3D-@-6T-Projekt druckt Kupferantennen bis 6 THz direkt auf Chips; Direkter Chip-Anschluss reduziert Verluste
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3D STED Mikroskop (Erneuerung) (FUGG)
2.11 Grundlagen der Biologie und Medizin
Die beantragte Erneuerung des 2D
3D-STED-Mikroskops ist unerlässlich, um aktuellen und zukünftigen wissenschaftlichen Anforderungen in biomedizinischer und interdisziplinärer Forschung gerecht zu werden. Zahlreiche Projekte benötigen eine laterale Auflösung unter 30 nm und eine isotrope 3D-Auflösung bis 50 nm, um subzelluläre Strukturen wie dendritische Dornen (~100 nm), synaptische Spalten (~50 nm), aktive Zonen in präsynaptischen Endigungen, t-Tubuli in Herzmuskelzellen und Intraprotein-Domänen aufzulösen. Diese sind mit beugungsbegrenzter Mikroskopie nicht darstellbar, was die STED-Technik unverzichtbar macht. Adaptive Optiken sind entscheidend, um Superauflösung in dicken, optisch heterogenen Geweben wie Hirnschnitten, Herzmuskeln und Organoiden zu ermöglichen. Lichtstreuung verursacht Aberrationen, die die Bildqualität stark beeinträchtigen. Eine Echtzeitkorrektur sichert zuverlässige Bildgebung in vielfältigen biologischen Kontexten, etwa bei Untersuchungen der extrazellulären Matrix, Herzfibrose oder synaptischen Organisation bei neurologischen Störungen. Die Superauflösungsbildgebung lebender Zellen ist eine zentrale Anforderung. Dynamische Anpassung von Anregungs- und Depletionsdosen minimiert Photobleaching und Phototoxizität, ermöglicht Langzeitbeobachtungen dynamischer Prozesse und ist besonders wichtig für empfindliche Proben wie Neuronen, Epithelmonolayer, Organoide und Immunzellen. Diese Funktionen sind essenziell für die Echtzeitverfolgung von synaptischer Plastizität, Aktindynamik, Vesikeltransport und Matrixumbau. Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM) erweitert die strukturellen Daten um eine funktionale Dimension. Projekte erfordern lebensdauerbasierte Quantifizierung von Membranspannung, molekularer Verdichtung, Konformationsänderungen oder Stoffwechselverschiebungen (z. B. NAD+
NADH-Verhältnisse). Dies ist entscheidend für Neurobiologie, Immunologie und Mechanobiologie. Die acht wissenschaftlichen Beilagen umfassen über zwanzig Forschungsprojekte – von Neurowissenschaften und Kardiologie bis zu Infektionsbiologie und Gewebetechnik –, die ein Multi-Laser-, Mehrfarben-Superauflösungsmikroskop mit Live-Zell- und FLIM-Funktionen benötigen. Viele Projekte erfordern Bildgebung in dicken Geweben oder dynamische Messungen, die mit Standard-Konfokalsystemen nicht möglich sind. Die Aufrüstung ist essenziell, um die Nutzerbasis zu unterstützen und das Potenzial dieser Projekte voll auszuschöpfen.
3D-Druck von metallischen Antennen für 0,5 THz bis 6 THz (3D-@-6T)
4.42-02 Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
Das Projekt 3D-@-6T fokussiert auf ein neuartiges 3D-Druckverfahren auf Basis der lokalisierten elektrochemischen Metallabscheidung für die Herstellung von THz-Antennen. Die 3D-Druck-Technologie ermöglicht die Abscheidung reinen Kupfers mit Mikrometer-Präzision, womit erstmals der Frequenzbereich bis 6 THz für die direkte Chip-Integration bzw. -Anbindung von Antennen erschlossen werden kann. Damit betritt das 3D-@-6T-Projekt wissenschaftliches Neuland und adressiert entscheidende Forschungsthemen im Bereich der Hochfrequenz-Technologie: i) Verluste: Die Integration der Antennen kann direkt angebunden an das Backend des Chips erfolgen, wodurch Transmissionsverluste zwischen Signalerzeugung und Antenne minimiert werden. ii) Bauteilgröße: Gleichzeitig sind vertikale 3D-Antennen-Designs möglich, die nur einen Bruchteil der Chip-Fläche im Vergleich zu planaren Designs benötigen, was einen entscheidenden Beitrag zur Miniaturisierung leistet. iii) Funktionalität: Der enorm vergrößerte Parameterraum für 3D-Designs ermöglicht die Realisierung von sehr breitbandigen Antennen mit hervorragenden