Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSAutor: Anika Peucker
#LNdWDD: Lasst die Bilder sprechen!
Hektisch war‘s. Aufregend war‘s. Voll war‘s. Mehr als 2000 Wissensdurstige besuchten unser Institutszentrum. Wir waren begeistert! Herzlichen Dank an alle, die gekommen sind. Ebenso geht ein Dankeschön an die vielen Kollegen und fleißigen Hände, die die LNdWDD erst möglich machten. Waren Sie dabei?
Für alle, die nicht dabei sein konnten und jene, die die wissensgetränkte Nacht noch einmal Revue passieren lassen wollen, aber ebenso für alle, die hier im Blog vorbeischauen, haben wir ein paar Schnappschüsse eingefangen. Doch sehen sie selbst.
Der Aufbau beginnt. Nur noch wenige Stunde bis zur Wissenschaftsnacht. Geschickte Hände sind gefragt. Die Kollegen vom Sieb- und 3D-Druck, Ultraschall, und der Optischen Kohärenztomographie sind schon eifrig dabei.
Beim Siebdruck werden noch Poster gepinnt und die Pasten vorbereitet, damit sie später auf Stoff und Papier auch gut haften bleiben. Taschen, Schürzen, Papier – alles erhält seinen Platz, sodass es beim Ansturm später gleich losgehen kann.
Die Kollegen vom »Ultraschall-Schießen« sind einmal mehr von der schnellen Truppe. Den Aufbau fast geschafft, noch wenige Handgriffe. Da darf der kritisch prüfende Blick des Wissenschaftlerauges nicht fehlen. Macht die Technik was wir wollen?
Einen Blick in den 3D-Drucker erhält man auch nicht alle Tage. Spannend, was so ein Gerät alles kann,…
…wenn es Schicht für Schicht filigrane keramische Komponenten und Bauteile fertigt.
Auch die Carrera-Bahn steht. Sie darf natürlich an einem solchen Abend nicht fehlen.
Lasst die Spiele beginnen! Die ersten Kinder können gleich beim Kinderquiz starten. Fragen und Stift geschnappt, rechts und links geschaut,…
… so viel Wissen aufsaugen, wie möglich. Wenn sie alleine dann doch nicht mehr weiter kommen, helfen auch mal die Erwachsenen.
Preise gibt es natürlich auch. Aber erst müssen die Antworten geprüft werden. Denn schließlich wollen wir heute alle etwas lernen.
Nach diesem Glukoseverbrauch, muss sich jeder erst einmal stärken. Was steht bereit? Zuckerglas. Die Wissenschaftler erklären anhand der Herstellung von Zuckersirup-Lollies, wie die Glaskeramik-Herstellung funktioniert.
Sie zeigen an realen Beispielen, wie Gläser als Kleber, Lack und Bindemittel des Keramikers herhalten, wie sie Keramik und Metall verbinden, als Beschichtung Bauteile schützen oder Leiterbahnen elektrisch isolieren.
In der täglichen Praxis entwickeln unsere Forscher neue Glasrezepturen und Verarbeitungstechniken, um Gläser für künftige Anwendungen in Sensorik, Energie- und Elektrotechnik zu qualifizieren.
Gleich gegenüber lernen Erwachsenen und Kinder alles über Schaumkeramik, eine poröse und dennoch hochstabile Keramikstruktur, die sich für vielfältige Anwendungen eignet.
Schaumkeramiken werden seit über 50 Jahren zur Filtration von Metallschmelzen hergestellt. Aufgrund der einzigartigen Struktur erarbeiten unsere Wissenschaftler jedoch ständig neue Bereiche, für die Schaumkeramiken unterschiedlichster Geometrien prädestiniert sind.
Darunter fallen etwa Porenbrenner, Wärmeübertrager, Direktbeheizung, Solarreceiver, Preformen, Leichtbau-Komponenten, Filter für die Wasser- oder Abluftreinigung, aber ebenso Knochenersatzmaterial für biomedizinische Anwendungen.
Dass solche Filter in der Grauwasseraufbereitung (Wasser von Dusche, Waschmaschine oder vom Händewaschen) eingesetzt werden, davon konnten sich die Besucher bei der Führung durch das Umweltlabor überzeugen. Im Projekt autartec® forschen wir mit Partnern bspw. an der dezentralen Wasseraufbereitung für Homeanwendungen.
Aber nicht nur an der Grauwasseraufbereitung arbeiten die Kollegen, auch die Filterung von Bioziden, Hormonen und Pharmaka aus unserem Abwasser ist möglich. Dafür verwenden die Forscher keramische Filtermembrane, die sogar Nanopartikel zurückhalten und Abwasser wieder in Trinkwasser verwandeln.
Jedoch werden auch unsere Böden nicht vergessen. Pilze und Mikroorganismen bauen bspw. unter kontrollierten Bedingungen Schadstoffe in belasteten Erden ab. Dazu entwickeln wir biologisch-mechanischen Verfahren die dieser Bodenaufbereitung dienen und mit denen sich Spezialerden herstellen lassen.
