgten anhand experimenteller und numerischer Analysen. Die erlangten Erkenntnisse wurden abschließend zusammengefasst und im Sinne eines praktischen Nutzens bewertet, um Empfehlungen für die Zahnradherstellung im „Samanta“-Verfahren bereitzustellen.