Laser sind allgegenwärtig – beispielsweise als Scanner an der Supermarktkasse oder als Laserpointer. Sie werden aber auch in der Forschung oder Produktion wie zum Beispiel bei der Materialbearbeitung, in der Messtechnik, Medizin oder Kommunikation eingesetzt. Ein Laserstrahl unterscheidet sich von dem Licht einer Lampe unter anderem dadurch, dass die Strahlen ausgerichtet sind. Daher lässt sich die Lichtenergie auf eine winzige Fläche fokussieren, was sehr hohe Bestrahlungsstärken ermöglicht. 

Das jetzt durch die DFG mit rund einer Million Euro geförderte „Multifarben-Ultrakurzpuls-Lasersystem“ der Hochschule Aalen soll künftig verschiedenfarbige Laserpulse bereitstellen, die zueinander optisch synchronisiert und daher zeitlich aufeinander abgestimmt sind. Prof. Dr. Anne Harth, die vor rund zwei Jahren als Professorin der Studiengänge Optical Engineering und Applied Photonics an die Hochschule Aalen kam, ist begeistert: „Um forschen zu können, brauche ich drei Dinge: Neugier, begeisterte Mitarbeitende und Infrastruktur. Daher freue ich mich sehr über die Förderung des Lasersystems zu einem so frühen Zeitpunkt. Das ist ein wunderbarer Start.“

Die Möglichkeit, Lichteigenschaften wie Wellenlänge oder Pulsdauer variabel wählen oder einstellen zu können, eröffnet neue wissenschaftliche Fragestellungen. Die hierfür benötigte Ausstattung war bislang an der Hochschule Aalen nicht vorhanden. Das neue Multifarben-Ultrakurzpuls-Lasersystem kann verschiedene, zueinander optisch synchrone Pulse erzeugen. Damit sind sogenannte Pump-Probe-Experimente möglich, mit denen sehr schnelle physikalische Prozesse an unterschiedlichen Materialien, zum Beispiel Glas oder Polymeren, beobachtet werden können. 

Das System ist für eine Vielfalt von Anwendungs- und Forschungsfeldern nutzbar, beispielsweise am Laserapplikationszentrum (LAZ) und am Zentrum für Optische Technologien (ZOT), in welchem Harth die Arbeitsgruppe „Licht-Materie-Wechselwirkung“ leitet. In der späteren Anwendung finden sich Beispiele wie 3-D-gedruckte Linsen oder Freiformoptik für die Beleuchtung, Glas als wichtiges Substrat für Spiegel, die Hochlichtleistungen aushalten müssen, oder als Schutz für Handykameras sowie die von der Halbleiterindustrie produzierten Computerchips, ohne welche unsere Handys nicht funktionieren würden.

Weitere Professoren möchten das neue System für ihre Forschungsaktivitäten nutzen, darunter auch Hochschulrektor Prof. Dr. Harald Riegel, Prof. Dr. Rainer Börret, Dekan der Fakultät Optik und Mechatronik, sowie ZOT-Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Andreas Heinrich. Sie sind sich einig: „Das neue Gerät stärkt den Ausbau und die Weiterentwicklung unseres Forschungsschwerpunkts Photonics entscheidend. Mit dem neuen System gewinnen wir gemeinsam ein grundlegendes Verständnis der zeitaufgelösten Licht-Materie-Wechselwirkung. Die Ergebnisse fließen direkt in die Lehre ein, gleichzeitig können Studierende und Doktoranden an aktuellen Forschungsthemen mitarbeiten.“

Auf der einen Seite sollen empfindliche Produkte wie beispielsweise Lebensmittel durch ihre Verpackung gut geschützt sein – auf der anderen Seite soll sich die Verpackung schnell und organisch zersetzen, um der Umwelt so wenig wie möglich zu schaden. Doch für einen biologischen Abbau ist Feuchtigkeit notwendig, was wiederum problematisch für die Haltbarkeit der Produkte sein kann. „Das ist ein Widerspruch in sich, sozusagen die eierlegende Wollmilchsau“, sagt Prof. Dr. Joachim Albrecht vom Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO) an der Hochschule Aalen. Gemeinsam mit seinen beiden Kolleginnen Prof. Dr. Katharina Weber und Hang Liu forscht der Materialphysiker an einer technologischen Lösung für biobasierte Kunststofffolien, die gleichzeitig robust und feuchtigkeitsabweisend sind und bei Bedarf abgebaut werden können.

