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Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
... Wertstoffkreislauf. Die Forschungsaufgaben werden in einem interdisziplinär ... am Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Universität Jena.
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Überblick und Bedeutung
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, kurz Fraunhofer IKTS, ist eine Forschungseinrichtung der Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Dresden und Hermsdorf. Es betreibt angewandte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Hochleistungskeramik und der Materialdiagnostik. Angewandte Forschung bedeutet, dass wissenschaftliche Erkenntnisse gezielt für praktische technische Anwendungen nutzbar gemacht werden.
Das Institut arbeitet vor allem in den Ingenieurwissenschaften. Wichtige Fachgebiete sind Chemieingenieurwesen, Energietechnik, Materialwissenschaft, Medizintechnik, Mikrosystemtechnik, Nanoanalytik, Optik, Umwelttechnik, Verfahrenstechnik und Werkstoffwissenschaft. Seine Schwerpunkte liegen in Werkstoffkunde, Energie-, Medizin-, Mikrosystem-, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Materialprüfung, Nanoanalytik und optischen Verfahren.
Das Fraunhofer IKTS versteht sich als Dienstleister der Wirtschaft. Es entwickelt Materialien, Bauteile, Prototypen und Systeme für industrielle Anwendungen. Außerdem prüft und überwacht es Werkstoffe und Anlagen. Technische Keramik spielt dabei eine zentrale Rolle: Gemeint sind keramische Werkstoffe, die nicht nur für Alltagsgegenstände, sondern für anspruchsvolle technische Aufgaben eingesetzt werden, zum Beispiel bei hohen Temperaturen, starker mechanischer Belastung, chemischem Angriff oder in Sensoren.
Entwicklung und Standorte
Das Institut wurde 1992 als Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS in Dresden gegründet. Es entstand aus dem Institut für Keramische Technologien und Materialforschung IKTM des ehemaligen Zentralinstituts für Festkörperphysik und Werkstoffforschung ZFW. Ziel war unter anderem, die in Dresden etablierte anwendungsorientierte Forschung zu Konstruktions- und Funktionskeramik nach 1989 zu erhalten und weiter auszubauen. Der Artikel weist darauf hin, dass die Neutralität des Abschnitts zur Geschichte umstritten ist.
Gründungsdirektor war Waldemar Hermel, der das Institut bis 2004 leitete. 1994 wurde das IKTS als vollwertiges Institut in die Fraunhofer-Gesellschaft integriert. Zur Gründungszeit beschäftigte es 84 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. 2004 übernahm Alexander Michaelis die Leitung. Im selben Jahr wurde das Institut in „Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme“ umbenannt, weil neben Werkstoffen nun stärker ganze keramische Systemlösungen für Anwendungen etwa in Energie-, Mikrosystem-, Umwelt- und Verfahrenstechnik entwickelt wurden.
2010 schloss sich das Hermsdorfer-Institut für Technische Keramik e. V. HITK einschließlich der Aktivitäten der früheren inocermic GmbH dem Fraunhofer IKTS an. Dadurch kam ein Standort in Thüringen hinzu, wo Keramikhandwerk und Keramikindustrie eine lange Tradition haben. 2014 wurde der Dresdner Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP-D in das IKTS integriert. Damit kamen Kompetenzen in zerstörungsfreier Prüfung, Materialdiagnostik, Zustandsüberwachung, Prüfelektronik, Nanoanalytik, Sensorik, Optik sowie Bio- und Umwelttechnik hinzu.
Das Institut unterhält Hauptstandorte in Dresden-Gruna, Dresden-Klotzsche als Standort Materialdiagnostik IKTS-MD und Hermsdorf in Thüringen; im Eingangstext wird außerdem Arnstadt als weiterer Standort genannt. Hinzu kommen Büros, Technika und Applikationszentren in Connecticut, Pleißa, Pöhl, Schmalkalden, Leipzig und Berlin. Insgesamt gilt das Fraunhofer IKTS als größtes Forschungsinstitut für technisch-keramische Systemlösungen in Europa.
Stand April 2017 arbeiteten rund 560 Personen im Stammpersonal, darunter Wissenschaftler, Techniker, Laboranten und Verwaltungsangestellte. Zusätzlich wurden etwa 100 Diplomanden, Studierende, Auszubildende, Praktikanten und Stipendiaten betreut. Der Gesamthaushalt lag 2016 bei 53,6 Millionen Euro. Etwas über 27 Prozent kamen aus institutioneller Förderung, davon 90 Prozent aus Bundesmitteln und 10 Prozent aus Landesmitteln. Rund 37 Prozent des Betriebshaushalts stammten aus wirtschaftlicher Auftragsforschung, etwa 36 Prozent aus öffentlichen und EU-Mitteln oder sonstigen Erträgen.
