Smarter Maschinenbau und Automation

Ein vollautomatisiertes System zur Herstellung und Optimierung neuer keramischer Materialien:

• Automatisches Auswiegen und Dosieren von Pulver- und Flüssigkomponenten nach vorgegebenen Rezepturen
• Roboterunterstütztes Mischen
• Schlickeraufbereitung durch Mahlen und Sprühtrocknung

Die ISC-Anlage verarbeitet bis zu 10 verschiedene Rohstoffe und lagert sie sicher in vier großen sowie sechs kleinen Reservoirs. Ein vollautomatisches Auswiegesystem mischt exakt nach vorgegebenen Rezepturen. Das Pulver wird mit bis zu sieben verschiedenen Flüssigkeiten gemischt, zu Schlicker vermengt und in einem Sprühtrockner verarbeitet.

Ergebnis ist ein standardisierter und automatisierter Prozess für maßgeschneiderte keramische Schlicker mit kontrollierten Materialeigenschaften. So lassen sich keramische Bauteile mit spezifischen Eigenschaften schnell und präzise herstellen – ideal für Forschung und Hochtechnologie-Produktion. 

Eine weltweit einzigartige, vollautomatisierte Anlage zur Erforschung und Produktion neuer technischer Spezialgläser:

Sämtliche Prozessschritte der Glasherstellung aus Gemenge-Rohstoffen werden automatisiert durch Roboter durchgeführt: Wiegen und Mischen von Rohstoffen, Pulver-Homogenisierung, Erhitzen und Schmelzen in Inline-Öfen bis 1700 °C, sowie Gießen und kontrolliertes Abkühlen, ein großer Fortschritt hinsichtlich Zeitersparnis und Prozesskontrolle. Die Daten werden digital erfasst und über einen digitalen Zwilling in den Entwicklungs-Workflow integriert – für hohe Reproduzierbarkeit und Prozessoptimierung.

Aktuell entwickelt CeDeD für die bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung installierte Glasscreening-Anlage eine neue Förderanlage für besonders grobe Gemengebestandteile. Damit kann das Einsatzspektrum ausgeweitet werden – wichtig im Hinblick auf die Datenerfassung im großen »GLAS digital« Verbundprojekt.

Spezielle Justier- und Kalibriergeräte wie AQUAJUST^® CAM und AUTOJUST^® CAM zur automatisierten Kalibrierung von Messkolben, Zylindern, Pipetten und Büretten in der Laborglasfertigung. Sie sorgen für exakte Volumenmessung bei Laborkomponenten – ein Beispiel für Automatisierung im klassischen Laborumfeld.

Keramische Lagerkugeln – z. B. für Windkraftanlagen im Einsatz – müssen nicht nur extrem hart, sondern auch absolut rund sein. Die Qualitätssicherung bezüglich der Formtreue der spiegelnden Kugeloberflächen ist eine technische Herausforderung. 
Keramische Lagerkugeln werden überall dort eingesetzt, wo klassische Stahlkugeln an physikalische oder chemische Grenzen stoßen – etwa bei hohen Drehzahlen, extremen Temperaturen, Korrosion, elektrischer Isolation oder höchsten Reinheitsanforderungen.

Entsprechend breit ist das Branchenspektrum:

• Maschinen- und Anlagenbau – Hochgeschwindigkeitslager, Präzisionsspindeln, Werkzeugmaschinen 
• Automobilindustrie & E-Mobilität – Elektromotoren, Turbolader, Getriebe, Nebenaggregate
• Luft- und Raumfahrt – Leichtbau, extreme Temperaturen, Zuverlässigkeit unter Vakuum- und Hochlastbedingungen
• Medizintechnik – Dentalbohrer, chirurgische Instrumente, bildgebende Systeme (z. B. MRT, da nicht magnetisch)
• Halbleiter- & Elektronikindustrie – Reinraumtechnik, Wafer-Handling, Vakuumsysteme
• Chemische & Prozessindustrie – Korrosive Medien, aggressive Atmosphären, hohe Temperaturen
• Lebensmittel- & Pharmaindustrie – Hygienische Anlagen, hohe Reinigungszyklen, keine Kontamination
• Energie- & Umwelttechnik – Windkraftanlagen, Turbinen, Pumpen, Wasserstoffsysteme
• Optik & Feinmechanik – Höchste Präzision und Laufruhe, minimale Vibrationen
• Textil- und Verpackungsindustrie – Hohe Drehzahlen, wartungsarme Systeme

Das bestehende CeDeD-Konzept einer optischen Kugelprüfanlage wird aktuell erweitert und zukünftig roboterunterstützt eine vollautomatische Überwachung von Oberfläche und Formtreue keramischer Lagerkugeln – oder anderer Formkörper mit spiegelnder Oberfläche – in der Produktion ermöglichen.

Eine ganze Familie von modularen, Mess- und Prüfsystemen zur störungsfreien Charakterisierung von Materialien unter realitätsnahen Wärmebehandlungsbedingungen, – bei Temperaturen bis zu 2400 °C – wird am Fraunhofer ISC entwickelt und gebaut. Sie dienen z. B. dazu, kritische Schritte beim Sintern zu erkennen und so den Sinterprozess zu optimieren und ohne Qualitätsverlust zu beschleunigen mit dem Ziel, Energie, Zeit und somit Geld zu sparen. 