„Wir haben eine Methode entwickelt, die die Feuchtigkeit für eine Weile fernhalten kann. Es ist ein bisschen so, als würden wir eine Zeitschaltuhr einbauen“, sagt Prof. Dr. Katharina Weber. Durch eine mechanische Mikroprägung der biobasierten Kunststofffolien verschieben sich die Molekülketten und richten sich neu aus. Dadurch verändert sich ihre Oberfläche chemisch, sodass sie sich schneller oder langsamer zersetzen können – und zwar ganz ohne Chemikalien, sondern nur durch den entsprechenden Einsatz von mechanischem Druck. „Wir verändern also die Oberfläche ohne das Material zu verändern“, erläutert Albrecht. Das sei vor allem für die Branchen Lebensmittel, Pharma oder Kosmetik ideal, weil man dadurch keine neuen gesetzlichen Freigaben für die Verpackungen bräuchte.

Seit einigen Wochen ist das Forschungsteam dabei, selbst die Kunststofffolien zu produzieren, um ihre Eigenschaften und Belastungsgrenzen weiter zu untersuchen. Ziel ist es, in Zukunft Verpackungen maßgerecht „schneidern“ zu können. „Dass beispielsweise die Verpackungsfolie für Erdbeeren zwei Wochen hält, die für Schokolade ein Jahr und so weiter“, erläutert Albrecht und fügt lachend hinzu: „Sozusagen eine Verpackung mit Höchsthaltbarkeitsdatum.“ Doch bis dahin gibt es noch viel zu tun und zu forschen. „Wir sind Feuer und Flamme“, sagt der Oberflächenwissenschaftler begeistert. Denn mit dieser neuen Möglichkeit ließen sich Materialentwicklungen noch viel gezielter steuern.

Auch Katharina Weber freut sich über den Durchbruch: „Wir haben diesen neuen Hebel ja nicht erfunden, sondern gefunden. Das ist das Faszinierende an Naturwissenschaften: dass man immer noch Neuland entdecken kann.“ Dass sie mit ihren ersten, vielversprechenden Forschungsergebnissen jetzt sogar auf dem Cover des renommierten Fachjournals „ChemPhysChem“ gelandet sind, freut das Forschungsteam sehr. „Noch mehr aber freuen wir uns, dass wir mit unserer Forschung die Welt ein Stück nachhaltiger machen können“, sagt Weber. Und Albrecht fügt schmunzelnd hinzu: „Zukünftig die Joghurtbecher auf den Komposthaufen werden zu können – das ist doch eine charmante Idee!“

Es ist farb-, geruch- und geschmacklos und kann in allen drei Aggregatzuständen vorkommen: Wasser, der Rohstoff des Lebens. Die gesamte Wassermenge der Erde beläuft sich auf etwa 1,4 Milliarden Kubik-Kilometer, der größte Teil davon als Salzwasser in den Ozeanen. „Wasser hat mich schon immer begeistert, weil es unglaubliche Kräfte hat und durch unzählige Anwendungsbereiche viele spannende Themen der Zukunft abbildet“, sagt Prof. Dr. Markus Glaser begeistert. Um zu erforschen, welche mechatronischen Systeme für den Einsatz in der Tiefsee geeignet sind, wurde nun unter seiner Leitung im „Zentrum für zuverlässige mechatronische Systeme“ der Hochschule Aalen ein dreieinhalb Tonnen schwerer Tiefseesimulator eingeweiht. Mit ihm können realitätsnah extreme Umgebungsbedingungen wie in 3.000 Meter Meerestiefe simuliert werden. Glaser: „Hierzu zählen zum Beispiel Druck, Temperatur und Last– diese gleichzeitige Abbildung ist weltweit einzigartig.“

