Die Arbeitsgruppe PSM hat zusammen mit mehreren Kooperationspartnern erfolgreich einen Ultra-Kurzpuls-Laser für die hochschulübergreifende interdisziplinäre Forschung einwerben können. Ein entsprechender Antrag für Forschungsgroßgeräte nach Art. 91b GG wurde von der DFG bewilligt. Aktuell steckt das Projektteam mitten im Beschaffungsprozess. Eine Inbetriebnahme ist für Ende 2027 geplant. 

Als Kooperationspartner sind hier vor allem Prof. Paul Motzki von der Universität des Saarlandes, Prof. Monika Saumer von der Hochschule Kaiserslautern und Prof. Vahid Babaei von der Universität Bonn zu nennen.

Das bewilligte Gerät beschreibt einen Ultra-Kurz-Puls Laser mit einer einstellbaren Pulslänge im Femto- bis Picosekundenbereich. Die Laserquelle besitzt eine Leistung in der Größenordnung von 5 bis 20 W. Als Wellenlänge wird eine UV-Wellenlänge, voraussichtlich 355 nm genutzt, welche als 3. Harmonische aus einer IR-Quelle ausgekoppelt wird. Der Laserstrahl wird mittels Scanner und F-Theta Linse über die Proben gerastert und der minimal erreichbare Spotdurchmesser ist mit kleiner als 5 µm beschrieben. Neben rein planaren Proben, wird die Laseranlage auch zukünftig in der Lage sein, runde Bauteile, wie etwa dünne Drähte oder Röhrchen zu bearbeiten. Mit diesen Eigenschaften steht der HTW Saar und den Projektpartnern in naher Zukunft ein umfassend ausgestatteter Laser für interdisziplinäre Forschungsfragen zur Verfügung. Geplant sind Forschungsvorhaben im Bereich der Sensorik, Aktorik, Medizintechnik und KI-basierter Laserbearbeitung. 

Das Projekt TransDES wird vom Saarland und mit Mitteln des Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Es werden Transistorstrukturen auf der Basis flexibler Dielektrischer Elastomer Systeme erforscht. 

Die Forschung läuft in Kooperation zwischen dem Lehrstuhl Smarte Materialsysteme für innovative Produktion unter der Leitung von Prof. Paul Motzki von der Universität des Saarlandes (UdS) und der Arbeitsgruppe für Physikalische Sensorik und Mechatronik unter der Leitung von Prof. John Heppe von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW).

Transistoren sind milliardenfach verbaute elektronische Bauteile auf Siliziumbasis, welche aus dem heutigen Zeitalter der Digitalisierung nicht mehr wegzudenken sind. Es handelt sich um ein typisches siliziumbasiertes Halbleiterbauelement mit fester, starrer Form, welches den Stromfluss in elektrischen Schaltungen steuert. Um dem Trend in Richtung vollintegrierter flexibler Elektronik folgen zu können, bedarf es zukünftig auch flexibler Transistorstrukturen. Diese sind aktuell noch nicht kommerziell verfügbar. Erste Forschungsansätze untersuchen flexible Transistorstrukturen auf der Basis von Acrylfolien und kohlenstoffbasierten Elektroden. Diese weisen einen sehr hohen elektrischen Grundwiderstand auf und sind in ihrer Schaltfrequenz durch die viskoelastischen Eigenschaften der Acrylfolie begrenzt und deshalb nur sehr eingeschränkt praktisch nutzbar.   

Ziel des Projektes TransDES ist es, flexible Transistorstrukturen auf der Basis flexibler dielektrischer Elastomere zu erforschen und zu entwickeln. Neben einem niedrigen elektrischen Widerstand im geschlossenen Zustand und einem praktisch isolierenden Widerstand im geöffneten Zustand, wird eine hohe Schaltfrequenz angestrebt. Zunächst steht die Schaltung von Niederspannung im Fokus. Langfristig sollen Schaltungen im Hochspannungsbereich ermöglicht werden. 

