Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik | Prof. Christian Wuppermann

Ziel des Projekts war die Ertüchtigung und Erweiterung des vorhandenen optischen Flammendiagnostik am IOB. Hierzu wurde das System auf den Stand der Technik gebracht und für die aktuellen Anforderungen (flammlose Verbrennung, kohlenstofffreie Brennstoffe) vorbereitet. Dies umfasste die Anpassung der Hard- und Software für die Bildverarbeitung, ein neues Kamerasystem speziell für die Aufnahme geringer Strahlungsintensitäten und eine Doppelbild-Optik für die gleichzeitige Aufnahme von CH*- und OH*-Eigenleuchten.
Als besondere Ergänzung wurde ein Hochtemperatur-Kamera Endoskops beschafft, mit dem minimalinvasiv qualitativ hochwertige Aufnahmen in Brennkammern und Industrieöfen erstellt werden können. Ein solches Endoskop geht weit über den üblichen Stand der Technik der Flammendiagnostik in Öfen hinaus und wird aktuell lediglich von zwei anderen Forschungseinrichtungen weltweit betrieben. Das Endoskop erlaubt den Einsatz der Flammendiagnostik an industriellen Anlagen, was in naher Zukunft besonders bei den zahlreichen laufenden und geplanten H2-Demonstrationsprojekten zu neuen Erkenntnissen führen wird.

Institut für Elektrische Maschinen | Prof. Kay Hameyer

Da insbesondere für Traktionsmaschinen für mobile Anwendung die Leistungsdichte und damit die die spezifizierte Drehzahl stetig steigen, steigen auch die Anforderungen an Prüfmöglichkeiten. Die Leistungsklasse mit dem größten Wachstum in den letzten Jahren liegt durch die Elektromobilität bedingt zwischen ca. 10 kW und 400 kW. Während in der Vergangenheit in diesem Bereich primär robuste Industrieantriebe für stationäre Anwendungen zu finden waren, sind nun Traktionsmotoren verschiedener Bauart und Leistung verfügbar. Die Anforderungen an Traktionsmotoren unterscheiden sich signifikant von denen an stationäre Industrieantriebe, denn in batterieelektrischen Fahrzeugen sind Wirkungsgrad, Baugröße, Gewicht und Geräuschverhalten von größerer Bedeutung. Um Forschungsfragestellungen in diesem Bereichen beantworten zu können, sind geeignete Mess- und Prüfmöglichkeiten für solche Antriebe unerlässlich. Neben der reinen elektrischen Vermessung müssen auch Schwingungen und Geräusche sicher gemessen werden können.
Der Leistungs- und Akustikprüfstand für moderne Traktionsantriebe elektrischer PKW und LKW zielt auf diese Problemstellung ab und bietet eine moderne Infrastruktur zur Erforschung des akustischen Verhaltens von elektrischen Maschinen. Diese Erweiterung der Prüfmöglichkeiten des IEM besteht im Wesentlichen aus drei Maßnahmen bzw. Beschaffungen:

• Akustikmessraum zur Entkopplung des Messraums von Störgeräuschen
• schnelldrehende Lastmaschine größerer Leistung incl. Leistungselektronik
• Erweiterung der akustischen Messtechnik

Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling | Prof. Bernd Friedrich

Die Zielstellung des durchgeführten Projektes war die Installation und Anpassung, Inbetriebnahme und
Optimierung einer Batterie-Pyrolyseanlage inklusive Abgasreinigungssystems sowie die Durchführung einer ersten Parameterstudie zum Upscaling der Einsatzmaterialmenge von der Einzelzelle bis zum Modul. Diese Stufen konnten im Rahmen des Projektes erfolgreich durchlaufen werden, sodass zum Ende des Projektes ein ganzes Lithium-Ionen EV-Modul pyrolysiert werden konnte. Dazu erfolgte zunächst die Einrichtung der notwendigen Infrastruktur am IME wie die Verlegung von Gaszuleitungstrecken und die Konzeptionierung, Konstruktion und schlussendlich der Bau der Abgasreinigungsanlage. Diese wurde im Zusammenspiel mit dem Ofen erfolgreich in Betrieb genommen und auf die Betriebsparameter des Ofens abgestimmt. Es folgten erste Tests zur Inbetriebnahme der Anlage mit Polyethylen, bei denen die Steuerung und Prozessführung des Ofens zusammen mit der Abgasreinigung erprobt und optimiert wurden. Anschließend war die Pyrolyse von intakten prismatischen NMC Lithium-Ionen Batteriezellen möglich. Ausgehend von Einzelzellen wurde die Anzahl der Zellen während der Versuche sukzessive gesteigert, bis schlussendlich ein ganzes Batteriemodul pyrolysiert wurde.
Die Arbeiten zum Upscaling der Materialmenge führten zu wichtigen Erkenntnissen die sowohl für die industrielle Umsetzung als auch für weitere Forschungsvorhaben von Relevanz sind:

