Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSAutorin / Video: Fanny Pohontsch und Andrea Gaal
#diensttalk mit Dr.-Ing. Christiane Schuster über feine Mechanik und Fertigung im Nanomaßstab
Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, welche Vision sie antreibt.
Christiane Schuster beschäftigt sich am IKTS-Standort in Dresden-Klotzsche mit optischen Prüfverfahren und Nanosensorik. Als Leiterin der gleichnamigen Arbeitsgruppe erklärt sie, was dahintersteckt und verrät uns ihre bisherigen persönlichen Forschungs-Highlights. Außerdem erfahren wir, wofür ihr Herz am meisten schlägt.
Christiane, was ist Kern Deiner Tätigkeit am Institut?
Kern meiner Arbeit sind Mikrosysteme und zwar solche, in denen neben optischen auch mechanische, elektrische sowie fluidische und biochemische Funktionen integriert sind. Dieses Zusammenspiel hatte mich schon im Mechatronik-Studium an der TU Chemnitz fasziniert.
Was können wir uns darunter konkret vorstellen? Hast du ein Anwendungsbeispiel?
Insbesondere geht es um neuartige Sensoren für die optische Messtechnik. Mit unseren Partnern aus unterschiedlichsten Industrien entwickeln wir also Messgeräte, die in deren Produktionsprozessen integriert werden können. Dazu kann ich dir insbesondere zwei Beispiele nennen: Kennzeichnungslösungen für metallische und keramische Bauteile, die extreme Prozesstemperaturen von 900 bis 1300 °C überstehen müssen und die Online-Sensorik zur Detektion von Spurenstoffen in Prozesswässern. Die Prozesswässer können bspw. aus Kläranlagen stammen, oder Gewächshäusern und Aquakulturen, wo das Wasser mitunter mehrfach wiederverwendet und im Kreislauf geführt wird.
Im ersten Bereich, der Kennzeichnung, entwickeln wir gemeinsam mit Kolleg*innen aus anderen Fachbereichen, die sich mit Funktionswerkstoffen und Werkstoffen für gedruckte Systeme befassen und Industriepartnern Tinten. Mit diesen Tinten wird eine Beschriftung, z. B. ein Data-Matrix-Code, auf Bauteile gedruckt. Diese Beschriftung hat spezielle optische Eigenschaften, damit sie noch lesbar ist, nachdem die Bauteile Umformung oder harsche Produktionsbedingungen, wie eben extrem hohe Prozesstemperaturen, durchlaufen haben. So können die Bauteile, beispielsweise in der Metallverarbeitung, eindeutig identifiziert und der Fertigungsprozess von Beginn an überwacht werden.
Unsere Expertise und unser Angebot steckt dabei in einem Teststand, mit dem wir solche speziellen Tinten schnell und industrienah testen können. Bekommen wir neue Tinte von unseren Kund*innen, werden bei uns Codes gedruckt, ausgelesen, und beispielsweise die Form und Verteilung der Druckpunkte mit klassischer Bildauswertung und Algorithmen des Machine Learning analysiert. Das Besondere an unserem Teststand sind vier integrierte Kameras, mit deren Hilfe wir auswerten können, wie sich die Tinten verhalten, wie stabil die Druckköpfe auch über lange Zeiträume damit arbeiten und wie eine proaktive Wartung dieser, also Predictive Maintenance, aussehen kann. Besonders spannend war es, die Ausgründung dieser Technologie in das Start-up senodis GmbH zu begleiten.
»Egal, wo der Sensor eingesetzt wird, bei seiner Herstellung und Entwicklung schlägt mein Mechatronik-Herz höher.«
Und die Online-Sensorik?
Mit unserer Online-Wassersensorik können wir geringe Mengen von Arzneimitteln, Pestiziden oder anderen Chemikalien in weniger als 30 Minuten direkt vor Ort nachweisen. Somit müssen Wasserproben nicht erst in ein Labor transportiert werden. Ergebnisse liegen fast in Echtzeit vor und können genutzt werden, um die Wasseraufbereitung zu steuern. Vor dem Hintergrund, die Wasserressourcen zu schützen, spielt die lokale Wasseraufbereitung eine immer größere Rolle, damit das Wasser vor Ort wieder genutzt oder Umweltbelastungen reduziert werden können. Hier kommt unser Sensor zum Einsatz, der gerade für viele spannende, sehr unterschiedliche Anwendungen weiterentwickelt wird. Ich kann da unseren Versuchscontainer nennen, in dem wir Mess- und Aufbereitungstechnik als 4. Reinigungsstufe in einer Kläranlage am Beispiel des Spurenstoffs Diclofenac demonstriert haben. Oder die Aquakultur, wo der Sensor die Entfernung von Seelachslausmitteln aus Wasserbädern an Bord sogenannter Wellboats überwachen soll. Es hat mich sehr beeindruckt, solch ein Schiff als Einsatzort für unsere Entwicklung zu besichtigen.
Das sind vielfältige Einsatzgebiete, mit denen ihr euch befasst.
Ja, und egal, wo der Sensor eingesetzt wird, bei seiner Herstellung und Entwicklung schlägt mein Mechatronik-Herz höher und interdisziplinäre Zusammenarbeit ist gefragt. Das Kernelement des Sensors ist ein Feld aus Nanosäulen, das gestempelt und mit Gold beschichtet wird – Feinmechanik und Mikrofertigung at its best. Danach werden an der Goldoberfläche sogenannte Fängerstrukturen chemisch angebunden, die wiederum die später zu detektierenden Analyt-Moleküle aus den Wasserproben fangen und so den Sensor spezifisch machen. Schlussendlich schauen wir uns im Labor an, wie der Sensor arbeitet.
Am schönsten ist es aber, meinen Kindern oder Nachwuchsforschenden, z. B. im Rahmen einer Berufsausbildung als Physiklaborant*in, ihres BA-Studiums, ihrer Abschlussarbeit oder einer HiWi-Tätigkeit, erklären zu können, was wir hier tun und wofür wir es tun, und sie somit für Technik aber auch einen schonenden und bedachten Umgang mit den Ressourcen auf unserer Erde zu begeistern.