Das Forschungsteam entwickelt Transistorstrukturen auf der Basis flexibler dielektrischer Elastomersysteme, welche in diversen Vorgängerprojekte eingehend untersucht und charakterisiert wurden. Als Dielektrikum kommt eine Silikonfolie zum Einsatz. Diese ermöglicht rein von ihren Materialeigenschaften eine viel schnellere Schaltfrequenz als Folien auf Acrylbasis. Der niedrige elektrische Anfangswiderstand wird durch die Verwendung von ultradünnen Metallelektroden realisiert. Auf mechanisch vorgespannte Folien wird eine wenige Nanometer dünne Metallschicht mittels Sputtern aufgebracht. Eine anschließende Entspannung führt zu einer gewrinkelten Struktur, was die Metallelektroden extrem dehnbar und elektromechanisch stabil macht. Durch eine anschließend gezielte mechanische Überbelastung der Folie werden Risse in der Elektrodenstruktur erzeugt. Das Design des Transistors wird mit Hilfe eines Ultra-Kurz-Puls-Lasers herausgearbeitet. Nach der Herstellung der Proben werden diese umfangreich elektromechanisch charakterisiert und ihr Schaltverhalten untersucht. Die Ergebnisse werden kritisch hinterfragt und die Proben werden in zahlreichen Iterationsschleifen optimiert. Eine veränderte Dünnschichtelektrode, die Nutzung einer dünneren Silikonfolie, die Verwendung einer Schutzschicht in Kombination mit anderen Elektrodentypen und ggf. Designoptimierungen führen in Kombination alle dazu, die schaltbaren Spannungs- und Frequenzbereiche auszureizen und auszuweiten.  
Die oben erwähnten Risse sind entscheidend für den späteren Schaltvorgang des Transistors. Im entspannten Zustand sind die Risse geschlossen und ein zusammenhängender metallischer Strompfad existiert. Bei mechanischer Dehnung öffnen sich die Risse und der Strompfad wird unterbrochen. Zwischen den beiden Extrema können auch Zwischenzustände angefahren werden, sodass der Stromfluss graduell gesteuert werden kann. 

Das Projekt DECMAS – Phase II wird von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) gefördert und ist Teil des DFG Schwerpunktprogrammes SPP 2206 KOMMMA. Neuartige, miniaturisierte und kooperative dielektrische Aktorkonzepte werden erforscht.

Das Projekt ist eine Kollaboration des Lehrstuhls für intelligente Materialsysteme unter der Leitung von Prof. Motzki von der Universität des Saarlandes (UdS), des Soft Robotic Systems and Control Lab unter der Leitung von Jun.-Prof. Rizzello der UdS, sowie der Forschungsgruppe Physikalische Sensorik und Mechatronik unter der Leitung von Prof. Heppe von der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW).

DECMAS – Phase II ist das direkte Nachfolgeprojekt von DECMAS – Phase I. Die Problemstellung, die Zielsetzung und das Vorgehen bleiben prinzipiell gleich. Phase II baut auf den Ergebnissen der Phase I auf. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit in Phase II geht folglich tiefer ins Detail.

Dielektrische Elastomere sind dünne Elastomerfolien, welche auf beiden Seiten mit einer flexiblen Elektrode beschichtet werden. Sie vereinen positive Eigenschaften wie geringes Gewicht, niedrige Herstellungskosten und Energieeffizienz. Der gleichzeitige Einsatz als Sensor und als Aktor macht diese Technologie besonders reizvoll. Heutige Anwendungen sind eher im makroskopischen Bereich zu finden. Die Entwicklung hin zu miniaturisierten Konzepten ist somit das Ziel dieses Projektes und bringt gleichzeitig einige Herausforderungen mit sich.

Die Interaktion und Kooperation zwischen benachbarten, sich immer weiter annähernden Aktoren bzw. Sensoren auf DE-Basis, ist bisher erst unzureichend erforscht. Weiterhin müssen neue Designkonzepte, Herstellungsverfahren, sowie eine speziell auf kleine Aktoren angepasste Elektronik entwickelt werden. Die Elektrode selbst muss ebenfalls für den Miniaturisierungsprozess geeignet sein.