Der Tiefseesimulator konnte über einen gemeinsamen Forschungsantrag mit den Kooperationspartnern Partner Fischer Elektromotoren, SubCtech GmbH und Advanced Mechatronics GmbH gewonnen werden. Die Idee: Mechatronische Systeme sollen so ausgestattet werden, dass man über sie einen detaillierten Einblick erhält, zum Beispiel über die Restlebensdauer oder Alterung eines Systems. Dies kann unter anderem mithilfe Künstlicher Intelligenz geschehen. Außerdem liegt ein Fokus auf dem Zusammenspiel verschiedener Komponenten sowie unterschiedlicher Parameter. „Beispielsweise gibt es Sensorik, die in der Tiefsee nicht mehr funktioniert. Ohne den realitätsnahen Test im Simulator sind alle Annahmen theoretisch“, begründet Glaser die Notwendigkeit. Die getesteten Systeme gibt es bisher nicht auf dem Markt, sondern sollen nach den Tests an der Hochschule Aalen bei entsprechenden nationalen und internationalen Industriepartnern implementiert werden.

Glaser, der seit rund zehn Jahren an der Hochschule Aalen lehrt und forscht, arbeitet unter anderem auch an der Meerwasserentsalzung, Stichwort Trinkwassergenerierung. Bislang ist der gängige Stand der Technik, dass sich diese Anlagen an Land befinden. Aktuell arbeite er daran, das Verfahren unter Wasser zu bringen. Die Vorteile: 60 Prozent weniger Energieverbrauch, weniger Einfluss auf die Meeresbiologie, geringerer Platzbedarf, mehr Wirtschaftlichkeit. Daneben beschäftigt er sich mit dem Thema „Carbon Dioxide Capture“. Das Ziel ist, CO² beispielsweise in leeren Gas- oder Erdöllagerstätten, in salzwasserführenden Gesteinsschichten oder im Meeresuntergrund zurückzuführen und zu speichern.

Die Tiefsee ist für Glaser, nicht zuletzt auch durch ihre extrem eingeschränkte Zugänglichkeit, unglaublich faszinierend. „Der Aufwand, ein System in 3.000 Meter Meerestiefe zu bringen und zwanzig Jahre zu beobachten, wäre schon sehr groß“, lacht er.

Die wirtschaftliche Situation in Europa ist aktuell durch politische Krisen und wirtschaftliche Unsicherheiten geprägt. Dies führt zu historisch bedeutsamen Veränderungen auf den Energiemärkten. Die Energiemärkte erleben derzeit extreme Preisanstiege und hohe Volatilitäten, was auf Unternehmensebene selbst bei geringem Energieverbrauch zu erheblichen Kostensteigerungen und -schwankungen führen kann. Dies hat eine klare Zunahme des Kapitalbedarfs und des Liquiditätsrisikos in den Produktions- und Lieferketten zur Folge. Zusätzlich steht die Wirtschaft vor einer Verschärfung des Marktpreisrisikos für Energie, was die Margen beeinflusst. Angesichts dieser aktuellen Veränderungen und der großen Unsicherheit bezüglich möglicher Zukunftsszenarien wird es für Unternehmen in nahezu allen Branchen zunehmend schwieriger, ihren Energieeinkauf mit traditionellen Methoden fortzusetzen.

Vor diesem aktuellen Hintergrund führten die Studierenden der Master Nachhaltige Unternehmensführung und Financial Management der Hochschule Aalen kürzlich eine interaktive Vorlesung mit Workshop-Charakter zum Themengebiet der Energiekrise und des Klimaschutzes durch. Die Vorlesung konzentrierte sich auf die zentrale Frage, welche verschiedenen Lösungsansätze angesichts des fortschreitenden Klimawandels Wirkung zur Erreichung des 1,5 Grad-Ziels zeigen? Diese und weitere Fragenstellungen wurden im Plenum mit einem engagierten Publikum diskutiert.

