轻量化|弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所调研报告

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更新时间 : 2023-09-20 23:35:51
轻量化|弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所调研报告

背景    
         中国(德国)研发创新联盟自成立以来,一直努力促进中德两国科技创新交流与合作。在迎来中德两国建交50周年和联盟轻量化专委会成立之际,联盟正式推出《联盟调研》。《联盟调研》通过系统地介绍德国国家科学与工程院(acatech)、马克斯•普朗克学会(MPG)、亥姆霍兹国家研究中心联合会(HGF)、弗劳恩霍夫应用研究促进协会(FhG)和莱布尼茨科学联合会(WGL)五大骨干德国国家科研机构,了解德国创新思维、创新理念、创新技术、创新团队和创新成果,更进一步推进中德两国的科技创新合作。
 
弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所概览

      弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所(IWS)成立于1995年,主要工作是在激光和材料技术领域开发复杂的系统解决方案。IWS开发激光应用、功能化表面以及材料和工艺创新的解决方案—从易于集成的单个解决方案到具有成本效益的中型解决方案,再到适用于工业的完整解决方案。研究重点是航空航天、能源和环境技术、汽车工业、医疗技术、机器和工具制造、电气工程和微电子以及光子学和光学领域。在五个创新领域:电池技术、氢技术、表面功能化、光子生产系统和增材制造,IWS打下了非常坚实的基础。
IWS拥有科学家、工程师、技术工人共319人,实习生8名,以及研究助理146名

 

组织架构与技术能力

IWS总部设立于德累斯顿,与德累斯顿技术大学有着密切的合作,并作为创始成员与卓越网络DRESDEN-concept合作。IWS包含多个研究中心,有:

1.开发用于高性能和可持续电池的新材料和创新技术的先进电池技术中心 (ABTC)
2.专注于基于激光的表面改性和结构化方法的高级微光子学中心(CAMP)
3.通过涂层或其他表面改性来研究基本摩擦学现象和适当的摩擦学措施的德累斯顿创新中心(TICD)
4.为航空航天、能源和医疗领域的创新产品研究和开发跨工艺材料和制造解决方案技术,实现工具和机械工程以及汽车技术的德累斯顿增材制造中心(AMCD) 除此以外,在茨维考,IWS与West Saxon University of Applied Sciences建立了弗劳恩霍夫光学计量和表面技术应用中心 (AZOM);在多特蒙德,IWS与多特蒙德表面中心DOC建立了项目组,旨在开发具有耐腐蚀性、耐刮擦性、导电性或清洁性能等功能的表面涂层;IWS也加入了弗劳恩霍夫的德国-波兰高性能中心,参与研究增材制造在医疗技术中的应用新技术。
IWS创建了材料和激光技术方面的复杂系统解决方案,将研究成果直接转化为工业实践。拥有着以下6大技术领域的丰富经验的IWS在汽车行业、航天、能源与环境技术、医疗技术、机器和制造技术、电气工程和微电子、光子学和光学这些行业为客户提供专业的解决方案。1.PVD和纳米技术,2.化学表面技术,3.增材制造和表面工程,4.分离与结合,5.材料表征和测试,6.光学计量

(一)PVD和纳米技术

PVD 和纳米技术领域开发用于生产基于物理沉积工艺的薄层的工艺和设备技术。目前进行的课题有:

1.EUV和X射线光学器件

对于EUV和X射线光学器件的纳米单层和多层沉积,IWS使用磁控管和离子束溅射沉积以及脉冲激光沉积的方法。该层系统满足层厚度精度、粗糙度、化学纯度、横向均匀性和再现性方面的最高要求。目前该课题组拥有的技术与设施条件有:1.离子束溅射沉积(IBSD),2.磁控溅射沉积(MSD),3.脉冲激光沉积(PLD),4.X射线衍射法,5.应力测量站,6.X射线反射计,7.原子力显微镜

2.反应多层

通过使用反应性多层系统(RMS),许多材料,包括金属、陶瓷、半导体和聚合物,可以非常快速、轻柔地连接,并且几乎没有压力。
该研究组研究以下课题并提供相应服务:1.反应性多层系统(RMS)的开发和生产,2.使用RMS加入其他应用,3.RMS和反应性连接组件的表征,4.使用COMSOL Multiphysics ®模拟RMS接头的热平衡,5.使用磁控溅射沉积的涂层和焊料沉积