Ziel des Projektes ist es, die Miniaturisierung von dielektrischen Aktorkonzepten weiter voranzutreiben und die dabei auftretenden Probleme zu verstehen und zu beheben. Aufbauend auf den Forschungsarbeiten aus dem Vorgängerprojekt DECMAS – Phase I, wird eine sukzessive Verkleinerung der entsprechenden Bauteile in den Millimeter-Bereich angestrebt. Am Ende des Projektes soll ein Technologiedemonstrator entstehen, welcher ein Array aus miniaturisierten, miteinander kooperierenden DE Aktoren und Sensoren zeigt.

Insgesamt 3 Forschergruppen von HTW (AG Heppe) und UdS (AG Motzki, AG Rizzello) arbeiten gemeinsam an der Realisierung dieses Projektes. Computergestützte modellbasierte und FEM-Simulationen (AG Rizzello) werden genutzt, um die elektro-mechanischen Abläufe der DE-Aktor-Arrays zu verstehen, zu visualisieren und zu optimieren. Weiterhin kann die Interaktion zwischen benachbarten Arraypunkten per Simulation erforscht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Designoptimierung und in die Erarbeitung von Lösungsansätzen für etwaige Prototypen ein. Zusätzlich werden Algorithmen für das Self-Sensing und zur Ansteuerung der Aktoren in diesem Arbeitspaket entwickelt.

Die AG Motzki arbeitet parallel im zweiten Arbeitspaket an der praktischen Umsetzung des DEA-Arrays. Das Ziel ist es, ein funktionierendes Gesamtsystem zu entwickeln, bei dem alle Aspekte wie z.B. Herstellung, Aufbau, Kontaktierung, Ansteuerung, etc. aufeinander abgestimmt werden müssen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Simulationen aus dem ersten Arbeitspaket ein, wodurch wiederum bessere Vorhersagen für weitere Iterationen getroffen werden können.

Das dritte Arbeitspaket erforscht die Entwicklung neuartiger metallischer dehnbarer Elektroden, welche auch nach mehreren Millionen Zyklen noch gute elektromechanische Eigenschaften aufweisen müssen. Metallische Dünnschichten, welche auf eine vorgespannte Silikonfolie aufgesputtert werden, stehen dabei im Fokus der Arbeit. Mittels eines Lasers soll anschließend nahezu jede beliebige Elektrodengeometrie ausgeschnitten werden. Die dadurch gewonnene Designfreiheit spielt im Minaturisierungs- und Optimierungsprozess eine entscheidende Rolle.

Das Projekt 3D-TepMoLaser wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, kurz BMWE gefördert. Es geht um die Entwicklung einer Technologieplattform zur Erzeugung von funktionalen Monofilamenten durch 3-dimensionale Laserstrukturierung für die anschließende textile Integration.

Es handelt sich um eine Kollaboration zwischen der Arbeitsgruppe Physikalische Sensorik und Mechatronik unter der Leitung von Prof. John Heppe, dem FITT - Institut für Technologietransfer an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes gGmbH und dem Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V (TiTV Greiz).

Die Mensch-Maschine-Interaktion gewinnt heutzutage zunehmend an Bedeutung, was die Entwicklung smarter Textilien und damit einhergehend die Entwicklung miniaturisierter textilintegrierter Sensoren und Aktoren vorantreibt. Das übergeordnete Ziel ist die Textilintegration sensorischer Netzwerke, aufgebaut nach dem Vorbild der menschlichen Haut. Aktuelle Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Netzwerke sind dabei: 