Individuelle Lösungen

Für die Simulation möglicher Szenarien verwendeten die Studierenden das weltweit etablierte Tool En-ROADS. En-ROADS ist ein frei verfügbares, webbasiertes Klima-Simulationsmodell, entwickelt mit Unterstützung von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Es zählt zu den bekanntesten Methoden, um Klimaszenarien und -strategien zu entwickeln. Das Tool ermöglicht unseren Studierenden einen intuitiven und praxisorientierten Zugang zur komplexen Thematik des Klimawandels“, erklärte Studiengangleiterin Prof. Dr. Simone Häußler. Die Gruppen entwickelten aufgrund selbst ausgewählter Parameter (zum Beispiel Elektrifizierung des Verkehrs oder Einsatz erneuerbarer Energien) individuelle Lösungsszenarien zur wirkungsvollen Bewältigung des 1,5 Grad Ziels. Das Besondere daran ist, dass En-ROADS den Studierenden ermöglichte, ihre eigenen Wertvorstellungen in die Auswahl der Parameter und damit in ihre Modellierung einzubeziehen und die Wirksamkeit ihrer Auswahl über große Zeiträume präzise zu testen. Durch die Nutzung des Simulationstools erkannten die Studierenden, dass Einzelmaßnahmen wie zum Beispiel der Einsatz von CO2-Zertifikaten alleine wenig Wirkung zeigen und effektive, messbare Maßnahmenkombinationen global gedacht werden müssen.

Schwere Dinge heben, monotone Tätigkeiten ausführen, gleiche Bewegungen schnell und effizient ausführen – Roboter unterstützen uns inzwischen in Alltag und Industrie. Um ihre Aufgaben autonom und spezifisch ausführen zu können, braucht es Programmierung, die die Aktionen der Maschine definiert. Philipp Raab ist amtierender Weltmeister in der Kategorie „Robot Systems Integration“ – zum Wintersemester hat er nun sein Robotik-Studium in Aalen begonnen. Zuvor schloss er seine Ausbildung als Mechatroniker erfolgreich bei MAPAL ab und holte sich, ermuntert und unterstützt von seinem Ausbildungsleiter Uwe Heßler, dem MAPAL-Techniker Martin Ernsperger sowie seinem Berufsschullehrer Jens Kinzler, bei den „WorldSkills“, einem internationalen Wettbewerb in 60 Berufsdisziplinen, den Weltmeistertitel in Luxemburg. Raab: „Gemeinsam mit meinem ehemaligen Kollegen Marvin Schuster bin ich gegen junge Roboterprogrammierinnen und -programmierer aus elf Ländern angetreten. Die vier Tage Programmierung eines komplexen Robotikeinsatzes in der Lagerlogistik waren sehr herausfordernd und daher der Sieg umso schöner. Jetzt bin ich gut gewappnet für das Studium in Aalen.“

Der 21-jährige kommt aus Wört im Ostalbkreis. Er besuchte die Eugen-Bolz- Realschule in Ellwangen und entschied sich anschließend für die Mechatroniker- Ausbildung. „Mich interessierte die Verbindung zwischen Mechanischem und Elektrischen“, begründet Raab seine Entscheidung. Bereits während seiner Ausbildung kam er in Berührung mit der Robotik und durfte zusätzliche Schulungen besuchen. Nach erfolgreichem Abschluss und einem Jahr Berufserfahrung machte er sich Gedanken über den weiteren Werdegang. Raab: „Ich habe mich zuerst bewusst für das Fachabitur und dann ein Studium entschieden, weil ich in meiner Karriere flexibler sein möchte. Außerdem möchte ich später derjenige sein, der Neues entwirft und entwickelt anstatt nur auszuführen.“ Deshalb entschied er sich für das Studienangebot Robotik, das zum aktuellen Wintersemester aus dem Studiengang Mechatronik erstmalig an den Start ging. „Die Robotik ist die Paradedisziplin der Mechatronik“, sagt Prof. Dr. Markus Glück, Professor für Robotik.

