zukunft der werkstoffentwicklung - vortrag stefan reschke (fraunhofer int)

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TechnologieAnalysenVorausschau

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FRAUNHOFER-INSTITUT FÜRNATURWISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHETRENDANALYSEN


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Derzeit 5 Geschäftsfelder, 2014 Restrukturierung

Trends und Entwicklungen inForschung und Technologie

Planung, Programme und Strukturenin Forschung und Technologie

Nukleare Sicherheitspolitik undDetektionsverfahren

Elektromagnetische Effekte undBedrohungen

Nukleare Effekte in Elektronik undOptik

Technologievorausschau

Fachforschung(Physik)

Planungsunterstützung

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13GF Trends und Entwicklungen in Forschung und Technologie

Methodik der TechnologiefrühaufklärungMethodische Weiterentwicklung und methodisches Umfeld

Wehrtechnische ZukunftsanalyseZukünftige wehrtechnische Systeme und Fähigkeiten

Technologiefrühaufklärung (TFA)Zukünftige Technologien und ihr Anwendungspotenzial in voller Breite

TechnologieanalysenFachliche Vertiefung in ausgewählten Technologiefeldern

Kompetenzfelder:

• Werkstoffe • Biologische Technologien • Lebenswissenschaften• Energietechnik • Nanotechnologie • Optische Technologien• Robotik / Unbemannte Systeme • Informationstechnik

Ergebnisbeispiel TEFT: EDA HuPE Roadmap 8

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© Robert Crumb


Stefan ReschkeFraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT

Nichts ist unmöglichEin Blick in die Zukunft der WS-Entwicklung

Innovationscluster Metall-Keramik-Kunststoff6. Clusterkonferenz

CTC Höhr-Grenzhausen, 20.08.2013

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Zum Beispiel: einst Science Fiction…

• Joystick 1903

• Remote Displays 1903

• Telemedizin 1909

• Thoughtscreen 1931

• Electronic Invisibility Cloak 1931

• Tactile Sensory Brain-Machine-Interface 1932

• ... etc. ...


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Motivation I

Ca. 60 % aller Produktinnovationen beruhen aufWerkstoffinnovationen

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Motivation II

Geschätztes Einsparpotential bei Materialkosten > 5 Mrd. €


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Werkstoffforschung: ca. 8000 Jahre Innovation- und kein Ende in Sicht

• Seit dem Neolithikum Erforschung anorganisch-nichtmetallischer WS

• Seit der Bronzezeit Erforschung metallischer Legierungen

• Seit ca. 50 Jahren CALPHAD, Durchbruch Mitte der 1980er Jahre

• Ab-Initio-Simulation seit über 25 Jahren

• Skalenübergreifende Werkstoffsimulation seit ca. 10 Jahren

• Customised Materials Design to Function in ca. 15 Jahren?

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und trotzdem:

haben wir noch enormes Potential für

• evolutionäre• revolutionäre

• überraschende

Entwicklungen im Werkstoffbereich

sowie für den interdisziplinären und

kreativen Umgang mit Werkstoffen und Technologien!


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Treiber:

• Vertieftes Verständnis von Werkstoffen auf allen Skalen:(a) machtvolle Analytik

(b) machtvolle Simulationstools

• Immer ausgefeiltere Prozess- und Produktionstechnologien

• (Mut zur) Missachtung von Regeln und “Wissen”

• Serendipity / strategische Intuition

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Evolutionäre Entwicklungen


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Evolutionäre Entwicklungen: Beispiel Stahl

Bildquelle: http://www.leichtbau-technologie.de/stahl/artikel-jenseits-der-festigkeit.html?rex_resize=500w__060-2.jpg,http://www.keytometals.com/images/Articles/kts/Fig207_2.jpg

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http://www.leichtbau-technologie.de/stahl/artikel-jenseits-der-festigkeit.html?rex_resize=500w__060-2.jpg,

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Spielwiese PSE – z.B. metallische Gläser, HEAs


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Metallische Gläserwenn Unordnung zum Vorteil wird…

Bildquelle: http://www.uni-kiel.de/download/pm/2010/2010-119-1.jpg

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M.F. Ashby´s klassischer Ansatz:ein Beispiel für „provozierte Serendipity“

GRANTA Software-Paket CES, http://www.grantadesign.com/products/ces/


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Revolutionäre Entwicklungen

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Neue MaterialienBeispiele für Stoffe und Werkstoffe mit hohem Innovationspotential

