Forschung

Die Professur für Schutzsysteme widmet sich der interdisziplinären Erforschung von Materialien und Schutzsystemen unter kurzzeitdynamischer Belastung. Dabei kommen v.a. zellulare Materialien, wie hybride Metallschäume und mechanische Metamaterialien in Sandwichbauweise zum Einsatz. Die Forschungsbereiche umfassen:

  • Herstellung
  • Mechanische und materialwissenschaftliche Charakterisierung
  • Experiment, Modellbildung und Simulation

für die Anwendung insbesondere in den Bereichen Crashabsorber allgemein, Schutzsysteme und Elektromobiliät.

Zelluläre Materialien wie Metallschäume und mechanische Metamaterialien (auxetisch, chiral, pentamode, TPMS,…) sind sogenannte mikroheterogene Materialien, bei denen die globalen mechanischen Eigenschaften eines Bauteils oder einer makroskopischen Materialprobe stark von der Mesostruktur (Poren- bzw. Zellgeometrie und deren Größe) sowie von der Mikrostruktur (Steggeometrie, Beschichtung etc.) abhängen. Daher weisen diese Materialien eine starke Struktur-Eigenschaftskorrelations auf. Zur anwendungsspezifischen Optimierung der Materialien finden die experimentelle und numerische Charakterisierung sowie die Optimierung auf allen Skalen (Miko, Meso, Makro) statt.

Schaum

Auxetisch

TPMS

Fallturmuntersuchung

Optimiertes Design

Reaktive Materialien

Optimierter Herstellungsprozess

Smarte Kühlsysteme

TPMSandwich

Dehnraten Effekte

Konzipierte Metamaterialien

Hybridmaterialanbindung

Vorhersage Schädigungszustand

Dynamische Charakterisierung modifizierter auxetischer Strukturen durch  
Verwendung eines Fallturms 

Durch die kontinuierliche Zunahme der Anforderungen an moderne Strukturen in vielen Bereichen, wachsen auch die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Um den zunehmend komplexeren Ansprüchen gerecht zu werden, müssen diese für die entsprechende Anwendung optimiert werden und eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen. Hierzu wird sich oftmals am Beispiel der Natur orientiert, welche für lasttragende Strukturen keine Vollmaterialien verwendet, sondern poröse und zelluläre Strukturen. Einige dieser Strukturen lassen sich unter dem Begriff auxetischer Materialien zusammenfassen. Diese sind über eine negative Poissonzahl definiert was unter anderem zu einer höheren Bruchzähigkeit, hohe volumenbezogene Energiedissipiation sowie einer geringen Dichte führt, was die Anwendung auxetischer Materialien im Ballistik- und Explosionsschutz, als Energieabsorber oder im Leichtbau ermöglicht. Da die meisten Werkstoffe in der Realität oft dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, ist die Charakterisierung des ratenabhängigen Deformationsverhaltens ein zentraler Bestandteil. Eine Methode dynamischer Materialcharakterisierung ist die Verwendung eines Fallturms. Dabei wird ein Gewicht von einer definierten Höhe auf die Probe fallen gelassen, sodass die potenzielle Energie des „Impaktors“ in kinetische Energie umgewandelt und auf die Probe übertragen wird. Über Variation beispielsweise Höhe und Gewicht können so unterschiedliche Dehnraten realisiert werden, um breiten Anwendungsbereich abzudecken. Untersucht wird dabei das dehnratenabhängige Deformationsverhalten sowohl in Experimenten als auch in Finite-Elemente-Simulationen. Ziel ist es, auxetische Strukturen für den Einsatz in realen Anwendungen zu charakterisieren und zu optimieren.