3.碳层涂层工艺

IWS开发的由四面体无定形碳(ta-C)制成的Diamor ®层非常耐磨且摩擦小。因此,它们非常适合在润滑和非润滑操作条件下用作工具、部件和组件的保护涂层。Diamor ®层可以在很宽的层厚度范围内以非常好的附着力沉积。使用专门开发的脉冲电弧工艺在真空中进行低温沉积。IWS与合作伙伴公司一起不仅提供技术,还提供必要的涂层源和系统以及用于质量保证和层优化的激光声学测试技术LAwave。该研究团队拥有的技术有:激光弧和过滤激光弧

4.涂层表征工艺

涂层可以显著改善基体的性能。开发和应用合适的涂层系统需要精确且可重复地确定相关参数。这方面主要涉及摩擦学、接触力学和声表面波谱。表征包括各种涂层,重点是PVD涂层和超硬非晶碳涂层(ta-C)。该工艺所需用到的设备有摩擦计,LA波测量系统,划痕测试仪,纳微机械测试装置,球磨机,接触机械仿真,拉曼光谱,显微镜/成像方法。

5.PVD涂层

物理气相沉积(PVD)工艺可以沉积厚度从几纳米到几十微米的高质量摩擦层和功能层。为此,IWS用到了从高速汽化到高活性等离子体工艺及其组合的各种工艺。综合使用电弧放电作为高能蒸汽射流的最有效来源是他们的一个重要方法。他们的研究重点有:

(1)PVD技术与设备

用于电弧镀膜(经典直流电弧、脉冲电弧)、电子束气相沉积、溅射镀膜和混合镀膜工艺的系统可用于层和技术开发以及样品和小批量镀膜。这些可以完成大量不同的涂层任务,如:1.PVD涂层系统MZR 323用于工业硬质材料涂层,2.小型PVD涂层系统MR 313用于实验性硬质材料涂层,3.组合涂层系统OLGA,4.电弧涂层工艺模拟

(2)涂层系统组件

新技术的实施通常需要投资新的技术设备。在许多情况下,购买一个或多个关键部件就足够了,IWS能够根据特定需求开发和制造选定的组件,如:
1.IWS开发的ProArc系统(可编程电弧)可以对阴极焦斑在阴极上的移动进行控制,工艺可靠性和电弧PVD工艺的有效性具有重大影响
2.IWS开发的等离子体支持的清洁模块,能够电离氩气并将其用于清洁将要使用PVD或CVD工艺进行涂层的表面

(二)化学表面技术

IWS研究电池中新材料的结构-性能关系,并开发高效、节约成本和资源的生产工艺。除了当今锂离子技术的进一步发展外,IWS重点还放在创新的存储概念上,例如锂硫和固态电池。
研究和开发的一个重点是新型化学涂层工艺。IWS开发的DRYtraec ®(干转移电极涂层)工艺可实现无溶剂、环保且具有成本效益的电池电极生产。
另一个重点是为有害物质的气体和颗粒过滤量身定制的解决方案。在各种生产环境中,包括电池生产和回收过程中,都需要设计选择性和高效的过滤系统。

1.化学表面和电池技术

通过材料和工艺创新,IWS为可持续的高性能电池提供解决方案。使用IWS的DRYtraec ®工艺生产电极不需要传统的溶剂或能源密集型干燥步骤。
对于锂金属电池的生产,IWS提供从薄锂层生产到电池自动组装的高效工艺解决方案。目前该方面的研究重点有:

(1)材料研究

1.锂离子电池新型活性材料-硅阳极,2.锂-硫电池材料,3.固态电池材料

(2)流程创新

1.IWS开发DRYtraec ®涂层工艺允许在不使用有毒有机溶剂或水的情况下干法制造电池电极。最重要的是,该工艺省略了传统湿化学涂层工艺的空间和能源密集型干燥步骤。
2.锂金属阳极被认为是未来电池系统的关键元素。它们允许在体积和质量方面最大化能量密度。锂薄层的可扩展生产是目前的难点之一。IWS开发了一种涂层工艺,可以生产几微米厚的锂层。主要创新在于亲锂表面,允许在金属基板上经济高效地均匀沉积熔融锂薄层。

