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Fraunhofer-Institut Halle

Die Digitalisierung ist die Zukunft. Heißt es. Aber was ist mit der physischen Welt? Ein Besuch im Fraunhofer-Institut in Halle, Deutschlands erster Adresse für neue Werkstoffe.






So unauffällig kann die Zukunft aussehen: Materialien des Fraunhofer-Instituts in Halle.

• Daten. Digitalisierung. Apple. Google. Silicon Valley. Bei diesen Stichworten weiß jeder: Hier geht es um Zukunft! Dagegen: Materials? Werkstoffe? Nanotechnikum? IMWS? Halle an der Saale? Das dürfte bei den meisten Menschen für leere Blicke sorgen. Doch völlig ungerechtfertigt. Denn auch die Universitätsstadt in Sachsen-Anhalt ist ein Hotspot der Innovation von Weltrang. Nur eben ohne Digitalkonzerne, die jedes Kind kennt. Stattdessen existiert dort ein Geflecht aus Instituten und Institutionen, deren Namen nur Spezialisten verraten, woran sie arbeiten: Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina e. V. – Nationale Akademie der Wissenschaften. Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik. Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS). Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.

Die Uni nennt ihre Einrichtung immerhin Nanotechnikum und bringt damit auf den Punkt, was in Halle von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Anwendung untersucht und optimiert wird: kleinste, feinste Strukturen in Werkstoffen. Wo der Endverbraucher bloß Metall sieht, Glas, Kunststoff oder Keramik, schauen die Physiker nicht nur genau hin, sondern vor allem hinein. Über ein Wort wie „millimetergenau“ lachen sie nur, denn sie arbeiten eine Million Mal so exakt, im Bereich des Nanometers, einem Milliardstel Meter, der Maßeinheit für Leiterbahnen auf Computerchips.

Sich so tief oder gar tiefer in die Dinge hineinzuzoomen ist eine Voraussetzung dafür, dass die digitalisierte, dezentralisierte, 3-D-druckende Industrie von morgen oder übermorgen keine Utopie bleibt. Im besten Fall weisen nanoskopische Einblicke darüber hinaus auch den Weg zu effizienten, ressourcenschonenden Produktionsverfahren, die weniger Müll produzieren, weniger Güterverkehr, weniger CO2 – und dafür mehr Kreislaufwirtschaft.

Das sind jedenfalls die großen Ziele, die Ralf Wehrspohn umtreiben. Der 48-jährige Physikprofessor, der über das heute Machbare gern weit hinausdenkt, leitet das IMWS seit 2006. Gegründet als Ost-Ableger des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM), erhielt das Haus 2016 die Weihen eines eigenständigen Instituts. Die anwendungsorientierte Forschungseinrichtung ist der Dreh- und Angelpunkt in Halles Materialforscher-Kosmos. Sie arbeitet einerseits eng mit Auftraggebern aus der Industrie zusammen, aber auch mit den Grundlagenforschern des Max-Planck-Instituts und der Uni, wo Wehrspohn einen Lehrstuhl für Mikrostrukturbasiertes Materialdesign innehat. Das junge akademische Fach beschäftigt sich mit Erkenntnissen aus der Materialforschung, mit denen Werkstoffen durch Eingriffe auf mikroskopischer Ebene maßgeschneiderte Eigenschaften verliehen werden können.

Seit Oktober ist Wehrspohn zudem Vorsitzender des Fraunhofer-Verbundes „Materials“, in dem 16 Institute ihre Aktivitäten koordinieren und promoten, etwa bei Funktionsmaterialien (Smart Materials), Werkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen und additiver Fertigung. Seine einstimmige Wahl macht das IMWS innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft endgültig zur ersten Adresse für Werkstoffthemen.


Ralf Wehrspohn ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen – ein Forschungsfeld, das ohne Elektronenmikroskop nicht auskommt.

Spitzenforschung mit Tradition

Das hätte sicherlich Heinz Bethge gefallen, dem Nestor der „Mikrostrukturaufklärung“ in der DDR und langjährigen Präsidenten der Leopoldina. Das IMWS, das benachbarte Max-Planck-Institut und die Aktivitäten der Universität gehen allesamt auf diesen Wissenschaftler zurück, dessen 100. Geburtstag 2019 in Halle groß gefeiert wird. Bethge gründete schon vor dem Mauerbau ein Vorläufer-Institut, fing bescheiden mit Salzkristallen als Studienobjekt an, avancierte zum Vorzeigeforscher des RGW-Raums (Rat für Gegenseitige Wirtschaftshilfe, das sozialistische Gegenstück zum Marshall-Plan), hielt während des Kalten Krieges den Kontakt zu seinen westdeutschen Kollegen aufrecht, erwarb sich weltweites Ansehen und durfte ab 1971 mit modernster Technik aus Japan forschen. „In Halle stand das größte Elektronenmikroskop des Ostblocks“, erzählt Wehrspohn mit hörbarem Respekt in der Stimme.

