Institut für Mechatronik: bedeutender Forschungsstandort an der FH Kiel

Erstellt von Leon Gehde

Stolz führt Prof. Dr. rer. nat. Ronald Eisele, Professor für Sensortechnologie und Bauteilpackaging, durch die üppig ausgestatteten Labore des Instituts. „Es waren eine Menge Schritte bis zu der Ausstattung, die wir heute haben“, erklärt er.  Im Kern dreht sich die Forschung um das Suchen nach und Finden von technischen Möglichkeiten, um die Lebensdauer von Leistungselektronik zu verlängern und an verschiedenen Erfordernisse potentieller Abnehmer aus der Elektromobil- und anderen Branchen anzupassen. Die Fachhochschule Kiel ist ein anerkannter Forschungspartner – Kooperationen bestehen unter anderem mit namhaften Unternehmen wie Danfoss, Volkswagen, Heraeus und Bosch. Von der Forschungsarbeit profitieren auch FH-Studierende.

Ein Labor
Den Wert der Geräte im Labor für Entwicklung mechatronischer Systeme schätzt Eisele auf 2,5 Millionen Euro. Fotos: Leon Gehde

„Leistungselektronik wird gebraucht, wo eine Form des Stroms in eine andere übersetzt werden muss – zum Beispiel von Gleichstrom in Wechselstrom oder auch, wenn große Stromleistungen dosiert abgegeben werden sollen. Denken Sie beispielsweise an sanft anziehende Fahrstühle oder die Steuerung der Drehzahl eines elektrischen Fahrzeugmotors in feinen Abstufungen“, erläutert Eisele zum grundlegenden Verständnis der technischen Forschungstätigkeiten. Unsere Arbeit zielt darauf ab, sogenannte Leistungsmodule so zu konzipieren, dass sie die etwa 20-jährige Lebensdauer eines Fahrstuhls, Kranantriebs, Wechselrichters für Fotovoltaikanlagen oder die 300.000 Kilometer Laufleistung eines PKWs überstehen, ohne ausgetauscht werden zu müssen.

Leistungsmodul
Dieses Leistungsmodul ist in der Lage, 30.000 Watt Leistung zu dosieren. Zum Vergleich: Ein elektrischer Backofen hat eine Leistung von etwa 3.500 Watt.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden unterschiedliche Modifizierungen, beispielsweise alternative Materialien oder Herstellungsweisen der vielen Komponenten eines Leistungsmoduls, ausgetestet. „Wir erforschen beispielsweise, welche Isolationsummantelung das Material der enthaltenen Halbleiter am besten kühlt und somit vor Ermüdung schützt“, so Eisele. Für die verschiedenen Arbeitsschritte einer solchen Erforschung stehen hochmoderne Anlagen zur Verfügung. Als „eine sportliche Kategorie erstklassiger Geräte“ bezeichnet Eisele die Ausstattung. „Diesen hervorragenden Ist-Zustand haben wir durch einen langen Prozess erfolgreicher Forschungstätigkeit, der zu immer weiteren Aufträgen und Drittmittel-Förderungen führte, erreicht“, betont Eisele. „Allein durch die Mittel, die einer Hochschule zur Verfügung stehen, ist das bei Weitem nicht zu erreichen“, fügt er hinzu.

Rasterelektronenmikroskop
Ein Rasterelektronenmikroskop zur hunderttausendfachen Vergrößerung für Materialanalysen.

Die entsprechenden Forschungsaufträge für die Fachhochschule entstehen in einem Zusammenspiel aus Staat, Wirtschaft und Forschung. Ministerien und staatliche Agenturen schreiben Gelder für Forschungen zur Steigerung von Effizienz oder Einsparen von Energie aus. Darauf können sich Firmen, Hochschulen und Forschungsinstitute bewerben. So finden unterschiedliche Interessenten zusammen, die arbeitsteilig eine Forschungsanstrengung unternehmen. „Es muss ein Verbund aus Nutzerfirmen und passend spezialisierten Forschenden entstehen, die sich gemeinsam mit einem Konzept auf die Fördergelder bewerben“, erläutert Eisele. „Ministerien streben an, dass man dabei eine ganze Lieferkette abbildet –etwa Materiallieferant, Materialveredler, Bauteilproduzent und schlussendlich Elektroautobauer“, verrät der Professor schmunzelnd sein Geheimrezept zur Akquise von staatlichen Mitteln.