(3)电池芯

IWS旨在将新材料开发和创新电池系统转化为多层软包电池,以及实现干燥空气下实现全自动切割电极。

2.气体和颗粒过滤

IWS使用最新的测量技术在现场识别气相中的有毒分子或各种化学成分的细粉尘。目前的研究重点有:

(1)气体和颗粒表征

在气体和颗粒表征领域,重点是多气体分析和痕量气体检测。
1.多气体分析:以较低的检测限(通常在ppm范围内)确定随时间变化的浓度曲线,可以阐明CVD过程中的气体和废气成分,例如半导体和光伏行业的涂层或蚀刻、烧结过程,以及一般监测气体混合比。。使用红外光谱法(FTIR)对不同气体种类进行时间分辨原位检测
2.微量气体分析:基于激光二极管光谱(LDS)的高灵敏度气体检测可提供有关某些气体存在的特定信息。特别是,在检测限为ppb级的高纯度气体中,可以高精度地检测出水分等工艺关键物质作为杂质。
3.气溶胶分析

(2)多孔材料的应用

从气体中分离成分通常可以通过吸附气体清洁的方式廉价地实现。这些多孔材料,如活性炭、沸石或新型混合材料,由于其结构或化学性质,这些材料能够选择性地吸收气体(例如杂质)并将其从气流中去除。
这种吸附过滤器能得到广泛应用,例如在抽油烟机中减少异味,作为呼吸过滤器分离有毒空气成分,作为工业废气过滤器减少污染物或异味的排放,作为内部区域的过滤模块改善空气质量。

(3)多孔材料的表征

吸附/催化过程的成功应用本质上取决于选择合适的功能材料。除了使用经典的物理吸附和突破性实验外,IWS还在开发新的测量方法,专注于快速、简单且具有成本效益的功能材料筛选:
1.通过重量和体积物理吸附方法记录静态吸附等温线
2.吸附剂材料关于一般吸附参数的表征,例如表面积、孔体积、孔径、N2物理吸附、Hg孔隙度法
3.通过突破性测量表征潜在材料的动态吸收能力和动力学
4.根据气体吸收能力和比表面积快速筛选功能材料(INFRAsorp)

(三)增材制造和表面工程

增材制造和表面技术结合了使用新材料和表面的广泛知识:从材料结构到工艺和系统技术开发,再到部件精加工和数字集成。其中一个主题是热表面技术。这涉及激光辅助涂层和装配工艺的最新工艺和系统技术。目前的研究课题有:

1.添加剂制造

该课题工作重点一方面是开发基于浆料和墨水的添加剂生成工艺,使3D多材料打印成为可能,另一方面是使用基于FFF印刷工艺。所有可转化为稳定的浆料或墨水的材料都适用于印刷。这些包括,例如,金属、半导体、聚合物或含有纳米粒子、陶瓷和复合材料的分散体。等离子或激光技术用于后续的烧结或干燥步骤。

2.热处理和热涂层

(1)热处理和电镀

该课题组研究:1.使用高功率激光或感应或两者的局部控制温度场的工艺的开发和工业化,例如激光束硬化或一般热处理,激光束钎焊和激光辅助辊压,2.开发样品和原型样品的处理服务,3.用于使用本地控制温度场的过程的系统技术组件

(2)沉积焊接

沉积焊接技术组的核心竞争力是为表面涂层、增材制造以及工具和部件修复等广泛的工业激光应用开发工艺和系统技术。包括过程模拟、CAD/CAM软件解决方案和直接在用户现场提供的综合调试服务。 

(3)热喷涂

该工作组的核心能力是开发新的喷涂技术(例如悬浮液喷涂)、开发新的涂层解决方案(例如层加热元件、热电模块、用于高应力部件的硬金属层)以及层的表征(例如激光声表面波)。

