NAMRI/KMU hebt Forschungsinnovationen auf der NAMRC-Konferenz hervor

Akademiker aus dem Fertigungsbereich wurden während der jährlichen North American Manufacturing Research Conference (NAMRC), die von der North American Manufacturing Research Institution of SME (NAMRI/SME) abgehalten wurde, für ihre Dienste, Beiträge und herausragenden Fertigungsforschung geehrt. Gastgeber der diesjährigen 45. jährlichen Veranstaltung war die University of Southern California in Los Angeles.

Während der jährlichen Preisverleihung wurden 21 Preise an Forscher, Studenten und Fachleute aus der Industrie vergeben. NAMRC ist das führende internationale Forum für angewandte Forschung und industrielle Anwendungen in Fertigung und Design. NAMRI/SME bringt Forscher aus der ganzen Welt zusammen, um die wissenschaftliche Grundlage der Fertigung diskreter Teile voranzutreiben.

„Die Fertigung ist eine Branche mit außergewöhnlichen Möglichkeiten, angetrieben von Forschung, die die Grenzen des Möglichen verschiebt“, sagte NAMRI/SME-Präsident Dean Bartles, PhD, FSME. „Diejenigen, die heute ausgezeichnet werden, treiben diese Forschung und unsere Branche auf eine Weise voran, die für Jahrzehnte einen Unterschied machen wird.“

Zu den Gewinnern des NAMRI/SME-Preises 2017 gehören:

• NAMRI/KMU S.M. Wu Research Implementation Award, Ajay Malshe, PhD, University of Arkansas/NanoMech Inc., Springdale, Arkansas.
• NAMRI/SME Outstanding Lifetime Service Award, Neil Duffie, PhD, FSME, CMfgE, PE, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin.

Der NAMRI/SME Outstanding Paper Award wurde für drei Artikel verliehen:

• „Adaptive Lernsteuerung zur thermischen Fehlerkompensation von 5-Achsen-Werkzeugmaschinen“,
• „Ein auf virtueller Sensorik basierender erweiterter Partikelfilter für die Werkzeugzustandsprognose“,
• „Hochgradig entfernbarer Wasserträger für die Stereolithographie.

Der erste NAMRI/SME David Dornfeld Manufacturing Vision Award und der Blue Sky Competition, finanziert von der National Science Foundation, wurden dieses Jahr ebenfalls auf der NAMRC verliehen. Der David Dornfeld Manufacturing Vision Award soll wirklich visionäre Forschungs- und Bildungskonzepte fördern und wird an die vom Programmkomitee ermittelte Top-Präsentation vergeben.

„Die Fertigung macht mehr als drei Viertel der gesamten privaten Forschung und Entwicklung in den USA aus“, sagte Scott Smith, PhD, FSME, Professor an der University of North Carolina-Charlotte und ehemaliger Präsident von NAMRI/SME. „Dieser Wettbewerb sucht die radikalen, herausfordernden [Ideen], die die Grenzen dessen verschieben, was die Zukunft der Fertigung sein könnte.“

Die von der National Science Foundation finanzierten Abstracts für den Eröffnungswettbewerb waren Teil eines speziellen „Blue Sky Ideas“-Tracks auf der Konferenz. Die Einreichungen wurden von einem Komitee danach beurteilt, wie sie bestehende Annahmen in Frage stellen und inwieweit sie die Möglichkeiten und Horizonte des Fachgebiets erweitern.

Der erste NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award ist nach dem verstorbenen Professor der University of California in Berkley benannt, der als weltweit führend in nachhaltiger Fertigung und intelligenter Fertigung galt, und die Auszeichnung würdigt herausragende Visionen und Führungsqualitäten innerhalb der Fertigungsgemeinschaft. „Wir fühlen uns geehrt, Professor Dornfeld, Fellow und ehemaliger Direktor von SME sowie Gründer von NAMRC, für seine Beiträge zur Fertigung anzuerkennen“, sagte Smith. „Sein Vermächtnis wird in den zukünftigen Branchenpionieren und ihrem Engagement für die Weiterentwicklung unserer Branche weiterleben.“

Der Preis wurde Tony Schmitz, PhD, FSME, University of North Carolina at Charlotte, für seinen Vortrag „Biomemetic Manufacturing“ verliehen. Fertigungsinnovationen der nächsten Generation werden teilweise durch die Nachahmung biologischer Systeme in Produktionsumgebungen ermöglicht. In seiner Präsentation skizzierte Schmitz neue Forschungsergebnisse im Bereich der biomemetischen Fertigung.