Von Beginn ihres Studiums an lernen Robotik-Studierende an der Hochschule Aalen, wie Roboter aufgebaut sind, wie sie funktionieren und wie man sie in Industrie, Logistik und Medizin einsetzt. Sie entwickeln zum einen ein Verständnis für die Elektrotechnik und Mechanik eines Roboters, zum anderen lernen sie auch, die Software für einen Roboter zu programmieren. Die Studierenden können direkt an einer Trainingszelle üben und ihr neu erworbenes Wissen umgehend in der Anwendungspraxis vertiefen. Praxissemester sowie Bachelorarbeit können beispielsweise direkt in einer Partnerfirma absolviert werden. Nach dem Abschluss bieten sich viele Entwicklungschancen und exzellente Zukunftsperspektiven. Glück: „Die Robotik ist ein sehr dynamisches, zukunftsträchtiges Feld. Wir brauchen deshalb Fachkräfte wie Herrn Raab, die dieses Themenfeld beherrschen und gemeinsam mit uns die Automatisierung der industriellen Produktion, die Industrie 4.0 und ihre digitale Transformation gestalten möchten.“ Philipp Raab ist glücklich über seine Entscheidung und wird bald das erste Semester mit den ersten Prüfungen abschließen.

Bewerbung & Information

Eine Bewerbung zum Sommersemester 2024 ist noch bis 15. Januar 2024 möglich. Weitere Informationen zum Studienangebot: https://www.hs-aalen.de/…

1963 stürmten die Beatles die Hitparade, John F. Kennedy besuchte Berlin, das ZDF ging auf Sendung – und in Aalen wurde die Staatliche Ingenieurschule gegründet. Die Anfänge der Ingenieurschule bekam Prof. Heinz Schilling, der nach einer Lehre bei Daimler-Benz Maschinenbau an der TH Stuttgart studiert hatte, von der Pike auf mit, als er 1963 nach Aalen kam. „Die folgenden Jahre waren spannende Zeiten. Die Studierenden riefen zu Protestveranstaltungen auf, es gab Vorlesungsstreiks und Sitzblockaden. Kurz gesagt: Es herrschte ziemlich viel Remmidemmi“, erzählt der heute 90-Jährige schmunzelnd. 1973 wurde Schilling der erste gewählte Rektor der damaligen Fachhochschule. Schon damals wurde mit der anwendungsbezogenen Lehre und der wirtschaftsnahen Forschung die Grundlage für die heutige Forschungsstärke der Hochschule gelegt. Nach Schillings vierjähriger Amtszeit war die Studierendenanzahl von 826 bereits auf 1.200 Studierende angewachsen und mit dem Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen das Fundament für die Wirtschaftswissenschaften gelegt.

Unter Prof. Dr. Dr. Ekbert Hering wurde die Hochschule konsequent ausgebaut und baulich erweitert. Der Physiker und Wirtschaftswissenschaftler war von 1997 bis 2007 Rektor. Hering intensivierte die Zusammenarbeit mit der Wirtschaft sowie zahlreichen Institutionen und Gremien – sowohl in der Region als auch darüber hinaus. „Und gemeinsam mit der Pädagogischen Hochschule in Schwäbisch Gmünd haben wir den Studiengang Ingenieurpädagogik entwickelt“, sagt Hering. Ganz besonders am Herzen lag ihm die Internationalisierung der Hochschule sowie die bauliche Erweiterung. Durch neue Studiengänge wie beispielsweise Internationale Betriebswirtschaft, Betriebswirtschaft für kleine und mittlere Unternehmen, Informatik sowie Augenoptik und Hörakustik stieg die Studierendenzahl bis zum Ende seiner Amtszeit auf 3.860.

2008 wanderte der „Rektoren-Staffelstab“ weiter zu Prof. Dr. Gerhard Schneider. Als leidenschaftlicher Forscher, begeisterter Naturwissenschaftler und strategisch agierender Rektor prägte er 14 Jahre lang die Geschicke der Hochschule Aalen. In seiner Amtszeit wurde sie zu einer der forschungsstärksten Hochschulen für angewandte Wissenschaften bundesweit, die Studierendenzahlen verdoppelten sich nahezu und auf dem Campus entstanden zahlreiche neue Gebäude. Auch für das Promotionsrecht war Schneider der Wegbereiter – ein Meilenstein für die Hochschulen für angewandte Wissenschaften in Baden-Württemberg. „Bei den Erstsemesterbegrüßungen in die erwartungsvollen, manchmal auch etwas bang blickenden Gesichter zu schauen und diese dann bei den Graduiertenfeiern wieder zu sehen – als gereifte Persönlichkeiten, bereit, die Welt zu erobern – das waren immer ganz besonders schöne Momente“, erinnert sich Schneider. „Auch der Aufbau von explorhino, die Umsetzung der Forschungsgebäude, die Einwerbung des FH-Impuls-Projekts SmartPro oder der erste Platz bei der Gründungsförderung waren für mich Highlights meiner Amtszeit.“