3.生物系统技术和数字化

该课题组致力于实现生物和医疗技术中功能元件的小型化。目前该团队提供以下服务:1.用于体外物质测试的芯片实验室系统的开发、设计和制造,2.开发用于组装、监控、供应和分析芯片实验室系统的自动测量系统,3.芯片实验室系统光学测量技术的开发、集成和优化,4.使用表面等离子体共振(SPR)技术表征分析物-配体相互作用(例如蛋白质-蛋白质、抗原-抗体、DNA-DNA和RNA-DNA)

(四)切割与连接技术

该技术领域的团队研究范围广泛的激光材料加工。重点是连接、去除、切割工艺以及表面和材料改性。此外,他们还正在开发新的复杂工艺,用于例如电动汽车、轻型结构或氢经济。目前研究的课题有:

1.激光精密加工

(1)激光微加工

该工作组进行以下研究并提供相应服务:
1.使用短脉冲和超短脉冲激光器进行激光微材料加工
2.金属、塑料、半导体、天然物质、陶瓷、薄层和异质材料(例如纤维复合材料或多层材料)等任何材料的去除、结构化、雕刻、钻孔、切割
3.修改表面形貌以适应摩擦学、化学、生物或物理特性以及材料连接的界面设计,例如用于纤维塑料复合材料(接头预处理)
4.用于技术和修复应用的激光清洁和去涂层

(2)直接激光干涉结构化

通过基于激光的快速方法在聚合物、金属、陶瓷和涂层上生产微观结构,可以在大面积上产生表面功能。除了地形之外,电气、化学和机械特性也可以周期性地变化。这些结构化表面可用于生物技术、电池技术、光子学和摩擦学等领域。

2.焊接

(1)激光焊接

IWS将材料科学专业知识与最先进的工厂技术相结合,为客户开发量身定制的激光工艺和系统解决方案以及面向未来的组件概念。

(2)涂胶与纤维复合技术

粘接是一种非常有效的连接工艺,用于所有制造领域。除了就正确选择商业粘合剂系统提供建议外,IWS还开发了适合应用的加工方法,以实现高效和自动化的连接。重点是使用选定的表面预处理工艺(激光、等离子、光束技术等)优化接合伙伴与粘合剂之间的粘合力。目前IWS也在研究热塑性塑料与金属和非金属的热直接连接,以替代粘合剂系统并减少连接工艺时间。如果要将热塑性塑料连接在一起,则使用基于激光的层压、熔化或透射焊接工艺。

(3)反应多层

通过使用反应性多层系统(RMS),许多材料,包括金属、陶瓷、半导体和聚合物,可以非常快速、轻柔地连接,并且几乎没有压力。为此,直接适应连接过程的RMS被放置在两个待连接的组件之间,然后被激活。发生化学自蔓延反应,由此以非常有限的方式短暂地和局部地提供热量以用于连接部件。

3.切割和分离

(1)高速激光加工

激光材料加工的新技术和进一步开发的技术以及新激光束源的性能和质量的最佳技术和经济使用通常需要使用现代系统技术。该工作组正在进行以下研究:
1.烧蚀和穿孔金属和非金属的可行性研究和技术开发,2.软磁材料的激光处理,3.高动态激光加工工艺的系统技术发展,4.开发客户特定的软件解决方案,5.光学系统的表征和评估(激光束诊断)

(2)激光切割

激光切割领域的研究重点是,了解激光熔化切割领域的工艺、工艺发展。例如,如何提高使用固态激光切割时的切割质量,或者关于在保持磁性的同时优化电气板的激光切割。
此外,新切割工艺的鉴定也是重点之一,例如用于生产集成的远程激光切割。为此,IWS提供所有不同波长、功率和光束质量的常用激光器,并结合高动态2D和3D切割机使用。
除了商业加工光学、特殊解决方案和内部开发也用于激光聚焦和变形。例如 ,用于远程处理的扫描仪系统。还有广泛的选项可用于表征加工结果,从切割边缘的粗糙度测量开始,一直到记录激光切割电工钢板的磁芯损耗。
目前掌握的技术有:
1.金属的远程激光切割,2.非金属远程激光切割,3.电气板的激光切割,4.激光束熔化切割和火焰切割,5.过程表征和模拟

