zukunft der werkstoffentwicklung - vortrag stefan reschke (fraunhofer int)
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Die Anforderungen an neue Materialien wachsen kontinuierlich - sie sollen immer mehr können, kaum Gewicht haben, Nachhaltig-keitsaspekte erfüllen und möglichst wenig kosten. Trendanalysen im Sinne zukunftsorientierter Technologieanalysen ermöglichen zu erkennen, wohin die Entwicklungstendenzen in diesem Bereich gehen.TRANSCRIPT
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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
TechnologieAnalysenVorausschau
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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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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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
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