Seit Anfang 2022 leitet Prof. Dr. Harald Riegel federführend die Geschicke der Hochschule Aalen. Der promovierte Physiker, der 2009 an die Hochschule Aalen kam und während seiner Zeit als Professor das Forschungslabor LaserApplikationsZentrum (LAZ) aufbaute, möchte die Stärken der Hochschule weiter ausbauen. Denn nur was besser wird, bleibt gut, ist der 58-Jährige überzeugt. Riegel, der vor seinem Amtsantritt sieben Jahre lang als Prorektor die Internationalisierung und Kommunikation der Hochschule begleitet hatte, setzt auf eine gemeinschaftliche Weiterentwicklung des starken Bündnisses auf kommunaler und regionaler Ebene sowie mit den Unternehmen der Region – gerade im Hinblick auf die fortschreitende Digitalisierung. „Es ist mir ein großes Anliegen, die Industrie bei diesem Transformationsprozess zu unterstützen“, betont Riegel. Wichtig sei auch die permanente Anpassung der Studienangebote, um diese attraktiv zu halten und Kinder und Jugendliche früh für die Welt der Naturwissenschaften und Technik zu begeistern.

„Die MINT-Bildung ist in Zeiten des Fachkräftemangels von elementarer Bedeutung für die Gesellschaft und die Region“, so Riegel. Und enthusiastisch fügt er hinzu: „Eigentlich sind wir eine Hochschule fürs ganze Leben – vom frühen Kindesalter übers Studium bis hin zu unseren vielfältigen Weiterbildungsangeboten.“ Daran stetig weiterzuarbeiten, zum Wohle der Hochschule und der Region Ostwürttemberg, „ist die Basis für alles.“

Lässt sich die Blechstärke eines Strukturbauteils halbieren, ohne dass sich die Performance bei gleichbleibender Belastung verschlechtert? Ein Lösungsansatz dafür wurde kürzlich im Rahmen eines Forschungsprojekts der Hochschule Aalen und zweier Industriepartner erarbeitet. „Zunächst mussten wir zwei zentrale Fragen beantworten: Wo genau braucht man Festigkeit? Wo ist Material notwendig?“, erklärt Dr. Wolfgang Rimkus, Leiter des Technologiezentrums Leichtbau der Hochschule Aalen. Der innovative Ansatz bestehe darin, auf ein Aluminiumblech lokale Verstärkungselemente aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff – sogenannte CFK-Patches – anzubringen. Bisher sind dafür zwei Prozessschritte notwendig: zunächst die Umformung des Blechs in die gewünschte Form und im Anschluss daran das Fügen mit den CFK-Patches. 

Effiziente Verbindung – ganz ohne Nieten oder Kleben 

„Der größte Vorteil des entwickelten Verfahrens ist, dass das Fügen und gemeinsame Umformen der zwei Materialien in nur einem einzigen Prozessschritt erfolgt“, sagt Michael Schmiedt, Doktorand an der Hochschule Aalen. Der hybride Verbund werde erwärmt und in ein Umformwerkzeug eingesetzt, wobei sich der CFK-Patch während der Umformung mit dem Blechbauteil verbindet. Das Fügen mittels Wärme macht den Einsatz von Hilfsstoffen wie Kleber, Nieten oder Ähnlichem unnötig. Zusammen mit der kurzen Taktzeit und dem hohen Automatisierungsgrad erhöht dies die Serientauglichkeit und macht die Herstellung hybrider Komponenten kosteneffizienter.

Den Vorteil der gleichen Performance in die Praxis umsetzen

Der Prozess wurde zusammen mit den Partnern Probatec AG und Dornbusch GmbHin einer branchenüblichen Presse entwickelt. Im Mittelpunkt des durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekts stand ein Blechbauteil aus dem Bahnbereich. „Die Vorgabe war, dass sich die Blechstärke halbieren soll und gleichzeitig 75 kg auf das Bauteil wirken können“, sagt Rimkus. Doch auch für crashrelevante Anwendungen aus der Automobil- oder Flugzeugindustrie sei das Verfahren hochinteressant. Selbst Flugpioniere, deren Leistung am kommenden Sonntag, den 17. Dezember, mit dem Wright Brothers Day in den U.S.A. gewürdigt wird, hätten dafür sicherlich schon eine Verwendung gefunden. 