Abstrahleigenschaften. Die Antennen werden mit Hilfe von EM (elektromagnetische)-Vollwellensimulatoren entworfen und modelliert. Die 3D-Druck-Technologie wird hinsichtlich der Materialbasis und Design-Grundlagen für hocheffiziente Antennen erforscht. Dabei werden zwei neuartige Verfahren für die Aufbau- und Verbindungstechnik realisiert. Der hochpräzise Pick-und-Place-Transfer von gedruckten Antennen in einem Zweistrahlinstrument erlaubt eine schnellen Testung von neuen Designentwürfen in einem Rapid-Prototyping-Ansatz. Der entscheidende Technologiesprung ist jedoch die lokalisierte elektrochemische Abscheidung von 3D-Antennen mit Mikrometer-Genauigkeit direkt auf den vorprozessierten Chips und ohne weitere Prozessierungsschritte wie Sintern oder Metallisieren. Um diese ambitionierten Projektziele zu erreichen, kombiniert das 3D-@-6T-Projekt die spezialisierte Expertise und Forschungsausrüstung zweier Projektleiter in einem interdisziplinären Ansatz. Prof. Christian Waldschmidt bringt seine Erfahrung ein im Design von integrierten Antennen bei mehreren 100 GHz, in der Erforschung von Aufbau- und Verbindungstechnik-Konzepten (AVT) bis 500 GHz sowie in der Antennenmesstechnik bis in den THz-Bereich. Dr. Katja Höflich forscht zum Design und der Herstellung von komplexen 3D-Strukturen und optischen Antennen für Anwendungen in der photonischen Quantentechnologie. Sie bringt ihre Erfahrung zu innovativen Nano- und Mikrostrukturierungstechniken sowie zu materialwissenschaftlichen Charaktisierungstechniken ein. Dank dieses komplementären Know-hows kann das 3D-@-6T-Projekt ein neues Forschungsfeld hinsichtlich der Herstellung und Integration hocheffizienter Antennen in der Aufbau- und Verbindungstechnik im Bereich bis zu mehreren THz eröffnen.
6-DoF Präzisions-Messsystem zur Erfassung von Kräften u. Momenten am drehenden Rad, Sensormessräder (FUGG)
4.12 Mechanik und Konstruktiver Maschinenbau
Der Lehrstuhl für Konstruktion in Maschinenbau und Fahrzeugtechnik (iMAD) der RPTU in Kaiserslautern unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Roman Teutsch beabsichtigt im Rahmen des vorliegenden Förderantrages die Beschaffung von Sensormessrädern inklusive der dazugehörigen Datenerfassungshardware sowie -software zur Durchführung von ganzheitlichen fahrzeugtechnischen Untersuchungen. Konkret handelt es sich um ein sechs-achsiges Präzisionsmesssystem zur Erfassung von vertikalen, lateralen und longitudinalen Kräften sowie der entsprechenden Momente am drehenden Rad an leichten bis (mittel-)schweren (Nutz-)Fahrzeugen verschiedenster Klassen. Die Erfassung dieser Messgrößen bildet einen zentralen Baustein der modernen Fahrzeugentwicklung. Der Lehrstuhl iMAD ist als renommiertes Institut der RPTU in Kaiserslautern speziell auf die (Nutz-)Fahrzeugtechnik ausgerichtet, die einen Landestechnologieschwerpunkt in Rheinland-Pfalz darstellt. Die Wichtigkeit der Thematik wird durch die Kooperation von mehreren Partnern der RPTU und An-Instituten im Zentrum für Nutzfahrzeugtechnologie (ZNT) am Standort Kaiserslautern verdeutlicht. Der Antragsteller verfolgt mit der Beschaffung das Ziel, die Entwicklung in diesem Bereich langfristig und nachhaltig zu unterstützen. Es soll ein modular adaptierbares System beschafft werden, das vor allem in Bezug auf die Testfahrzeuge ein breites Einsatzgebiet abdecken kann; vom leichten bis zu (mittel-)schweren Nutzfahrzeugen und von Radgrößen im Bereich 14
16“ bis hin zu Radgrößen von 28
30“. Die mobile Messtechnik soll primär zum Aufbau Digitaler Zwillinge sowie zur Entwicklung von Methoden der Zustandsüberwachung, der Prädiktiven Wartung und der Abschätzung von Restlebensdauern sowie der Validierung Virtueller Sensorik und echtzeitfähigen Transfermodellen (Metamodellen) eingesetzt werden. Perspektivisch sind auch Anwendungen in den Bereichen Fahrkomfort, Fahrdynamik und -sicherheit, Fahrzeugeffizienz oder Reifen-Boden-Interaktion denkbar.