Forschung und Arbeitsweise
Das Fraunhofer IKTS deckt das Feld der Technischen Keramik entlang vollständiger Fertigungslinien ab: von grundlagenorientierter Vorlaufforschung über industriell relevante Herstellungsverfahren bis zur Systementwicklung. Grundlage ist Werkstoffwissen über keramische Hochleistungswerkstoffe. Daraus entstehen Bauteile, Prototypen und ganze Systeme.
Ein wichtiger Teil der Arbeit ist die Materialdiagnostik und -prüfung. Dabei werden Werkstoffe untersucht, ohne sie immer zerstören zu müssen. Eingesetzt werden Verfahren wie Akustik, Elektromagnetik, Optik, Mikroskopie und Strahltechnik. Diese Methoden dienen der Werkstoffcharakterisierung, also der Bestimmung von Eigenschaften eines Materials. Sie tragen zur Qualitätssicherung und Zuverlässigkeit von Produkten und Anlagen bei.
Das Institut arbeitet in acht Geschäftsfeldern, die an Marktbedürfnissen und Branchen ausgerichtet sind. Diese Geschäftsfelder verbinden Materialentwicklung, Herstellungsverfahren, Prüfung und konkrete Anwendungen. Übergreifend forscht das IKTS außerdem an Industrielösungen für Wasser- und Abwassertechnologie, Ultraschall- und elektromagnetischen Prüfsystemen, Zustandsüberwachung von wichtigen Bauteilen, zum Beispiel Rotorblättern, sowie an Maschinenlernen im Bereich künstlicher Intelligenz.
Materialien, Verfahren und industrielle Anwendungen
Im Geschäftsfeld Werkstoffe und Verfahren geht es um Oxid-, Nichtoxid- und Silikatkeramiken, Faserverbundwerkstoffe, Gläser, Lote, Hartmetalle, Cermets, biogene Keramiken und Filterkeramiken. Cermets sind Verbundwerkstoffe aus keramischen und metallischen Bestandteilen. Auch präkeramische Vorstufen, Beschichtungen, Sonderkeramiken und Funktionskeramiken werden bearbeitet. Das Institut stellt daraus anwendungsnahe keramische Prototypen bis hin zu Kleinserien her. Verwendete Verfahren sind unter anderem Pulver-, Dickschicht-, Dünnschicht-, Faser- und Multilayertechnologien, Fügen, Upscaling, additive Verfahren, Grün- und Finishbearbeitung, Pressen, Gießen, plastische Formgebung, Wärmebehandlung und Sintern. Sintern ist ein Verfahren, bei dem Pulver durch Erhitzen zu einem festen Körper verbunden wird.
Für Maschinenbau und Fahrzeugtechnik entwickelt das IKTS Lösungen für Verschleiß- und Korrosionsschutz, Abgasbehandlung, Hochtemperaturbauteile, Sensorik, Prüfsysteme sowie Prozess-, Maschinen- und Anlagenüberwachung. Keramische Komponenten, Hartmetalle und Cermets werden eingesetzt, wenn Bauteile temperaturbeständig, mechanisch belastbar, chemisch resistent oder elektrochemisch widerstandsfähig sein müssen. Seit der Integration des IZFP-D 2014 stehen verstärkt optische, elastodynamische und elektromagnetische Prüf- und Monitoringsysteme zur Verfügung. Diese Systeme erfassen zerstörungsfrei kritische Materialparameter wie Spannung, Porosität, Rissbildung oder Delaminationen, also Ablösungen von Materialschichten.
Im Bereich Material- und Prozessanalyse untersucht das Institut Rohstoffe, Werkstoffe, Bauteile und Systeme. Dazu gehören prozessbegleitende Charakterisierung, Modellierung und Simulation des Systemverhaltens sowie Analytik für Mikro- und Nanoelektronik. Im akkreditierten Prüfzentrum werden klassische Routineprüfungen nach Norm durchgeführt. Außerdem besitzt das Zentrum eine flexible Akkreditierung für Ultraschall- und Wirbelstromverfahren sowie für Sichtprüfung. Dadurch können eigene Verfahren validiert und für Anwender in genormte Verfahren überführt werden.
Energie, Umwelt, Elektronik und Medizin
Im Geschäftsfeld Energie arbeitet das Fraunhofer IKTS an Energiespeichertechnologien, Brennstoffzellen, Elektrolyse und Power-to-Gas, Photovoltaik und Solarthermie, Energy Harvesting, Bioenergie sowie Hochtemperatur-Gasturbinen und thermischen Energiesystemen. Es entwickelt dafür Komponenten, Module und Komplettsysteme auf Basis keramischen Werkstoffwissens. Im Mittelpunkt stehen langlebige Systeme und Systeme für raue Umwelt- und Einsatzbedingungen.