Durch die Integration der CFK-Patches wird die Durchbiegung des Blechs signifikant verringert und gleichzeitig wird das Gewicht des Bauteils reduziert. Aufgrund des gemeinsamen Füge- und Umformschritts der zwei Materialien ist die Herstellung solcher Hybridbauteile nun kostengünstiger und serientauglich möglich. „Nach dem erfolgreichen Projektabschluss sind wir auf der Suche nach Industriepartnern, die die neugewonnen Erkenntnisse für ihre Anwendungen nutzen und in die Praxis umsetzen möchten“, so Rimkus.

Während Autos früher in großen Teilen aus Holz gefertigt wurden, sind Holzkomponenten heute lediglich noch aus ästhetischen Gründen im Innenraum verbaut. Die Forschungsgruppe rund um Prof. Dr. Lothar Kallien von der Hochschule Aalen will das Naturmaterial mit seinen physikalischen Vorteilen der niedrigen CO₂-Bilanz wiederaufleben lassen. Der Wissenschaftler sieht in dem Verfahren die Zukunft des Karosseriebaus: „Es wird mehr Holz in Autos verbaut werden, da bin ich mir sicher.“

Druckgießverfahren verbindet Holz und Metall

Das Team arbeitet an hybriden Holzstrukturen im Druckgießverfahren und kombiniert dabei Holzstrukturen mit Leichtbaudruckgusslegierungen aus Aluminium und Magnesium. Eine Herausforderung musste die Forschungsgruppe zunächst meistern: Während des Druckgießprozesses wirken hohe Temperaturen auf das Holz, das dadurch zu verbrennen droht. Ziel ist es, die thermische Schädigung des Holzkerns mit einer speziellen Technik zu umgehen: durch sehr dünnwandiges Umgießen. Mit dem Druckgießverfahren in Aalen ist dies prinzipiell möglich. Für diese Anwendung muss es jedoch noch weiter erforscht werden. So bliebe das Holz unversehrt und stabilisierte das Bauteil von innen. Entstanden ist der Forschungsansatz aus Ergebnissen des SmartPro-Projekts im Bereich Leichtbau, das vom Bundeministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde.

 „Durch die Kombination von Holz und Metall erhalten wir einen Leichtbaustoff, der die Steifigkeit des Bauteils erheblich verbessert und gleichzeitig sehr leicht ist“, so Dr. Daniel Schwarz, Wissenschaftler aus dem Forschungsteam. „Und genau deshalb wollen wieder zurück zu dem Naturmaterial – einfach, weil es so viele physikalische Vorteile hat und die CO₂-Bilanz beim Fahrzeugbau erheblich verbessert.“ Dadurch, dass das Material gleichzeitig leicht und sehr stabil ist, können auch sehr große, komplexe Bauteile erstellt werden. Autohersteller wie Tesla arbeiten schon an Karosserien, die aus einem einzigen Teil bestehen. Das spart in der Fabrikation etliche Arbeitsschritte und spezialisierte Roboter. Leichter, stabiler und umweltfreundlicher sind die druckumgossenen Holzeinlegeteile also – aber stimmen die Bauteile auch in ihrer Qualität? Das überprüft Kalliens Team mit Hilfe eines Computertomographen. So können sie das neue Bauteil mithilfe von Röntgenstrahlung nach Fehlern untersuchen, ohne es dabei zu beschädigen.