a) eine geringe Dichte elektrischer Funktionselemente 

b) eine begrenzte Leiterbahnanzahl, was meist nur 2-Leiter-Technik ermöglicht

c) die schwierige textile Integration raumfordernder Bauteile

Die drei genannten Herausforderungen werden im Projekt adressiert. Die Idee besteht darin, eine innovative Technologieentwicklung zur Erzeugung von funktionalisierten Monofilamenten zu realisieren. Auf den Monofilamenten sollen neben den elektrischen Zuleitungen auch die Funktionselemente selbst integriert sein. Sowohl Zuleitungen als auch Sensor- und Aktorelemente werden in Dünnschichttechnik gefertigt, sodass für die Textilverarbeitung keine nennenswerten Dickenvariationen auftreten. Die Technik ermöglicht auf kleinstem Bauraum die Implementierung verschiedener Sensoren und Aktoren auf einer einzelnen Faser. Zusätzliche externe Bauelemente, wie etwa Zuleitungen oder Widerstände, welche bei der textilen Integration hinderlich wären, können vermieden werden. Die Filamente haben eine einheitliche und textilfreundliche Form, unabhängig davon, welche Funktionen auf der Faser umgesetzt werden. 

Insgesamt bildet dieses Forschungsprojekt die Grundlage für die Entwicklung einer flexiblen und skalierbaren Technologieplattform, die textile funktionale Netzwerke für unterschiedlichste Anwendungen bereitstellt.

Das Forscherteam entwickelt funktionalisierte Monofilamente welche für die anschließende textile Integration geeignet sind. Monofilamente aus unterschiedlichen Materialien werden in einem ersten Schritt gesichtet und charakterisiert. Die Oberflächenqualität spielt eine entscheidende Rolle, damit im nachfolgenden Beschichtungsprozess eine qualitativ hochwertige und brauchbare Schicht vollumfänglich auf dem Monofilament abgeschieden werden kann. Nach der Beschichtung wird mit Hilfe eines Ultra-Kurz-Puls-Laser die Dünnschicht auf dem Monofilament so strukturiert, dass sowohl Leiterbahnen und Kontaktbereiche als auch Bereiche mit sensorischen und aktorischen Eigenschaften entstehen. Eine nachträglich aufgebrachte Schutzschicht schützt das Monofilament bei der Weiterverarbeitung und vor sonstigen äußeren Einflüssen, wie etwa Schweiß. Die hergestellten Filamente werden elektromechanisch charakterisiert und auf ihre Funktion hin getestet und letztlich in Textile Muster integriert. Die einzelnen Prozessschritte werden nach und während den Versuchen kritisch beurteilt und stetig verbessert und weiterentwickelt. 

Das dritte Arbeitspaket erforscht die Entwicklung neuartiger metallischer dehnbarer Elektroden, welche auch nach mehreren Millionen Zyklen noch gute elektromechanische Eigenschaften aufweisen müssen. Metallische Dünnschichten, welche auf eine vorgespannte Silikonfolie aufgesputtert werden, stehen dabei im Fokus der Arbeit. Mittels eines Lasers soll anschließend nahezu jede beliebige Elektrodengeometrie ausgeschnitten werden. Die dadurch gewonnene Designfreiheit spielt im Minaturisierungs- und Optimierungsprozess eine entscheidende Rolle.

Das Projekt FuE-Faser-SAM wird vom Saarland und mit Mitteln des Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Es geht um den Aufbau einer Forschungs- und Entwicklungsumgebung zur Erzeugung von faser- und drahtförmigen Funktionselementen für Sensorik, Aktorik und Medizintechnik.

Das Projekt wird von der Arbeitsgruppe Physikalische Sensorik und Mechatronik in Kooperation mit dem ZeMA – Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik bearbeitet. 

Das Projekt MOF wurde vom Ministerium der Finanzen und Wissenschaft des Saarlandes im Rahmen des Landesforschungsförderungsprogramm gefördert. Es ging um die Untersuchung des Potentials von laserstrukturierten Foliensubstraten als Basis für Präkonzentratoren und -injektoren für Gasmesssysteme. 

Es handelte sich um eine Kollaboration zwischen der Arbeitsgruppe Physikalische Sensorik und Mechatronik der HTW Saar unter der Leitung von Prof. John Heppe und dem Lehrstuhl für Messtechnik der Universität des Saarlandes unter der Leitung von Prof. Andreas Schütze.

Das Projekt wurde 2026 erfolgreich abgeschlossen.