In der Umwelt- und Verfahrenstechnik geht es um Abwasserbehandlung, Wasseraufbereitung, Sauerstoffgewinnung und -nutzung, Abgasnachbehandlung, Gasaufbereitung und biotechnologische Prozesse. Das Institut stellt keramische zelluläre und poröse Membranen her, die zum Filtern etwa in der chemischen Industrie eingesetzt werden können. Weitere Kompetenzen liegen in Membranverfahrenstechnik, Adsorbentien, Katalysatoren, Katalysatorträgern und Prozesstechnik für biogene Substrate. Ziel ist, Stoffe und Energie effizient sowie umwelt- und klimaschonend zu recyceln, zum Beispiel bei Wasser- und Luftreinigung oder der Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe.
Im Geschäftsfeld Elektronik und Mikrosysteme entwickelt das IKTS elektronische Bauelemente, Mikrosysteme, Sensoren und Sensorsysteme. Ein Schwerpunkt sind Prüf- und Monitoringsysteme mit Software zur Erfassung und Darstellung elektrochemischer, thermischer, optischer, akustischer und magnetischer Materialparameter. Piezoelektrische Sensoren bestehen beispielsweise aus Piezokeramik-Polymer-Verbundwerkstoffen. Piezoelektrisch bedeutet, dass ein Material auf Druck elektrische Signale erzeugen kann oder sich durch elektrische Spannung verformt. Solche Sensoren werden unter anderem im Fahrzeugbau, in der Energietechnik und bei der Zustandsüberwachung eingesetzt.
In der Bio- und Medizintechnik befasst sich das Institut mit Biosensorik und -aktorik, Endoprothetik, Dentaltechnik, biomedizinischer Therapeutik und Diagnostik. Es untersucht Biomaterialien und dentalkeramische Werkstoffe sowie Prüf- und Diagnoseverfahren. Ein Schwerpunkt ist die Zell- und Gewebediagnostik, etwa um zu bewerten, wie Körperzellen auf keramisches Fremdmaterial bei Zahn- oder Knochenimplantaten reagieren. Keramische Implantate könnten laut Artikel in einigen Jahren eine Alternative zu Metallimplantaten darstellen.
Optik, Kooperationen und Auszeichnungen
Im Geschäftsfeld Optik arbeitet das Fraunhofer IKTS an Lichtsystemen, Lasertechnik, optischen Mess- und Diagnosesystemen, Transparentschutz und Designkeramik. Optische Prüfmethoden sind besonders geeignet, wenn berührungslos gemessen werden soll oder raue Einsatzbedingungen herrschen. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung optisch aktiver Nanosensoren. Außerdem forscht das Institut an polykristallinen Transparentkeramiken für optische und photonische Anwendungen. Diese Keramiken besitzen hohe optische Homogenität, hohe mechanische Belastbarkeit sowie geringe Absorptions- und Streuverluste. Sie können zum Schutz elektronischer Komponenten wie Smartphone-Displays oder in der Ballistik zum Schutz von Personen, Fahrzeugen und Ausrüstung verwendet werden.
Das IKTS kooperiert mit zahlreichen fachlichen Netzwerken, Verbänden, Fraunhofer-Allianzen und Fraunhofer-Verbünden. Dazu gehören unter anderem die Deutsche Keramische Gesellschaft, die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, die Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung, DRESDEN-concept, Energy Saxony, Silicon Saxony sowie verschiedene Fraunhofer-Allianzen zu Batterien, Energie, Leichtbau, Nanotechnologie, Vision und weiteren Themen. Im universitären Bereich bestehen Kooperationen mit der Technischen Universität Dresden und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Diese Zusammenarbeit deckt vor allem Grundlagenforschungsbedarf ab. Der Institutsleiter ist zugleich Inhaber der Professur für anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe am Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IKTS erhielten mehrere Auszeichnungen. Genannt werden unter anderem der Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2017 für das Erreichen der molekularen Trenngrenze von 200 Dalton mit einer keramischen Nanofiltrationsmembran, der agra-Preis der Innovation 2017 für ein Recyclingverfahren aus Molkereststoffen zu Biogas, Dünger und Frischwasser, der 3D InCities Award 2016 für Forschung zu 3D-Packaging-Technologien, der Biogas-Innovationspreis der Deutschen Landwirtschaft 2016 für Strohpellets zur Biogasproduktion sowie der Corporate Environmental Achievement Award 2015 der American Ceramic Society für keramische Nanofiltrationsmembranen.