Zurück im Technikum wartet bereits die Carrera-Bahn. Viele leuchtende Augen und fuchtelnden Hände begegnen den Betreuern. Jeder möchte einmal, doch einer nach dem anderen. Aber was hat die Carrera-Bahn mit Wissenschaft und insbesondere mit Keramik zu tun, fragen Sie sich vielleicht?
Hier geht es um LEDs, besser gesagt um Hochleistungs-LEDs und -Laser. Das dahinterstehende Prinzip soll am Beispiel von Autoscheinwerfern demonstriert werden. Mit keramischen Leuchtstoffen, sogenannten Optokeramiken, und blauen LEDs lässt sich helles Weißlich erzeugen.
Der Vorteil der Keramik: Sie hält widrigen Umfeldbedingungen stand. Das zeichnet sie für Hochleistungsbeleuchtung z.B. in Stadien, im Gewächshaus, OP oder für den Unterwassereinsatz aus. Als Deckplatte schützt sie außerdem die LED. Lesen Sie mehr darüber im Blog »Leuchtende Aussichten«.
Gleich daneben zeigen die Kollegen, wie sie Oxidkeramik herstellen. Und das Beste daran: Jeder kann mitmachen.
Oxidkeramik, speziell Zirkonoxid wird in der Zahnmedizin und Implantologie eingesetzt. Unsere Forscher arbeiten an der nächsten Generation von Zahnersatz und Implantaten.
Solche Produkte liefern bspw. eine Alternative zu metallischem Implantatmaterial. Sie wachsen sehr gut in den Knochen ein und lösen weniger allergische Reaktionen aus.
Wir machen aus Ihren Münzen Goldmünzen. Wie? Mit dem alten Alchemistentrick. 1. Reinigen Sie die Kupfermünze mit einem Alkohol getränkten Tuch. 2. Behandeln Sie die Münze mit konzentrierter Salzsäure, um die Kupferoxidreste zu entfernen. 3. Spülen Sie die glänzende Münze ab. Danach kochen Sie (4.) die saubere Münze in einem Becherglas…
…mit einer Mischung von 2 Spateln grobem Zinkpulver und 20 ml Natronlauge. Das Gemisch überzieht nach einigen Minuten die Münze mit einem grauen Zinkbelag. Nehmen Sie (6.) die Münze aus der Lösung. Spülen Sie sie ab und entfernen Sie die Zinkanballungen mit einem Tuch. Zum Schluss »vergolden« Sie die Münze über dem Bunsenbrenner.
Am Beispiel einer Münze zeigten wir die Beschichtung von Oberflächen. In der Industrie nehmen dünne Oberflächenbeschichtungen wichtige Aufgaben wahr. Sie dienen z. B. als Schutzschicht vor Korrosion oder Verschleiß, als elektrische Isolationsschicht, können aber auch magnetische Eigenschaften haben. Dünne Schichten sind zudem bei Modeschmuck ein Hingucker.
Bei den Kollegen der keramischen Mehrlagentechnologie wollten die Besucher es ganz genau wissen. Wie funktionieren bspw. Drucksensoren und andere miniaturisierte, hoch-funktionalisierte Mehrlagentechnologiesysteme? Zu Beginn muss stets die Materialfrage geklärt und die Werkstoffe vorbereitet werden.
Danach werden sie strukturiert, schichtweise abgeschieden, die Lagen gestapelt und laminiert. Zum Schluss folgt das Brennen der Mehrlagenkomponenten. Dabei zeichnet sich Keramik durch seine Temperaturstabilität, Robustheit, 3D-Integrationsfähigkeit und kostengünstige Herstellung aus.
Die Mehrlagentechnologie wird u.a. zum Schutz vor explosiven Gasgemischen, als implantierbare Sensoren, für das Temperaturmanagement von Leistungselektronik, zur Abgasbehandlung, als Miniaturbrennstoffzelle oder Mikrobatterie verwendet. Hat der Kollege etwa gerade die künftige Ingenieurskollegin gecastet?
Wie funktioniert Siebdruck? Das konnten die Besucher – allen voran die Kleinen – live erleben und selbst testen. Jeder »Mitmacher« erhielt seine selbst bedruckte Tasche. Darauf waren viele stolz. Doch welchen industriellen Hintergrund hat Siebdruck?
Dazu wollten und sollten die Besucher etwas erfahren. Die Keramiker setzen Siebdruck zur Herstellung keramischer Leiterplatten ein. Die Unterlage besteht dabei aus einer ebenen Keramik. Als Druckfarben werden Pasten mit feinen Gold- oder Silberpulvern verwendet.
