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16.05.2018 - 10:19

Joseph von Fraunhofer Prize 2018: Improved efficiency of aircraft engines

The Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS has succeeded in increasing the stability of those aircraft engine parts which are subject to stress due to temperature.

The IWS process helps to reduce kerosene consumption as well as CO2 emissions. In combination with further measures, significant cost savings result during flight operations. The research project was developed in close cooperation with the engine specialist Rolls-Royce. The first engines with the new technology are already in use.

Combustion chambers of modern aircraft engines produce temperatures of over 2,000 Kelvin during combustion. This value is several hundred degrees above the melting temperatures of the materials used and certain areas of the thermally high loaded components must be cooled and provided with special thermal barrier coatings, both internally and externally. After landing, the engines cool down again quickly. The constant change of heating and cooling places enormous stress on the components in the engines. Therefore they have to be checked and serviced regularly.

After years of research, Professor Frank Brückner and Mirko Riede of the Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS have developed laser-fabricated microstructures that extend the life of the thermal barrier coatings and contribute to a significant reduction in kerosene consumption and pollutant emissions.

At its core, the IWS technology bases on filigree, additively manufactured microstructures. These are used to build innovative Thermal Barrier Coatings (TBCs) on the turbine components and ensure that a metallic, oxidation-resistant adhesion promoter layer and a ceramic insulating layer are clamped together.
The Fraunhofer researchers have solved a further issue that occurs during the rapid expansion and contraction of the components. The expansion creates mechanical stresses in the insulation layer, which are caused by different expansion degrees of the materials. This can lead to horizontal cracks in the ceramic layer, which could subsequently flake off. The microstructures therefore specifically initiate vertical segmentation cracks in the ceramic layer. These reduce tensile stresses in the material and thus prevent the formation of the dreaded horizontal cracks.

Additive manufacturing technology using single-mode fiber laser

To generate filigree microstructures, the researchers had to further develop existing production techniques. A high-precision single-mode fiber laser generates microstructures down to the order of 30 microns. The columnar arrangement of the microstructures increases the expansion tolerance of the insulating layer.
The knowledge needed to design the structures for the TBCs and for the sophisticated manufacturing processes have not only been gained in practical experiments. "The simulations and the theoretical modeling with which we have worked in addition to the experiments also play a major role in the success," explains Brückner.

Kerosene consumption drops by 10 percent

The many years of work on the joint research project has paid off. The new technology can further improve the efficiency of the jet engines, along with increasing the combustion temperature. The more efficient combustion results in decreasing fuel consumption by ten percent and reduces greenhouse gas emissions. In conjunction with other measures, there are significant cost savings per year and aircraft amounting to approximately USD 2.9 million.

The joint team of Fraunhofer researchers and engineers from Rolls-Royce has succeeded in transferring the research work into production-ready manufacturing that meets the stringent safety standards of the aviation industry. After first successful test flights of the engines with Fraunhofer IWS technology in November 2015, the official aviation approval of the European Aviation Safety Agency (EASA) was issued. Since February 2018, the engines have been used in long-haul aircraft for the Airbus A350- 1000. The Trent XWB-97 is the exclusive propulsion of this aircraft model and the most efficient large-capacity engine in the world today. The Fraunhofer experts expect that other jet engines will also be equipped with the innovative IWS technologies in the future.

For their scientific achievements, Frank Brückner and Mirko Riede as well as Dr. Dan Roth-Fagaraseanu from the industrial partner Rolls-Royce received the 2018 Joseph von Fraunhofer Prize of the Year 2018.

www.iws.fraunhofer.de

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16.05.2018 - 10:19

Joseph von Fraunhofer Prize 2018: Improved efficiency of aircraft engines

The Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS has succeeded in increasing the stability of those aircraft engine parts which are subject to stress due to temperature.

The IWS process helps to reduce kerosene consumption as well as CO2 emissions. In combination with further measures, significant cost savings result during flight operations. The research project was developed in close cooperation with the engine specialist Rolls-Royce. The first engines with the new technology are already in use.