• Zeitlich versetzte Zellöffnung der Einzelzellen
• Messbare Druckanstiege im Ofenraum bei Zellöffnung auf bis zu ~3 mbar
• Einfluss des Zelltyps, der Historie sowie der Entladung auf das Temperaturprofil am Einsatzmaterial und die Qualität des Pyrolyseproduktes feststellbar
• Im Fall von Einzelzellen waren Versuchsergebnisse aus vorausgegangenen Arbeiten am IME im Laborofen reproduzierbar
• Lithium-Laugungseffizienzen in einstufiger Wasserlaugung von bis zu 62,9 %erzielt
• Pyrolyse wirkt sich auf alle untersuchten nachfolgenden Prozessschritte der Recyclingprozesskette aus

Die Pyrolyse hat sich bereits als essentieller Prozessschritt im Rahmen des Lithium-Ionen-Batterierecyclings bewiesen. Insbesondere innovative Prozessschritte wie die wasserbasierte und selektive, frühzeitige Lithiumrückgewinnung, aber auch die vorausgehende mechanische Aufbereitung und Aktivmassenseparation sowie die nachfolgende Hydrometallurgie profitieren von diesem Prozessschritt. Die erfolgreiche Umsetzung der Pyrolyse eines ganzen Batteriemoduls am IME ist ein wichtiger Grundstein für nachfolgende Forschungsarbeiten, da weiterhin einige Herausforderungen wie die Einhaltung eines möglichst gleichmäßigen Temperaturprofils durch die Vermeidung von spontanen exothermen Reaktionen innerhalb der Zellen kontrolliert und umgesetzt werden müssen. Dies wird ein Schwerpunkt von Folgearbeiten am IME sein.

Gießerei-Institut | Prof. Bührig-Polaczek

Mit einer Sachbeihilfe der Otto-Junker-Stiftung, ergänzt um Eigenmittel des GI, wurden die Fertigungseinrichtungen der mechanischen Werkstatt ergänzt und in einen aktuellen technologischen Stand versetzt. Damit konnte ein wichtiger Beitrag zur Zukunftsfähigkeit der Forschungs- und Lehreaktivitäten des GI realisiert werden.

Die Maßnahme beinhaltete den Ankauf eines CNC-3-Achs-Fräszentrum und eines Wasserstrahlschneidsystems. Ferner erfolgte zur Optimierung der Digitalisierung von Prozessketten bei der Fertigung von Modell- und Formeinrichtungen eine Erweiterung der Soft- und Hardware um eine taktile Messeinrichtung. Dies ermöglicht eine grundsätzliche Steigerung der Präzision sowie die digitale Nachvollziehbarkeit und Bewertbarkeit der am GI vorhandenen Prozessketten im Bereich der Gießtechnik und der additiven Fertigung.

Die Abbildung zeigt eine mit dem CNC-Fräszentrum gefertigte Plakette.

Institut für Elektrische Maschinen | Prof. Kay Hameyer

Mit einer 50% Unterstützung der Otto-Junker-Stiftung wurde im Prüflabor für Magnetische Werkstoffe am IEM ein Hysteresegraph und ein Impulsmagnetisierer der Firma Metis Instruments & Equipment zur Vermessung hartmagnetischer Werkstoffe in Betrieb genommen. Hiermit ist es nunmehr am IEM möglich, Permanentmagnetanordnungen zu magnetisieren und das Auf- und Entmagnetisierungsverhalten von permanentmagnetischen Werkstoffen zu untersuchen.
Mittels des Hysteresegraphen können für Hartferrite und insbesondere für Hochenergiemagnete aus der Gruppe der Seltenen Erden (NdFeB, SmCo) die Magnetisierung und die Demagnetisierung bis zu einer Koerzitivfeldstärke von ca. 3500 kA/m vermessen werden. Eine Erwärmung der Materialprobe auf bis zu 220°C ermöglicht zudem eine Untersuchung des Temperatureinflusses auf die Permanentmagnete. Um verschiedene Sättigungszustände im Magnetwerkstoff zu erzielen, stellt der Magnetisierer variable magnetische Felder von bis zu ca. 7 T bereit. Grundsätzlich können Messungen unabhängig von der jeweiligen geometrischen Gestalt des Permanentmagneten durchgeführt werden.
Am IEM sollen mit dieser Messtechnik zukünftig anwendungsbedingte Materialeffekte in Permanentmagneten für den Einsatz in elektrischen Maschinen analysiert und modelliert werden.