Im Siebdruckverfahren werden kleine Leiterzüge auf der Keramik gedruckt und bei 850 °C gebrannt. Danach kann die Leiterplatte mit weiteren elektronischen Bauelementen bestückt werden. Solche Baugruppen sind sehr zuverlässig. Sie werden im Auto als Steuerelektronik im Motor eingebaut.
Was genau ist Optische Kohärenztomographie (OCT), ein berührungsloses, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das bspw. ihr Augenarzt zur Messung des Augenhintergrundes verwendet? Bei der OCT wird das Messobjekt mit breitbandigem Licht beleuchtet und das vom Objekt zurückgestreute Licht erfasst. Dieses zurückgestreute Licht enthält Informationen über den Ort und die Stärke der Strukturen im Material.
Durch mathematische Umformung, kann die exakte Lage per Raumkoordinaten ermittelt werden. Aus dem Signal wird ein Tiefenstreuprofil erstellt. Durch Strahlablenkung wird aus einer Sequenz des Tiefenprofils ein Querschnittbild erzeugt. Die Kombination mehrerer Querschnittbilder liefert einen Volumendatensatz, das Tomogramm. OCT ist aber nicht nur für die Medizin relevant.
Auch die Industrie ermittelt damit Materialfehler im Mikrometerbereich. Sehen Sie sich dazu doch einmal den unten verlinkten Blogbeitrag an. Unsere kleinen Besucher durften am OCT-Stand Gummitiere erraten. Das nur anhand der Oberflächenstruktur der Tiere, die zuvor per OCT aufgenommen wurden. Das war ein Spaß und ließ das kleine Analytikerherz gleich höher schlagen. Eine Belohnung für richtiges Raten gab es obendrein.
Wie man mit Pfeil und Bogen Ultraschall (US) erzeugt, erfuhren die Besucher an der nächsten Station. Ihr Ziel waren virtuelle Luftballons und grüne Raupen, die auf der Zielscheibe, einer Metallplatte, erschienen. Was passiert dabei? Wenn Sie mit dem Pfeil die Metallplatte treffen, entsteht beim Aufprall eine US-Welle.
Menschen können US im Gegensatz zu Fledermäusen und Delfinen nicht hören. Trotzdem breiten sich US-Wellen in Gegenständen, in Luft oder Flüssigkeiten aus. Die Sensoren in den Ecken der Metallplatte bestehen aus Messelektronik und einer speziellen Keramik, die US-Wellen erfassen können.
Da die Wellen zu unterschiedlichen Zeiten bei den Sensoren eintreffen, lässt sich mit Hilfe eines Rechners deren Ursprung – also ein Treffer auf der Metallplatte – zurückrechnen. Wir sprechen dann von Lokalisierung und können so im »realen Leben« Werkstoffabnutzungen, Korrosion und Schäden in Materialien finden.
In additiver Fertigung stellen wir hochkomplexe Keramikbauteile her. Dabei wird das Bauteil schichtweise aufgebaut, sodass komplexe Geometrien realisierbar sind. Wir mischen dafür feinstkörnige Keramikpulver mit polymeren Binderkomponenten, die sich bei Bestrahlung mit blauem Licht verfestigen und die Pulverpartikel fixieren.
Durch die Verwendung einer speziellen Optik kann jede Schicht eine andere Geometrie aufweisen. Sind die Bauteile fertig, werden sie entbindert und zu dichter Keramik gebrannt. Die feinsten Strukturen erreichen dabei die Dicke eines Haares.
Mit dieser Technik können wir erstmals Bauteile funktions- statt fertigungsgerecht auslegen und Zuleitungen direkt mit dem Bauteil herstellen. Welche Vision und neue Horizonte daraus erwachsen, erfuhren die Besucher beim begleitenden Vortrag.
Schön war’s! Viele Fragen. Lachende Gesichter. hochinteressierte kleine und große Besucher.
Voll war’s! Wer durch wollte, musste sich schlängeln. Sonst blieb nur: Mitschwimmen im Strom.
Die Letzten rätseln noch. Letzte Gespräche vor dem Heimweg. Wir waren überwältigt vom Interesse und sagen DANKE für Ihren Besuch.
Mehr Informationen zu den verschiedenen Themen:
- Leuchtende Aussichten – LED mit Keramik
- Glaskeramik: Wenn Wissenschaftler am Ceranfeld den Kochlöffel schwingen
- Von der Medizin in die Industrie: Mit der Optischen Kohärenztomographie (OCT) ins Auge und auf Keramik geschaut
- Oxidkeramik: Zahnimplantate mit Ästhetik
- Poröse Keramik und Keramikschäume: Keine Schaumschläger, sondern robuste Realität
- Medikamentenrückstände in unserem Wasser: Lassen sie sich beseitigen?
- Dünger, Wasser, Bioenergie – Molkereireststoffe als »One Stop Shop« im geschlossenen Verwertungskreislauf
- autartec®-Systeme zur dezentralen Wasseraufbereitung
- Personalisierte keramische Knochenimplantate aus dem 3D-Drucker
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