Bearbeitet von: Alexander Engel

Strukturoptimiertes Materialdesign mit Machine Learning

Stärker, leichter, multifunktional, rundum besser und für die Anwendung optimiert soll das Material der Zukunft sein. Additive Fertigung und Design- und Optimierungsmöglichkeiten am Computer, wie beispielsweise durch Finite Elemente Simulationen, machen viele Untersuchungen heutzutage erst möglich. Speziell im Fall von mechanischen Metamaterialien, die sich durch ungewöhnliche mechanische Eigenschaften auszeichnen und deren Mikrostruktur ein hohes Potential zur Anpassung bietet, können Methoden der Strukturoptimierung effektiv angewendet werden. Ein begrenzender Faktor ist hier jedoch immer noch der Rechenaufwand für Simulationen der Mikrostruktur. Im Rahmen dieses Projekts wird Maschinelles Lernen, speziell neuronale Netze, eingesetzt um die Strukturoptimierung zu beschleunigen und auxetische als auch pentamode Strukturen für gezielte Anwendungsfälle zu verbessern. Die fertigen Designs werden dann experimentell untersucht um die Ergebnisse von Simulation und Optimierung zu validieren. 

Bearbeitet von: Stefan Bronder

Skalierungs- und Übertragungseffekt in reaktiven Materialien

Das herausragende Merkmal von Selbstausbreitungsreaktionen ist die Fähigkeit, Reaktionswärme auf einer zeitlichen und räumlichen Skala freizusetzen, die es ermöglicht, die Reaktion nach einer lokalen Zündung aufrechtzuerhalten und auszubreiten. Die Komponenten eines reaktiven Multilayers reagieren zu einer Legierung und können ähnlich wie bei einem intelligenten Schweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen verwendet werden. Da die Reaktion durch Wärme und Stofftransport gesteuert wird, spielt die Anordnung der reaktiven Multilayer eine entscheidende Rolle für ihre Eigenschaften.
Ziel dieses Projektes ist die Erforschung grundlegender Regeln und Gesetzmäßigkeiten zur Steuerung bzw. Verlangsamung des Reaktionsverlaufs und der Phasenbildung durch zwei- und dreidimensionale Strukturierung der reaktiven Mehrschichtsysteme aus Nickel und Aluminium. Dabei soll der Einfluss der lateralen Abmessungen, der räumlichen Anordnung und der geometrischen Form der strukturierten Elemente der reaktiven Mehrschichtsysteme auf das Zündverhalten, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Reaktionsfront und die Phasenbildung untersucht werden.

Bearbeitet von: Farshad Daneshpazhoonejad

Förderkennzeichen: JU 2962/9-1

Projektpartner

Technische Universität Ilmenau

  • Nanotechnology Group, Dr. rer. nat. Jörg Pezoldt
  • Production technology Group, Univ.-Prof. Dr.–Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

Simulation einer offenporigen Struktur mit verbesserten Ermüdungseigenschaften zur Anwendung in der Elastokalorik

Kühlsysteme auf dem heutigen Stand der Technik basieren in der Regel auf der Kompression von Gasen. Der Ersatz dieser Gase durch Festkörpersystemen bietet eine klimafreundliche Alternative ohne Treibhauspotential. Ein vielversprechendes Material für die Anwendung in einem elastokalorischen Kühlsystem ist Nitinol, eine Formgedächtnislegierung bestehend aus Nickel und Titan. Das hohe Potential dieses Werkstoffes liegt in der hohen latenten Wärmemenge die infolge mechanischer Belastung freigegeben oder aufgenommen wird. Dadurch ist es möglich große Änderungen in der Umgebungstemperatur zu erzeugen. In Kombination mit der geringen mechanischen Arbeit, die zur Deformation verrichtet werden muss, kann ein äußerst effizientes und klimafreundliches Kühlsystem entwickelt werden.
Ziel des Projektes ist die Eruierung einer für die zuvor erläuterte Anwendung geeigneten Struktur. Der Prozess beginnt mit einer FE-Simulation verschiedener, in Frage kommender Strukturen.
Darauf aufbauend, werden die gefundenen 3D-Modelle durch selektives Laserschweißen zu realen Bauteilen gefertigt. Mit diesen additiv gefertigten Proben wird das Materialmodell für die Simulation optimiert und das Ergebnis der Strukturstudie evaluiert.