 Neue Leichtbaulösungen sind interessant für die Industrie

Um innovative Leichtbaulösungen zu entwickeln und umzusetzen, ist eine Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie essenziell: Die Forschung liefert neue Fertigungstechnologien, während die Industriepartner die Anwendungsfelder definieren und die neuen Techniken in die Praxis bringen. Inzwischen haben etliche Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen Interesse an einer Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe. „Neben Fahrzeugkarosserien kann unsere Entwicklung auch in vielen weiteren Bereichen eingesetzt werden – beispielsweise in Motorsägen oder Materialien aus der Luft- und Raumfahrt“, erklärt Kallien und betont: „Wir freuen uns über die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die uns zeigen, wo Bedarf in der Wirtschaft ist, und in welchen Anwendungen unsere Technologie zum Einsatz kommen könnte.“

In Anbetracht der Energiewende gewinnt der effiziente Umgang mit Ressourcen und die Entkopplung des Ressourcenverbrauchs vom ökonomischen Wachstum zunehmend an Bedeutung. Lithium-Ionen-Batterien sind nach dem heutigen Stand der Technik zwar sehr leistungsfähig, allerdings basieren sie auf begrenzt verfügbaren Ressourcen. Natrium-Ionen-Batterien sollen hier als nachhaltige, kostengünstige Alternative Abhilfe schaffen – sind aber in ihrer Performance bislang noch nicht konkurrenzfähig.

In Na-Ionen-Batterien werden meist harte Kohlenstoffe (Hard Carbons) genutzt. Diese lassen sich ressourcenschonend durch eine sogenannte Pyrolyse – die thermische Spaltung chemischer Verbindungen – aus pflanzlichen Stoffen wie beispielsweise Holzabfällen gewinnen. Deren stark schwankende Zusammensetzung führt bisher zu nicht tolerierbaren Eigenschaftsschwankungen.

Neuartiges Aufschlussverfahren soll das Problem lösen

Das Projekt „HANa“ (Hoch performante Anodenmaterialien für ressourcenschonende Na-Ionen-Batterien auf Basis von Lignin und Hemicellulose aus Laub- und Nadelholzabfällen) möchte dieses Problem lösen. Mit einem neuartigen Holzaufschlussverfahren werden aus Holzabfällen die Bestandteile Lignin und Hemicellulose mit definierten Eigenschaften gewonnen. Diese werden anschließend zu harten Kohlenstoffen pyrolysiert und sollen eine gleichbleibend hohe Qualität aufweisen – mit nur geringen Schwankungen. HANa bildet dabei die komplette Prozesskette von Holzaufschluss, über Pyrolyse, Elektrodenentwicklung bis zum Verbau und Test in Batteriezellen ab. In der interdisziplinären Projektgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Volker Knoblauch vom Institut für Materialforschung (IMFAA) sind mit Prof. Dr. Katharina Weber vom Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO) und Prof. Dr. Willi Kantlehner ausgewiesene Experten aus den Bereichen organische Chemie sowie Materialwissenschaft und Batterietechnologie vertreten. „Es wäre ein riesiger Schritt auf dem Weg zu nachhaltigen Batteriespeichern, und wir freuen uns sehr, dass wir von der Carl-Zeiss-Stiftung den Zuschlag bekommen haben“, fasst Knoblauch die Vorfreude der Aalener Forschenden auf das Projekt zusammen.

Über die Carl-Zeiss-Stiftung

Die Carl-Zeiss-Stiftung hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert. 

Über die Institute IMFAA und FINO

Das Institut für Materialforschung Aalen der Hochschule Aalen (IMFAA) ist spezialisiert auf die Verarbeitung, Charakterisierung und Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen. Der Schwerpunkt liegt auf fortschrittlichen Materialien und Komponenten für ressourceneffiziente Mobilität, erneuerbare Energien, additive Fertigung sowie maschinelles Lernen in der Mikroskopie und Bauteilprüfung. Mehr Infos zur Forschung am IMFAA gibt es unter: www.hs-aalen.de/imfaa oder unter www.linkedin.com/company/aalenuniversity-imfaa. 

Das Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO) beschäftigt sich u. a. mit nachhaltigen Materialien mit definierten Oberflächen und funktionalen Eigenschaften. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit am FINO bringt physikalische und chemische Aspekte der Materialmodifikation (z. B. chemischer Aufschluss, Beschichtung, Oberflächenstrukturierung) zusammen und erzielt damit anwendungsorientierte Materialentwicklungen. Mehr Infos zur Forschung am FINO gibt es unter: www.hs-aalen.de/fino.