Die Abbildung zeigt den neuen Arbeitsplatz am IEM.

Gießerei-Institut | Prof. Bührig-Polaczek

Durch eine gemeinsame Finanzierung der Otto-Junker-Stiftung und des Forschungsgroßgeräte-Programms der Deutschen Forschungsgemeinschaft konnte am Gießerei-Institut eine neue Mittelfrequenz-Induktionsofenanlage in Tandembauweise mit freier Frequenzwahl zum Umrühren der Schmelze und optionalem Schutzgasbetrieb realisiert werden. Neben dem Schmelzaggregat wurde die technische Ausstattung um eine Gießperipherieerweitert, welche eine Pfannenvorheizstation sowie Gieß- und Behandlungspfannen unterschiedlicher Größe beinhaltet. Dies ermöglicht das schnelle und sichere Prozessieren von Eisen-, Aluminium-, Kupferlegierungen und weiteren Metallen. Die modernisierte Ofentechnik bildet auch ein Kernstück in der studentischen Ausbildung und findet Einsatz in aktuellen öffentlich sowie industriell geförderten Forschungsprojekten. So lässt sich bspw. durch die Erhöhung der zur Verfügung stehenden Schmelzekapazität (70 bzw. 250 kg Gusseisen bzw. Stahl) die Legierungs- und Prozessentwicklung von hochsiliziumhaltigen Gusseisen mit Kugelgraphit für dickwandige Bauteile in Windkraftanlagen vorantreiben.

Die Abbildung zeigt den Abstich einer 1500 °C heißen Gusseisenschmelze.

Gießerei-Institut | Prof. Bührig-Polaczek

Zur Visualisierung und Messung des Verzugs und der Deformation von Bauteilen und Prüfkörpern wurde mit freundlicher Unterstützung der Otto-Junker Stiftung ein optisches Messsystem der Fa. GOM vom Typ Aramis angeschafft. Das Analysegerät findet seither intensiven Einsatz in Forschung und Lehre. Durch eine aus Eigenmitteln finanzierte Systemerweiterung ist das Gerät nunmehr auch in der Lage hochdynamische Realprozesse hinsichtlich des Verformungsverhaltens mit hoher Ortsauflösung zu analysieren. In diesem Zusammenhang  wird die Gerätschaft im Großen Gießereitechnischen Praktikum eingesetzt, um den Studierenden beispielsweise den thermischen Verzug von Sandkernen unter Einfluss des Gießmetalls zu verdeutlichen.
Die Abbildung zeigt einen Versuchsaufbau zur Analyse des Verformungsverhaltens beim klassischen Zugversuch an einer metallischen Probe.

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe | Prof. De Doncker

Im Rahmen des Projektes wurde untersucht, inwiefern aktive Gleichrichter in induktiven Schmelzöfen mit Leistungen im Mega-Watt-Bereich zur Verbesserung der Netzqualität eingesetzt werden können. Es wurde gezeigt, dass sich für die Anwendungen durch den hohen Strombedarf bei relativ niedriger Spannung ein selbstgeführter Umrichter mit Stromzwischenkreis besonders eignet und eine erhebliche Verbesserung der Netzqualität erzielt werden kann. Für das Netzfilter des Umrichters wurde ein spezieller Zustandsregler mit Erweiterung um resonante Regler verwendet, die eine hohe Dynamik bei geringem Rechenaufwand ermöglichen. Es wurde ein herunterskaliertes Labormuster (siehe Foto) mit einer Nennscheinleistung von S = 11 kVA aufgebaut, an dem das entworfene Regelungskonzept erfolgreich verifiziert werden konnte.

Fachgruppe M&W

Seit den späten 1990er Jahren, als die Studierendenzahlen im Bereich Metallurgie & Werkstofftechnik sehr niedrig waren, hat die Otto-Junker-Stiftung Projekte in der Öffentlichkeitsarbeit der Fachgruppe unterstützt.
Für eine verbesserte Außendarstellung der Institute und deren Forschungsschwerpunkte sowie zur ansprechenden Gestaltung von Schülerprospekten wurden Mittel der Otto-Junker-Stiftung eingesetzt; in den folgenden Jahren konnten auch regelmäßig die Druckkosten für Aktualisierungen damit gedeckt werden. Weiterhin wurden die Kosten für Schüler-Informationsveranstaltungen oder die Vertretung bei Schülermessen, wie bspw. der „Einstieg Abi“ über die Otto-Junker-Stiftung getragen. In diesem Zusammenhang konnten auch Exponate für die Präsentation der Fachgruppe nach außen beschafft und realisiert werden.
Im Laufe der Zeit sind die Studierendenzahlen kontinuierlich gestiegen, sodass die Investition als erfolgreich und zielführend eingestuft werden kann.