Ultraschall-Mikroskop
Ein Ultraschall-Mikroskop zum Durchleuchten geschichteter Objekte.

Ein prominenter Kooperationspartner der Fachhochschule Kiel ist Volkswagen. Der Wolfsburger Konzern will seine Elektroautos mit möglichst langlebigen und ultrakompakten Bauteilen ausstatten und setzt bei Modulen der Leistungselektronik unter anderem auf die Forschungsleistung des Instituts für Mechatronik der FH Kiel. Auch mit Bosch als Zulieferer der Automobilbranche stehe man laut Eisele in engem Kontakt.

Forschungsingenieur
Ein Forschungsingenieur bei der Endmontage einer hauseigenen Erfindung: einer Hochstrom-Leiterplatte aus Kupfer mit organischen Isolatoren für einen Elektromotor von Volkswagen.

Ob eine neuartige Modifizierung eines Leistungsmoduls tatsächlich zur Verlängerung seiner Lebensdauer beiträgt, untersuchen die Forschenden mithilfe von beschleunigten Alterungsprüfständen. Dort wird zum Beispiel eine intensive Dauerabnutzung durch permanentes Erhitzen und Abkühlen im Sekundentakt simuliert, sogenannter thermodynamischer Stress. Eisele greift auf das Beispiel des Aufzugs zurück: „Innerhalb von sechs bis acht Wochen können wir ein ganzes Fahrstuhlleben nachbilden. Da passiert auch nichts anderes als Strom an und Strom aus – erhitzen und abkühlen. Je länger die Teile durchhalten, desto besser ist unsere Laune.“

Bauteile werden auf einem Lastwechselstand
Bauteile werden auf einem Lastwechselstand thermodynamischem Stress ausgesetzt.

Neben zwölf festangestellten Ingenieur*innen, sämtlich Absolvent*innen des Instituts für Mechatronik, profitieren auch Studierende der FH von den Forschungsvorhaben des Instituts für Mechatronik. „Für einige spezifische Forschungsfragen, die sich uns im Betrieb stellen, schreiben wir Forschungsarbeiten aus, die Studierende bearbeiten können“, so Eisele. Daneben sind im Institut zwölf wissenschaftliche Hilfskräfte tätig. Laut Eisele ist das eine hervorragende Option: „Das Studium mag durch eine Tätigkeit bei uns etwas länger dauern, doch die Möglichkeit, sich bereits während des Studiums auf eine praxisbezogene Tätigkeit zu spezialisieren, ist sehr vorteilhaft. An Hochschulen werden viele PowerPoint-Präsentationen gehalten - bei uns im Institut wird vor allem echte Hardware erzeugt, die sich im Wettbewerb mit Industrielösungen bewiesen hat.“

Sintermaschine
Eine maßgefertigte Sintermaschine, die Pulverwerkstoffe unter hohem Druck zu einer Verbindungsschicht zusammenfügt.

Professor Eisele ist stolz auf die Forschungsleistung des Instituts für Mechatronik der FH Kiel und den Beitrag, den sie für die Branche leistet. „Wir haben im Bereich Leistungselektronik mit unseren Partnern bereits mehr als 70 Patentfamilien angemeldet und sechs bedeutende Produkt-Feature hervorgebracht“, so Eisele. Das spreche für die FH Kiel als bedeutenden Player auf dem Forschungsmarkt. „Das hat in diesem Ausmaß sicher keine andere deutsche Hochschule hervorgebracht. Wir sind bestimmt nicht die größten, aber wir sind die agilsten“, fasst Ronald Eisele stolz die Forschungsleistung des Instituts für Mechatronik zusammen.

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