Combustion chambers of modern aircraft engines produce temperatures of over 2,000 Kelvin during combustion. This value is several hundred degrees above the melting temperatures of the materials used and certain areas of the thermally high loaded components must be cooled and provided with special thermal barrier coatings, both internally and externally. After landing, the engines cool down again quickly. The constant change of heating and cooling places enormous stress on the components in the engines. Therefore they have to be checked and serviced regularly.

After years of research, Professor Frank Brückner and Mirko Riede of the Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS have developed laser-fabricated microstructures that extend the life of the thermal barrier coatings and contribute to a significant reduction in kerosene consumption and pollutant emissions.

At its core, the IWS technology bases on filigree, additively manufactured microstructures. These are used to build innovative Thermal Barrier Coatings (TBCs) on the turbine components and ensure that a metallic, oxidation-resistant adhesion promoter layer and a ceramic insulating layer are clamped together.
The Fraunhofer researchers have solved a further issue that occurs during the rapid expansion and contraction of the components. The expansion creates mechanical stresses in the insulation layer, which are caused by different expansion degrees of the materials. This can lead to horizontal cracks in the ceramic layer, which could subsequently flake off. The microstructures therefore specifically initiate vertical segmentation cracks in the ceramic layer. These reduce tensile stresses in the material and thus prevent the formation of the dreaded horizontal cracks.

Additive manufacturing technology using single-mode fiber laser

To generate filigree microstructures, the researchers had to further develop existing production techniques. A high-precision single-mode fiber laser generates microstructures down to the order of 30 microns. The columnar arrangement of the microstructures increases the expansion tolerance of the insulating layer.
The knowledge needed to design the structures for the TBCs and for the sophisticated manufacturing processes have not only been gained in practical experiments. "The simulations and the theoretical modeling with which we have worked in addition to the experiments also play a major role in the success," explains Brückner.

Kerosene consumption drops by 10 percent

The many years of work on the joint research project has paid off. The new technology can further improve the efficiency of the jet engines, along with increasing the combustion temperature. The more efficient combustion results in decreasing fuel consumption by ten percent and reduces greenhouse gas emissions. In conjunction with other measures, there are significant cost savings per year and aircraft amounting to approximately USD 2.9 million.

The joint team of Fraunhofer researchers and engineers from Rolls-Royce has succeeded in transferring the research work into production-ready manufacturing that meets the stringent safety standards of the aviation industry. After first successful test flights of the engines with Fraunhofer IWS technology in November 2015, the official aviation approval of the European Aviation Safety Agency (EASA) was issued. Since February 2018, the engines have been used in long-haul aircraft for the Airbus A350- 1000. The Trent XWB-97 is the exclusive propulsion of this aircraft model and the most efficient large-capacity engine in the world today. The Fraunhofer experts expect that other jet engines will also be equipped with the innovative IWS technologies in the future.

For their scientific achievements, Frank Brückner and Mirko Riede as well as Dr. Dan Roth-Fagaraseanu from the industrial partner Rolls-Royce received the 2018 Joseph von Fraunhofer Prize of the Year 2018.

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Photos of LASYS

  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    LASYS und BMWi bieten 2020 erneut eine Plattform für Start-ups.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Junge Unternehmen aus Deutschland profitieren vom geförderten Gemeinschaftsstand des BMWi zur LASYS 2020.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 können sich Start-ups zu besonders attraktiven Konditionen vorzustellen einem internationalen Fachpublikum präsentieren.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Prof. Dr. Thomas Graf, Direktor des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart und Veranstalter der Stuttgart Lasertage.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 öffnet die LASYS – Internationale Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung – in Stuttgart bereits zum siebten Mal ihre Tore. (Hauptbild)BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    An drei Messetagen stehen dann Lasersysteme, laserspezifische Maschinensubsysteme und Strahlquellen im Fokus von Ausstellern und Fachbesuchern.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS 2020 in Stuttgart ist der „Place to be(am).BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Führende nationale und internationale Hersteller treffen hier auf Geschäftspartner mit konkreten Aufgabenstellungen und individuellen Anforderungen für Laser-Systemlösungen und -Applikationen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • Lasys 2020 PM Nr: 1