• Elektronische Funktionspolymere (molekulare Pfade aus alternierend Einfach-und Doppelbindungen, spezielle Seitengruppen)

• Quantum-Confined Materials (z.B. 2D-Elektronengas, „Nanoatome“, Quantentröge)

• Neue nanoskalige Konfigurationen (z.B. Fullerene, Dendrimere, Liposomen,Mizellen, supramolekulare Strukturen)

• (Syntho-)Biologische, bioanaloge und bioinspirierte Werkstoffe undStrukturen (z.B. Spinnenfäden, Seide, Schale der Abalone-Muschel)

• Smart Materials and Systems („Intelligente“ Werkstoffe und Strukturen, z.B.Selbstheilende Materialien)


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Quantum Confinement

Neue (elektronische) Effektedurch Beschränkung des denElektronen zur Verfügungstehenden Raumes

Bildquellen: http://www.nanotech-now.com/images/QDot-nanocrystal.jpg

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Bio“*“ – Werkstoffe: Inspiration

Bildquelle: http://www.science.uts.edu.au/multimedia/smgallery/mau/06.jpg


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Komplexe Aufgaben: Smart Materialswesentliche neuartige Fähigkeiten

• Eigenzustandsüberwachung („Health Monitoring“)

• Anpassen von Eigenschaften an innere und äußere Veränderungen

• Fähigkeit zur Kommunikation

• Fähigkeit zur Selbstheilung

und erlauben damit gegenüber klassischen Werkstoffen einenmaßgeblich effizienteren Einsatz

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Elektroaktive Polymere

Bildquellen: http://www.almc.army.mil/alog/issues/sepoct05/designermat.html,http://www.electronicsinfoline.com/News/New_Gadgets/Robotics/robot-octopus-promises-to-be-entirely-squishy.html


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(Böse) Überraschungen

Bildquelle: Vicco von Bülow

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Electronic Invisibility Cloakca. 1200 – 1931 – 1968 – 1998 ff

MetamaterialsBoeing-Cube: negativerBrechungsindex fürMikrowellen ( = 2,4 cm)

Simulation einerFlüssigkeit mit

negativemBrechungsindex

Bildquellen: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Left-handed_metamaterial_array_configuration.jpg, http://www.mererhetoric.com/2007/10/25/thursday-military-tech-metamaterials-provide-mastery-over-light-cloaking-device/,http://www.physikclub.de/aus-forschung-und-wissenschaft/neues-aus-der-forschung/tarnkappen-und-negativer-brechungsindex/tarnkappen-fur-licht/view, Heydayfilms / Warner Brothers


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Scan aus dem Magazin Strange Things Are Happening; (ca. 1978) Source: http://www.joeydevilla.com/

Crazy Friday – Kreative Spinner

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http://www.mererhetoric.com/2007/10/25/thursday-military-tech-metamaterials-provide-mastery-over-light-cloaking-device/

http://www.physikclub.de/aus-forschung-und-wissenschaft/neues-aus-der-forschung/tarnkappen-und-negativer-brechungsindex/tarnkappen-fur-licht/view

http://www.joeydevilla.com/



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Dreistigkeit: Graphen„theoretisch nicht möglich“

Bildquelle: http://www.mc2quantum.com/wp-content/gallery/photo-gallery/Graphene%20Sheet.jpg


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Kreativität: bionischer Handlingassistent (FESTO, Fraunhofer)

“Plastik” + Druckluft + unkonventionelles Design + intelligente Steuerung

Low-Tech + High-Tech

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Resümee:

• Neue Werkstoffe bieten bei richtigem Einsatz ein sehr hohesEinsparpotenzial über den gesamten Produktlebenszyklus

• Ein Ende der funktionsspezifischen Diversifizierung derWerkstofflandschaft ist nicht absehbar

• Zunehmend hohe Anforderungen an Recyclingkonzepte und-technologien (Recycling, Upcycling, C2C, … )

Enorme Zukunftschancen für Forschungs- und High-Tech-Standorte gerade im Bereich Customised Products

Enorme Zukunftschancen für flexible schlagkräftigeUnternehmen


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Stefan ReschkeSenior Scientist

Technology Analysis and Foresight (TAV)Fraunhofer Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen

Appelsgarten 253879 Euskirchen

Phone: +49 (0)2251 [email protected]

http://publica.fraunhofer.de/authors/reschke,%20s

Contact:

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http://publica.fraunhofer.de/authors/reschke



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