Don Lucca, PhD, FSME, CMfgE, Regents Professor und Herrington Chair in Advanced Materials an der Oklahoma State University, hielt die NAMRI/SME Founders Lecture mit dem Titel „On the Path to Ultraprecision Machining.“

Die NAMRC 46 findet vom 18. bis 22. Juni 2018 an der Texas A&M University in College Station, Texas, statt.

Lasertechnik macht Graphen aus Holz

Ein Team von Wissenschaftlern der Rice University (Houston) hat Holz in einen elektrischen Leiter verwandelt, indem es seine Oberfläche in Graphen verwandelt hat.

Das Forschungsteam unter der Leitung des Rice-Chemikers James Tour verwendete einen Laser, um ein dünnes Filmmuster auf einen Kiefernblock zu schwärzen. Das Muster ist laserinduziertes Graphen (LIG), eine Form des atomdünnen Kohlenstoffmaterials, das 2014 bei Rice entdeckt wurde.

„Es ist eine Vereinigung des Archaischen mit dem neuesten Nanomaterial zu einer einzigen Verbundstruktur“, sagte Tour in einer Erklärung. Das Material könnte für biologisch abbaubare Elektronik verwendet werden. Die Entdeckung wird diesen Monat in Advanced Materials detailliert beschrieben, siehe die Webseite http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702211/full. Frühere Iterationen von LIG wurden durch Erhitzen einer Folie aus Polyimid, einem kostengünstigen Kunststoff, mit einem Laser hergestellt. Anstelle einer flachen Schicht aus hexagonalen Kohlenstoffatomen ist LIG ein Schaum aus Graphenschichten, bei denen eine Kante an der darunter liegenden Oberfläche befestigt ist und chemisch aktive Kanten der Luft ausgesetzt sind.

Nicht irgendein Polyimid würde LIG produzieren, sagte Tour. Das Forschungsteam unter der Leitung der Rice-Doktoranden Ruquan Ye und Yieu Chyan probierte Birke und Eiche aus, stellte jedoch fest, dass die vernetzte Lignozellulosestruktur der Kiefer sich besser für die Produktion von hochwertigem Graphen eignet als Hölzer mit einem geringeren Ligningehalt. Lignin ist das komplexe organische Polymer, das starre Zellwände im Holz bildet.

Ye sagte, dass die Umwandlung von Holz in Graphen neue Wege für die Synthese von LIG aus Nicht-Polyimid-Materialien eröffnet. „Für einige Anwendungen wie den dreidimensionalen Graphendruck ist Polyimid möglicherweise kein ideales Substrat“, sagte er. „Außerdem ist Holz reichlich vorhanden und erneuerbar.“

Wie bei Polyimid erfolgt der Prozess mit einem Standard-Industrielaser bei Raumtemperatur und -druck und in einer inerten Argon- oder Wasserstoffatmosphäre. Ohne Sauerstoff verbrennt die Hitze des Lasers die Kiefer nicht, sondern verwandelt die Oberfläche in faltige Graphenflocken, die mit Schaum an die Holzoberfläche gebunden sind. Das Ändern der Laserleistung änderte auch die chemische Zusammensetzung und thermische Stabilität des resultierenden LIG. Bei 70 % Leistung erzeugte der Laser die höchste Qualität von „P-LIG“, wobei das P für „Kiefer“ steht.

Das Labor ging mit seiner Entdeckung noch einen Schritt weiter, indem es P-LIG in Elektroden zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und Superkondensatoren zur Energiespeicherung umwandelte. Für ersteres lagerten sie Schichten aus Kobalt und Phosphor oder Nickel und Eisen auf P-LIG ab, um ein Paar Elektrokatalysatoren mit großen Oberflächen herzustellen, die sich als langlebig und effektiv erwiesen.

Die Abscheidung von Polyanilin auf P-LIG machte es laut Tour zu einem energiespeichernden Superkondensator mit brauchbaren Leistungskennzahlen. „Es gibt noch mehr Anwendungen zu erforschen“, sagte Ye. „Zum Beispiel könnten wir P-LIG bei der Integration von Sonnenenergie für die Photosynthese einsetzen. Wir glauben, dass diese Entdeckung Wissenschaftler dazu inspirieren wird, darüber nachzudenken, wie wir natürliche Ressourcen in besser funktionierende Materialien umwandeln könnten.“ Der Prozess würde auch biologisch abbaubare Elektronik erzeugen.