Der Forschungsstandort pflegt, ganz in Bethges Tradition, seine Methodenkompetenz. Der Ehrgeiz der Wissenschaftler ist es, immer bessere Untersuchungswerkzeuge einzusetzen. Jedem Untersuchungsgegenstand wenden sie sich mit der gleichen Neugier zu, wobei ihr Vorgehen dem eines Arztes gleicht, der eine Diagnose zu stellen hat und entscheiden muss, welches bildgebende Verfahren – Ultraschall, Röntgen, CT oder MRI – sich am besten dafür eignet. „Wir hätten am liebsten alles in einem einzigen Gerät, das zerstörungsfrei arbeitet“, sagt Ralf Wehrspohn. „Leider gibt es das nicht.“ So lassen sich zum Beispiel in einem Elektronenmikroskop nur kleine Proben betrachten, die aus dem Studienobjekt herausgeschnitten oder -gebrochen wurden. Um Werkstoffe und Werkstücke nicht nur „in situ“, also im Labor unter die Lupe nehmen zu können, sondern auch „in operando“, das heißt zur Qualitätssicherung während der Produktion, braucht es andere Methoden, abgestimmt auf die jeweilige Anwendung.

Was die Koryphäe Bethge in Halle aufgebaut hatte, war für die großen Forschungsorganisationen der Bundesrepublik so interessant, dass sie dort nach der Wende kräftig investierten. Ralf Wehrspohn, ein Wessi aus Lübeck, ging als Nachwuchswissenschaftler gern nach Sachsen-Anhalt. Anfangs arbeitete er im Max-Planck-Institut. „Ich habe auf der anderen Straßenseite habilitiert.“ Mit seinem dortigen Kollegen Stuart Parkin, einem britischen IBM Fellow, der den Max-Planck-Direktorenposten in Halle 2014 annahm, steht er in regem Austausch. Die Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut ist sehr eng, beide Einrichtungen sollen künftig über einen gemeinsamen Mini-Campus verbunden werden. Beide Institute arbeiten dabei aus geologischen Gründen unter erschwerten Bedingungen, denn unter den Gebäuden befindet sich Schwemmsand. So sind spezielle bauliche Vorkehrungen notwendig, um die hochpräzisen Messungen mit extrem empfindlichen Instrumenten durchzuführen.

Dank der Kooperation muss sich Wehrspohn keine Sorgen über die praktische Seite der Forschung machen. Was ihn mehr bewegt, ist eine größere Präsenz der Themen Materialforschung und Werkstofftechnik in der Öffentlichkeit. Als Vorsitzender des Materials-Verbundes obliegt ihm die Rolle des Wortführers, und er nutzt sie gern, um der Politik ins Gewissen zu reden. Materialforschung sei „für den Wohlstand unseres Landes unabdingbar“, betont er. Der Materialeinsatz im verarbeitenden Gewerbe sei in Deutschland oft der größte Kostenfaktor – je nach Branche zwischen 35 und 55 Prozent. „Durch Forschung und Entwicklung“, verspricht Wehrspohn, „können wir beträchtliche Effizienzgewinne erzielen.“ Immerhin seien 70 Prozent aller technischen Innovationen in Deutschland mit Werkstoffen verbunden.

Die Zukunft liegt nach Ansicht des Professors in der „Digitalisierung von Werkstoffen“. Das klingt zunächst abwegig, schließlich lässt sich Materie nicht in Bits verwandeln, aber tatsächlich steht es für eine Symbiose aus Informatik und Materialkunde. Am einfachsten lässt sich das am Beispiel eines Computerchips erklären: Die Leiterbahnen eines Prozessors werden dabei zunächst per Software simuliert und können in riesigem Maßstab am Bildschirm bearbeitet werden. Aus dem Ergebnis erzeugt der Rechner die für die Produktion nötigen Daten. Der fertige Chip gleicht seinem digitalen Gegenstück im Computer wie ein eineiiger Zwilling.