Aktuell baut CeDeD auf Kundenwunsch eine neue thermooptische Messanlage, die bei Drücken bis zu 30 bar arbeitet. So hohe Drücke werden beispielsweise bei der industriellen Herstellung von keramischen Komponenten aus Si3N4 benötigt.
 

Untersucht werden kann z. B.:

• Thermisches Ausdehnungsverhalten,
• Sinterschwindung,
• Kriechverhalten,
• Benetzungsverhalten

Mit dem Hochtemperatur-Tensiometer TensioTOM unterstützt das Fraunhofer ISC Industriepartner bei der gezielten Optimierung metallurgischer Prozesse. Das System ermöglicht die reproduzierbare Analyse des Benetzungs- und Grenzflächenverhaltens von Metallschmelzen bei Temperaturen bis 1700 °C – ein entscheidender Parameter für Metallguss-, Füge-, Beschichtungs- und Lötprozesse.

Auf Basis des thermo-optischen Messprinzips (TOM) werden dynamische Benetzungswinkel sowie Ober- und Grenzflächenspannungen unter kontrollierter Atmosphäre hochauflösend erfasst. Die gewonnenen Daten liefern belastbare Grundlagen für Materialauswahl, Prozessstabilität und Qualitätssteigerung in industriellen Anwendungen und verkürzen Entwicklungszyklen entlang der metallischen Wertschöpfungskette.

Aktuell arbeitet CeDeD an einem zusätzlichen Modul für das TensioTOM, um die Haft- bzw. Benetzungskraft einer Metallschmelze bei 1600 °C zu messen. Essenziell dabei ist die kontrollierte Zusammensetzung der Atmosphäre in der Messkammer, um störende Grenzflächen-Reaktionen an der Metallschmelze auszuschalten. 

Ein vollautomatisiertes Messsystem zur nicht-invasiven Überwachung von 3D-Zellkultur-Modellen direkt im Inkubator.

MediTOM erfasst und visualisiert Zell- und (Haut-)Tumorwachstum an In-vitro-Gewebemodellen, unterstützt standardisierte Auswertung sowie digitale Datenaufnahme in Echtzeit und ermöglicht so die Automatisierung von Analysen. Mit der vergleichsweise langen Beobachtungszeit von 21 Tagen und der nicht-invasiven optischen Analyse der In-vitro-Gewebemodelle ist es mit dem MediTOM möglich, nicht nur das Tumor-Wachstum in vitro zu analysieren, sondern auch die individuelle Wirkung von Medikamenten – ideal für pharmazeutische Fragestellungen und Wirkstoffscreenings, individualisierte Diagnostik und zur Validierung individualisierter Therapieansätze in vitro, um die Tumortherapie zu verbessern und zu beschleunigen. 

Der von CeDeD mit und für das Translationszentrum des Fraunhofer ISC entwickelte und seit mehr als fünf Jahren erprobte und validierte Prototyp soll nun ein technisches Upgrade erfahren. Danach soll dieser vollautomatisierte Anlagentyp für die nicht-invasive Analytik von zellbiologischen Testsystemen auch für Interessenten außerhalb des Fraunhofer ISC verfügbar sein. 

Auch am Translationszentrum des Fraunhofer ISC werden maßgeschneiderte Geräte und automatisierte Systeme für Tissue Engineering entwickelt.

Im Fokus stehen Zell-Material-Wechselwirkungen, die Langzeitkultur verschiedener Zelltypen sowie nicht-invasive Nachweismethoden, mit denen sich Lebensfähigkeit und Zustand menschlicher Gewebemodelle zuverlässig überwachen lassen.

Für erfolgreiches Tissue Engineering ist es entscheidend, die physiologischen Bedingungen des Körpers in vitro realistisch in der dynamischen Zellkultur nachzubilden. Kontrollierte atmosphärische Bedingungen, Druckgeregelter physiologischer Medienfluss, mechanische Belastungen spielen dabei eine zentrale Rolle für die Funktion und Reifung von Geweben. Diese komplexen Rahmenbedingungen bilden wir gezielt in unseren technischen Systemen ab.

Dafür werden am Translationszentrum des Fraunhofer ISC Bioreaktoren und spezielle Inkubatorsysteme konzipiert und gebaut. Daneben wurde ein vollautomatisches, robotergestütztes Zellkulturlabor als modulare Anlage umgesetzt, auf der komplexe Zellkulturprozesse ganzheitlich realisiert werden können. Einzelne Module können dabei auch unabhängig voneinander betrieben werden und ermöglichen die Durchführung standardisierter Prozesse wie Medienwechsel oder Zellzählung.

Ein weiteres Roboterlabor wird für die Entwicklung und standardisierte, automatisierte Herstellung von Partikelsystemen mit diagnostischen oder therapeutischen Funktionalitäten genutzt.