Die Co-Autoren der Arbeit sind die Rice-Doktoranden Jibo Zhang und Yilun Li; Xiao Han, der einen kostenlosen Termin bei Rice hat und Doktorand an der Beihang-Universität in Peking, China ist; und Reisforscher Carter Kittrell. Tour ist die T.T. und W.F. Chao-Lehrstuhl für Chemie sowie Professor für Informatik und Materialwissenschaften und Nanotechnik bei Rice.

Die multidisziplinäre Universitätsforschungsinitiative des Air Force Office of Scientific Research und das NSF Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment unterstützten die Forschung.

Neue Nanomaterialien könnten elektronische Geräte der Zukunft bauen

Forscher der University of Chicago und des Argonne National Laboratory haben eine neue Methode entwickelt, um Nanomaterialien zu strukturieren, die zur Entwicklung neuer elektronischer Geräte beitragen könnten.

Diese in Science veröffentlichte Forschungsarbeit (siehe http://science.sciencemag.org/content/357/6349/385) könnte dazu führen, dass Wissenschaftler diese Materialien leichter verfügbar machen für den Einsatz in allen möglichen Bereichen, von LED-Displays bis hin zu Mobiltelefonen und Fotodetektoren Solarzellen. Während Nanomaterialien für zukünftige Geräte vielversprechend sind, waren die Methoden, sie in komplexe Strukturen einzubauen, bisher begrenzt und in kleinem Maßstab.

„Dies ist ein Schritt, der erforderlich ist, um Quantenpunkte und viele andere Nanomaterialien von Proof-of-Concept-Experimenten zu realer Technologie zu bewegen, die wir verwenden können“, sagte Co-Autor Dmitri Talapin, Professor für Chemie an der University of Chicago und Wissenschaftler des Zentrums für Nanoscale Materials in Argonne, in einer Erklärung:„Es erweitert wirklich unseren Horizont.“

Transistoren, die Grundlage moderner Computer, sind extrem kleine Schalter, die zu Milliarden durch einen Prozess namens Fotolithografie hergestellt werden. Der Prozess, der Smartphones allgegenwärtig und kostengünstig gemacht hat, erstellt eine Schablone aus einer Schicht des organischen Polymers, indem eine gemusterte „Maske“ aufgelegt und mit ultraviolettem Licht beleuchtet wird. Nachdem das neue Material darauf aufgetragen wurde, wird die Polymerschablone abgehoben, um das Muster freizulegen. Mehrere Runden einer solchen Strukturierung bauen einen Miniaturtransistor auf dem Material auf.

Die Photolithographie hat ihre Grenzen. Nur wenige Materialien lassen sich auf diese Weise bemustern. Die Methode wurde ursprünglich für Silizium entwickelt, aber da die ein halbes Jahrhundert dauernde Herrschaft von Silizium über die Elektronik zu Ende geht, blicken die Wissenschaftler auf die nächsten Materialien. Ein solcher interessanter Weg sind Nanomaterialien – winzige Kristalle aus Metallen oder Halbleitern. In dieser Größenordnung können sie einzigartige und nützliche Eigenschaften haben, aber die Herstellung von Geräten aus ihnen war schwierig.

Eine neue Technik namens DOLFIN macht verschiedene Nanomaterialien direkt zu „Tinte“ in einem Prozess, der die Notwendigkeit umgeht, eine Polymerschablone aufzulegen. Talapin und sein Team entwarfen chemische Beschichtungen für einzelne Partikel. Diese Beschichtungen reagieren mit Licht. Wenn Sie also Licht durch eine gemusterte Maske strahlen lassen, überträgt das Licht das Muster direkt in die Schicht aus Nanopartikeln darunter und verdrahtet sie zu nützlichen Geräten.

„Wir fanden heraus, dass die Qualität der Muster mit denen vergleichbar war, die mit modernsten Techniken hergestellt wurden“, sagte der Hauptautor Yuanyuan Wang, ein Postdoktorand an der University of Chicago. „Es kann mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, darunter Halbleiter, Metalle, Oxide oder magnetische Materialien – die alle üblicherweise in der Elektronikfertigung verwendet werden.“

Das Forschungsteam arbeitet mit dem Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation der University of Chicago an der Kommerzialisierung der DOLFIN-Technologie.

Tech Front wird von Senior Editor Patrick Waurzyniak herausgegeben; [email protected].