Das Konzept des „digitalen Zwillings“ wollen die Materialforscher in Zukunft auf beliebige Produkte übertragen. Das kann eine simple Plastikfolie sein, die dank Mikro- oder Nanostrukturen auf ihrer Oberfläche nicht beschlägt, oder ein komplexes technisches Bauteil. Eine der Entwicklungslinien, über die die Forscher nachdenken, heißt „programmierbare Materialien“: Ein und derselbe Ausgangsstoff bekäme damit während des Produktionsprozesses softwaregesteuert unterschiedliche Eigenschaften verpasst.


Der RayScan kann das Innere von Materialien dreidimensional und zerstörungsfrei abbilden. So lassen sich zum Beispiel Faserausrichtung und Fehlstellen in Bauteilen identifizieren.

Solche Ideen stehen in engem Zusammenhang mit additiven Fertigungsverfahren, im Volksmund 3-D-Druck genannt. Was heute erhältlich ist, beschränkt sich im Wesentlichen auf einige Kunststoffsorten, die geschmolzen werden und rasch wieder aushärten, sowie ein überschaubares Sortiment an Metallpulvern. Besondere Materialeigenschaften, von denen Qualität, Haltbarkeit und Sicherheit abhängen wie Steifigkeit, Elastizität, Porosität, Zugbelastbarkeit, Bruchfestigkeit, Hitze- und Korrosionsbeständigkeit oder Abriebfestigkeit lassen sich mit der heutigen Technik nicht steuern. Sobald ein Werkstück aus Metall belastbar sein muss oder hohe Präzision gefordert ist, braucht man deshalb immer noch den alten Zauberkasten der Metallurgen, die je nach Bedarf mit Legierungen tricksen und Oberflächen mit Kälteschocks härten oder mit Beschichtungen veredeln.

„Die 3-D-Drucker sind von Produktionstechnikern entwickelt worden, nicht von Werkstoff- und Materialwissenschaftlern“, seufzt Ralf Wehrspohn. „Und schon gar nicht von denen, die Ahnung von Mikrostrukturen haben.“ Er will das nicht als Vorwurf verstanden wissen, eher als Selbstkritik. Seine eigene Zunft habe das Thema verschlafen und fange erst jetzt an, „das Ganze noch einmal aus Werkstoffsicht aufzurollen“. Das Problem betreffe nicht nur die Metallbranche. „Die chemische Industrie hat es auch nicht wirklich auf dem Schirm gehabt.“ Für faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe zum Beispiel, eine wichtige Materialklasse, taugt 3-D-Druck gegenwärtig nicht.

Trotz des Nachholbedarfs hat der Fraunhofer-Professor eine klare Vorstellung davon, was in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein wird, vielleicht in den 2030er-Jahren. Statt der vergleichsweise primitiven Maschinen von heute, die zumeist nur einen sortenreinen Rohstoff mit geringer Auflösung verarbeiten können, soll es komplexe Anlagen für die additive Fertigung geben, die mit einer Vielzahl von Materialien umgehen können, die freilich in einer genau definierten Qualität angeliefert werden müssten. „Das Periodensystem hat ungefähr 100 Elemente, die Sie kombinieren können“, sagt Wehrspohn.

Er und seine Fraunhofer-Kollegen verfolgen unter dem Stichwort „Materials Data Space“ eine Vision, nach der überall kleine lokale Allround-Fabriken entstehen, die ganz nah beim Kunden verschiedene Produkte als 1 : 1-Kopie eines digitalen Zwillings drucken. Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodelle müssten damit komplett neu gedacht werden, Konstruktion und Design wären endgültig von der Herstellung entkoppelt. Zugleich müssten die Produktentwickler umlernen und zugunsten neuer, smarter Materialien auf manche altbewährten Werkstoffe verzichten.

Da die Fertigung hochautomatisiert abliefe, wäre sie aber auch in Hochlohnländern wieder wirtschaftlich – mit der Folge, dass viel weniger halb fertige und fertige Produkte über weite Strecken transportiert werden müssten. Für die Logistikindustrie und die chinesische Exportwirtschaft wäre das schlecht, für das Weltklima ein Segen. Damit etwas daraus wird, müssen die Fraunhofer-Forscher und ihre Mitstreiter wie der VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) oder die AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) allerdings Gehör in Berlin finden.

Der Digitalen Agenda, die in der Hauptstadt in aller Munde ist und doch im Vagen wabert, haben sie etwas ganz Konkretes gegenübergestellt: Sie fordern eine „digitale Werkstoff-Agenda“. Um darüber mehr zu erfahren, müssen die Politiker nicht einmal ins ins Silicon Valley reisen. Von Berlin nach Halle sind es mit dem ICE nur 71 Minuten. //


 

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