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    Die LASYS zeigt branchen- und materialübergreifend die Lasertechnologie in der industriellen Fertigung von morgen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Der Mix aus Fachmesse und hochkarätigem Rahmenprogramm versammelt alle zwei Jahre die Experten aus Industrie und Wissenschaft in Stuttgart. Fester Bestandteil sind die Stuttgarter LasertageBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS als internationale Fachmesse für die Laser-Materialbearbeitung richtet sich an industrielle Anwender und hat sich seit 2008 zu einem Top-Termin für die Branche entwickelt.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    LASYS bietet Planungssicherheit – neuer Termin 21. bis 23. Juni 2022BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • Lasys 2020: PM Nr. 4

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    Bei der LED-Produktion beschriften die PowerLine E 8 QT Lasermarkierer von Coherent Leadframes (Träger) mit winzigen 2D-Matrixcodes, die aus Punkten von nur 43 Mikrometern Durchmesser bestehen.Coherent
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    Mit der neu entwickelten GL.smart von GFH, die bis zu 16 simultane Achsen birgt, lassen sich mittels UKP-Laserstrahlen vielseitige Mikrobearbeitungsaufgaben wirtschaftlich ausführen. Neben einer Kombinationsbearbeitung von Laserbohren, -drehen,- und -schneiden ist eine Output-Steigerung durch die Parallelbearbeitung auf zwei Stationen möglich.BILDNACHWEIS GFH GmbH
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    Mit der Einführung der BLIZZ-Laserserie von InnoLas Photonics steht ein Laser zum wirtschaftlichen Depaneling zur Verfügung. Berührungsloses, schnelles und staubarmes Laserschneiden von Platinen ist nun bei gleichzeitig sehr guter Qualität möglich, auch bei dünnen Substraten.BILDNACHWEIS InnoLas Photonics GmbH
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    Laseranlagen von LPKF ermöglichen es, dass sich mit Laser-Depaneling die Schnittflächen reduzieren lassen, da auf breitere Fräswege und größere Abstände der SMT-Komponenten zu den Schnittkanten verzichtet wird. Damit können bis zu 30 Prozent Materialersparnis erreicht werden.BILDNACHWEIS LPKF
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    Präzises Schneiden – auch flexibler Materialien – ist für Lasersysteme von LPKF kein Problem – und das bei größtmöglicher Designfreiheit.BILDNACHWEIS LPKF
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    Starr-flexible Leiterplatten werden bei ATLAS EMS in die LPKF MicroLine 2000 eingelegt. Da die Baugruppen kompakt und randnah platziert sind und das starr-flexible Material anspruchsvoll in der Bearbeitung ist, erweist sich Trennen mittels Lasertechnologie hier als ideal.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    ATLAS EMS setzt ein MicroLine Lasersystem von LPKF zum Nutzentrennen ein. Die schnelle Einrichtung der jeweiligen Jobs ist hier ein wichtiger Faktor für eine effiziente Produktion.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    Ein neuartiges Laser-CNC-Bearbeitungszentrum zum 3D-Lasermikroschweißen hat Schüssler Technik entwickelt. Durch hochgenaue Achsbewegungen lassen sich filigrane Bauteile in unterschiedlichsten Positionen (5+2-Achs) mühelos fügen.BILDNACHWEIS Schüssler Technik GmbH
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    LogoBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Was die ‚lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung‘ von E-Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. Hier die lokale Laserbehandlung einer hochbeanspruchten Zone eines crashrelevanten Karosseriestrukturbauteils im TestFraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
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    Diffraktive optische Elemente von Laser Components formen den optimalen Strahl für industrielle Anwendungen etwa beim Bearbeiten von Komponenten der E-MobilitätLaser Components GmbH
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    Mit Lasersystemen von Laserline, die ‚blaues Laserlicht, nutzen, kann der Energieeintrag in Kupfer so gut gesteuert werden, dass erstmals Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt spritzerfreie Prozesse.Laserline GmbH