(五)材料表征和测试

材料表征和测试的能力领域涉及记录机械性能、材料和层系统的结构特性以及它们在现代制造和加工过程中的影响。借助最先进的测试技术,IWS研究人员能够在很短的时间内生成有关组件的有意义的数据。特别是在疲劳和疲劳强度方面,几天即可获得筛查结果。这种节省时间且成本低廉的短期诊断对中型公司来说特别有吸引力。
工作的另一个重点是新材料的开发和设计,特别是增材制造和层技术。此外,还关注可在高温、磨损或腐蚀等极端条件下使用的材料。这项工作的目标是提高产品的耐用性、提高工艺效率、减少能源和材料消耗,并实现危险或难以回收材料的替代。

1.材料设计

IWS为材料设计和加工开发建议的解决方案,生产测试样品,并在实验室规模上测试新开发材料的适用性。

(1)材料设计——从热力学到加工材料

材料设计首先使用Thermo-Calc软件计算合金系统的热力学状态以预测:1.相图和各个相的比例和组成,2.转变温度和溶解度极限,3.物理特性预测

(2)新型高性能材料

开发可在极端环境条件下使用的新型高性能材料和涂层,即非常高或低的温度、氧化和腐蚀性环境条件、高静态和循环负载以及高摩擦负载。IWS研究高强度钢、铝、钛和镍材料适应现代制造工艺,例如3D打印、激光沉积焊接或热喷涂。IWS也开发新材料和工艺,以实现可持续交通和能源生产。例如,开发用于风力涡轮机和船舶推进系统的新型轴承材料的创新理念,以及用于涡轮机、替代燃料(例如燃料电池)的材料解决方案。

(3)可持续材料生产和加工

可持续性方面对于当前和未来的材料开发具有压倒一切的重要性。因此,IWS提供的工艺适应性材料设计包括对合成和加工中的能源和材料效率、材料临界性和环境兼容性和可回收性等方面的一致考虑。IWS提供部分甚至完全更换关键合金部件(例如合金部件)的解决方案,如钴或钨。此外,IWS还致力于开发允许使用回收原材料和原料的“耐成分”材料和涂料。 

2.疲劳性为和寿命预测

现代工业社会的核心目标是材料的可持续和资源高效利用。这与机械受力部件和结构的使用寿命的可靠预测密切相关。IWS的安全和功能相关组件的设计和尺寸解决方案包括缩短时间的测试程序、实验室级别的实际压力描述以及材料或组件中的不规则和缺陷的评估。

(1)使用高频疲劳测试进行高效性能筛选

IWS和其现代化的高频测试实验室为材料和部件的快速强度评估提供了广泛的选择,从而实现了必要测试时间的减少。

(2)扭转和轴向联合载荷下的材料和部件测试

连接的、旋转对称的组件会承受叠加的扭转和轴向载荷。工作小组致力于基于仿真的设计和接头区域复杂应力状态下疲劳强度的实验证明。

(3)通过缺陷分析预测寿命

材料和部件的疲劳断裂主要是由于缺陷或微观结构不规则造成的缺口效应。因此,只有考虑到这些强度降低的特征,才能以负载为导向设计结构部件。在附加构造或连接结构的情况下,这方面变得更加重要。IWS的使用寿命估算始终基于疲劳强度与引发裂纹的结构元素之间的实验关系。

3.原位变形和破坏分析

零件或组件的过早失效通常与相当大的后续成本有关。最准确的局部和因果评估是找出和避免此类损害案例的核心。使用数字图像相关性的光学变形分析有助于找出损害。

(1)用于复杂结构光学变形分析的数字图像关联

局部变形状态的验证是结构优化部件设计的先决条件。IWS应用最先进的相机系统,根据复杂结构中的局部变形量化应力分布。除此以外,该系统允许对捕获的图像部分中的不同区域以力或应力-应变曲线的形式进行评估。

(2)故障和损坏分析

汽车工业、机械和工具制造以及能源和环境技术等行业的零部件过早失效可能会造成严重后果,并给公司带来重大的财务和法律风险。IWS在这方面拥有多年经验冶金损坏原因的评估以及补救和预防措施的推导。