Adaptive Einspannmethode zur Realisierung des Rotationszugbiegens dünnwandiger Rechteckrohre
4.11-02 Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Das Rotationszugbiegen (RZB) ist ein werkzeuggebundenes Biegeverfahren, das durch die Kombination von Biegemoment und Zugkraft besonders für anspruchsvolle Umformungen geeignet ist. Das Biegemoment wird hierbei reibschlüssig über die Spannbacken auf das Halbzeug übertragen. Rechteckige Querschnitte neigen im Gegensatz zu runden Querschnitten dazu, unter den entlang des Rohrumfangs wirkenden Spannungen nachzugeben, wodurch insbesondere bei engen Bögen und geringen Wanddicken die zur Übertragung des Biegemoments erforderliche Kraft nicht eingeleitet werden kann. Ziel des Projektes ist die Erforschung einer Methode zur Realisierung des RZB dünnwandiger Rechteckrohre unter Berücksichtigung der Wirkungszusammenhänge der Kraftübertragungs-Mechanismen und deren Einflussfaktoren. Die Einflussfaktoren werden hierzu aus Spannkonzepten abgeleitet und unter reiner Zugbelastung sowie im weiteren Verlauf unter Zug- und Biegebelastung systematisch analysiert. Die leitende These des vorliegenden Projektvorschlags wird wie folgt konkludiert: Die Einspannung beim RZB lässt sich durch eine spezifische Gestaltung der Werkzeuge in Bezug auf Geometrie, Teilung und Material so auslegen, dass eine anforderungsgerechte Kraftübertragung gewährleistet wird. Eine deutliche Erweiterung des Prozessfensters und eine gezielte Steigerung der Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich der Querschnittsdeformation im Einspannbereich ist avisiert.
Additiv gefertigte Bauteile mit funktional gradierten flächenbasierten Meso-Strukturen
Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer Methode zur Gestaltung von Bauteilen mit Leichtbaustrukturen auf Basis regelmäßiger, gradierter Elementarzellen. Dazu sind Modelle notwendig, welche die in der Literatur vorhandenen Gestalt-Eigenschaftsbeziehungen regelmäßiger, repräsentativer Elementarzellen mechanisch konsistent für die Analyse und Synthese in der Produktentwicklung nutzbar machen. Weitere einflussnehmende, aber nicht untersuchte Merkmale auf die Beanspruchbarkeit, wie die Wahl des metallischen Werkstoffs, werden für die Methode als gesetzt angesehen. Weiterhin sind Modelle notwendig, welche die gradierte Meso-Struktur auf Basis einer gegebenen Elementarzelle zunächst für die Dimensionierung mittels elementarer Schnittgrößen der Mechanik zugänglich macht und eine Abschätzung von Steifigkeit und Festigkeit erlaubt. Ein weiteres Modell muss die Modellierung von Wirkflächen unterstützen, welche an die gradierte Meso-Struktur anschließen und eine Krafteinleitung ermöglichen. Hierbei wird darauf geachtet, dass kein Steifigkeitssprung stattfindet, der eine Sollbruchstelle verursacht. Zusätzlich muss das resultierende Bauteil mit seinen Funktionsflächen modelliert und bezüglich der verfahrensspezifischen Fertigungsrestriktionen der additiven Fertigung auf die Herstellbarkeit geprüft werden. Die resultierende Methode kombiniert die Partikularmodelle für Analyse und Synthese für quasi eindimensionale Strukturen und bietet eine übergeordnete und von der Gestalt der Elementarzelle unabhängige Möglichkeit zur Auslegung von flächenbasierten Meso-Strukturen. Die Betrachtung ist auf Meso-Strukturen unter statischer Beanspruchung fokussiert, welche aus einer Elementarzelle mit periodischen Randbedingungen und konstanter Orientierung relativ zum Bauteilkoordinatensystem abgeleitet werden. Bezüglich der Krafteinleitung werden parallele Wirkflächen mit konstantem Winkel gewählt. Hinsichtlich der Elementarzellengeometrie wird sich an der Literatur orientiert. Um die Ziele zu erreichen, sind vier Arbeitspakete notwendig, welche jeweils auf einer zugeordneten Arbeitshypothese (AH) beruhen: AH1: Für gängige Elementarzellen flächenbasierter Strukturen lassen sich die steifigkeits- und festigkeitsrelevanten Eigenschaften in Abhängigkeit lokaler Gestaltmerkmale auf einzelne Kenngrößen für die Dimensionierung bei konstanter Zellgröße reduzieren. AH2: Die Auswirkung einer beanspruchungsgerechten Dickengradierung d