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    Die schlüsselfertigen automatisierten Produktionsanlagen von SITEC Industrietechnologie richten den Fokus auf Wirtschaftlich- und Nachhaltigkeit bei der Produktion von Komponenten für die E-Mobilität. Neuartige automatisierte Laseranlagen schweißen in hoher Qualität die Kupfer-Hairpins am Stator des Elektromotors.SITEC Industrietechnologie GmbH
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    SITEC Industrietechnologie antwortet auf die Herausforderungen der Mobilität mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder wie hier an Bipolarplatten für Brennstoffzellen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Laseranlagen von Trumpf entlacken Hairpins mit dem Laser, die anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt werden. Mit dem Hairpin-Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich.Trumpf GmbH & Co. KG
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    Der Laser-Folien-Markierer LFM 100 von Bluhm Systeme ist eine innovative Mischung aus Etikettendrucker und Lasersystem, der Typenschilder laserbeschriftet. Die seewasserfeste und selbstklebende Lackfolie ist günstiger und flexibler als die üblichen Edelstahl-Typenschilder.Bluhm Systeme GmbH
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    Im Trend liegt „Natural Branding“. Bluhm Systeme hat hier das Lasersystem eSolarMark plus entwickelt, das gleich vier Früchte innerhalb eines Taktes beschriftet. Auch Backwerk lässt sich ohne Etikett mit dem Laser beschriften.Bluhm Systeme GmbH
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    Mit seiner PowerLine-Serie deckt Coherent ein breites Anwendungsspektrum beim Lasermarkieren ab: Erst kürzlich ist dem Unternehmen zusammen mit einem Partner gelungen, einen neuen Kunststoff für Ohrmarken von Tieren hinsichtlich Gesundheitsverträglichkeit und Lasermarkierbarkeit zu optimieren.Coherent
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    Um Schnelligkeit geht es beim PowerLine E Twin von Coherent. Zwei Lasermarkiereinheiten beschriften gemeinsam ein Werkstück. Das Besondere hierbei ist, dass das System über Hard- und Software-Schnittstellen wie ein einzelner Lasermarkierer gesteuert wird.Coherent
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    Zur effizienten Teilekennzeichnung hat Gravotech eine kompakte und sichere Lösung entwickelt, den Laserschutztrichter Mini-Inline. Er vereinfacht den Einsatz von Lasertechnik in Fertigungslinien und macht ihn deutlich effizienter als zuvor. Bildnachweis:Gravotech GmbH
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    Das neuartige Lasersystem WeLase von Gravotech kann durch den Einsatz unterschiedlicher Laserquellen (CO2, Faser, YAG oder Green) an fast jede Kundenanforderung angepasst werden: Lasermarkierung der nächsten Generation!Gravotech GmbH
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    Produktpersonalisierung kurbelt den Markt für Lasermarkiersysteme an. Viele Massenprodukte wie a)Brille, b)Uhrenarmband oder andere Geschenkeartikel lassen sich auf einfache Weise individualisieren. Das Lasermarkiersystem WeLase ist laut Hersteller Gravotech eine ideale Lösung für In-Store-Personalisierung.Gravotech GmbH
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    LASYS 2020: PM Nr. 4

    Produktpersonalisierung kurbelt den Markt für Lasermarkiersysteme an. Viele Massenprodukte wie a)Brille, b)Uhrenarmband oder andere Geschenkeartikel lassen sich auf einfache Weise individualisieren. Das Lasermarkiersystem WeLase ist laut Hersteller Gravotech eine ideale Lösung für In-Store-Personalisierung.Gravotech GmbH
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    Die Experten von LightPulse Laser Precision empfehlen Schwarzmarkieren mittels Ultrakurzpuls-Laser für medizintechnische Instrumente und Implantate, Schwarzmarkieren eignet sich hier sehr gut, weil es sehr kontrastreich, korrosionsbeständig und dauerhaft lesbar ist.LightPulse Laser Precision
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