(六)光学计算

1.光纤技术与表面计算

弗劳恩霍夫光学计量和表面技术应用中心 (AZOM)将区域经济的要求与光学测量技术、图像处理和生物光子学的最新研究方法相结合。目标是将研究结果快速直接地转化为工业过程的特定应用解决方案。AZOM能够运用的技术众多,如:
1.光子系统组件、光纤技术和测量技术,2.表面和材料技术,3.图像处理和过程控制AZOM可提供的服务有:

(1)光学计量和过程集成

1.复杂的工业级光学测量方法的概念和实施,2.开发行业标准、特定应用系统组件(光源、检测器、信号采集和处理、软件),3.表面表征(结构测量方法、图像处理),4.开发客户特定的传感器和执行器,5.过程和组件的无损监控

(2)基于激光的表面技术

1.表面处理和表面结构化中的激光技术,2.边缘工艺中的激光技术(表面清洁、预处理),3.开发用于控制激光器的工业专用软件,4.开发客户特定的完整系统(激光、扫描仪、安全设备)

2.光学检测技术

由于其高度灵敏、选择性和非接触式测量原理,非接触式光学-光谱分析方法被广泛应用于过程和实验室分析领域。为了实现工厂的最佳运行和制造产品的质量,可将它们集成到原位或在线分析中。工作小组基于高光谱成像、激光二极管光谱和紫外线、可见光、近红外和红外光谱为个别应用和过程集成开发定制解决方案。在这一领域,IWS所掌握的技术有:

(1)高光谱和多光谱成像技术

高光谱成像(HSI)或多光谱成像可以使不可见的东西可见。为此,工作组使用了不同电磁范围(光谱)中的空间和波长分辨检测。有光谱范围从50nm-400nm的紫外线、光谱范围为400nm-750nm的可见光、光谱范围从750nm-2500nm的近红外光、光谱范围从 2500nm-10000nm的中红外光。

(2)气相表征

在气体分析领域,工作组擅长多气体分析和气体检测。物质和物质化合物的鉴定和定量分析的目标应用是化学过程、气体气氛和箔的特定物质渗透或突破行为的评估。
1.多气体分析使用红外光谱法(FTIR)对不同气体种类进行时间分辨原位检测是了解化学气相过程的通用表征方法,也可以独立于过程压力和温度使用。以较低的检测限(通常在ppm范围内)确定随时间变化的浓度曲线,可以分析CVD 过程中的气体和废气成分,例如半导体和光伏行业的涂层或蚀刻、烧结过程,以及一般监测气体混合比。
2.微量气体检测基于激光二极管光谱(LDS)的高灵敏度痕量气体检测可提供有关某些气体存在的特定信息。特别地,在检测限为ppb级的高纯度气体中,可以高精度地检测出水分等工艺关键物质作为杂质。结合专门开发的光学系统,激光二极管光谱学还开辟了表征特别是箔的渗透行为(“渗透”)的可能性。对于势垒密封有机发光二极管等高科技应用,这些测量以前所未有的准确度为使用寿命预测提供了可靠的数值。

(3)涂层和表面分析

在质量保证和涂层技术优化方面,尤其是在光伏或半导体行业,以及在精确表面设计很重要的其他领域,需要以灵敏的方式将表面状况确定为决定性的产品特征。
为此,IWS提供了从紫外到红外光谱范围的光谱分析方法。这些非接触式和非破坏性测量方法可用于各种材料,例如陶瓷、半导体、玻璃、聚合物和金属以及层系统。
IWS的服务范围从层的检测和分析、表面条件(例如杂质)的表征到材料的水分、成分、功能化和结构的测定。还可以检查层系统的光学功能(折射率、消光系数)、层厚度(nm至µm范围)、层结构和不均匀性。各种测试也可用于确定光催化活性。

 

预算和收入

在2022财年,IWS的总预算达3300万欧元。其中,产业项目收益有1010万欧元,来自联邦、州和欧盟的项目收入有1380万欧元,来自核心资金和内部计划的资金有910万欧元。而IWS的运营预算为2940万欧元,投资360万欧元,工业Rho达34.4%。
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