Bearbeitet von: Michael Fries

Projektpartner

Professur Smarte Materialsysteme für innovative Produktion, Universität des Saarlandes, Saarbrücken

Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Universität des Saarlandes, Saarbrücken

Optimierung des elektrochemischen Herstellungsprozesses offenporiger Ni/PU-Hybridschaumstrukturen

Das Projekt umfasst die elektrochemische Herstellung und experimentelle Charakterisierung von zellulären Hybridmaterialien mittels etablierter und weiterentwickelter Messmethoden, sowie die simulationsgestützte Optimierung von Durchflussreaktoren mittels CFD (engl. computational fluid dynamics). Neben retikulierten Polyurethanschäumen ist es durch den großen Fortschritt im Bereich des hochauflösenden 3D-Drucks sogar möglich, komplexe offenporöse Strukturen additiv zu fertigen und mittels des elektrochemischen Beschichtungsprozesses strukturell hinsichtlich der multifunktionalen Eigenschaften zu optimieren. Es werden neben der herkömmlichen Gravimetrie und großflächiger Beschichtungsmikroskopie auch ortsaufgelöste Magnetisierungsprofile von zuvor remanent magnetisierten Hybridschäumen ermittelt und mit einer geeigneten Korrelation zur semi-automatischen Analyse der Beschichtungsdickeverteilung genutzt. Die Erkenntnisse bzgl. der Einflüsse verschiedener Depositionsparameter tragen maßgeblich zur Optimierung der Beschichtungshomogenität bei. Innerhalb des Kooperationsprojektes mit der Universität des Saarlandes, Saarbrücken dienen die hier experimentell ermittelten Struktureigenschaften gekoppelt mit der Beschichtungsqualität des resultierenden Hybridschaums als Grundlage für die makroskopische Modellierung und Simulation des Abscheideprozesses.

Bearbeitet von: Francesco Kunz

KI-Gestützte Optimierung Mechanischer Metamaterial-Schichtverbunde

Künstliche Intelligenz findet heutzutage in allen Bereichen unseres Lebens Anwendung. Auch in der Materialforschung sind Methoden des maschinellen Lernens unerlässlich geworden, da sie viele Hürden herkömmlicher Forschungsmethoden überwinden können.

Simulationsansätze reduzierten bisher den experimentellen Aufwand, aber auch diese können bei der Untersuchung komplexer Strukturen sehr zeitaufwändig werden. Basierend auf simulierten Daten wird im Rahmen dieses Projekts ein Ansatz verfolgt, mechanische Eigenschaften von Metamaterialien, in erster Linie TPMS, mit Hilfe von maschinellem Lernen vorherzusagen. Die trainierten Modelle werden anschließend zur Strukturoptimierung im Hinblick auf diverse Charakteristiken, wie z.B. die spezifische Energieabsorption, verwendet.

Im Fokus stehen dabei Schichtverbunde von TPMS-Strukturen, sowie TPMS-Strukturen, deren Geometrie sich über das Volumen ändert.

Bearbeitet von: Sergej Grednev

Experimentellen Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von offenporigen Metallhybridschäumen unter dynamischer Last

Das Forschungsprojekt zur umfasst die Herstellung, die mikrostrukturelle Analyse und die (mikro-)Mechanische Beschreibung von Deformationsmechanismen offenporiger Metallschäumen unter quasi-statischen, moderaten und hohen Impakt Geschwindigkeiten.

Dazu werden zunächst unterschiedliche Werkstoffe (Al-, Ni/PU-, Ni/Al) über eine galvanische Beschichtung auf eine stochastische offenporige Gerüststruktur appliziert und anschließend hinsichtlich der spezifischen Energieabsorption analysiert. Die Deformationsmechanismen und resultierenden mechanischen Eigenschaften werden im Folgenden Abschnitt des Projektes auf der makroskopischen Ebene an einem Ni/PU-Modellsystem sowohl unter moderaten bzw. hohen Impakt Geschwindigkeiten über Fallturm- und SHPB-Experimente charakterisiert. Dabei fokussiert sich die Forschung hauptsächlich auf massenabhängige Trägheitseffekte und die Skalierbarkeit des Werkstoffsystems über den Labormaßstab hinaus. Die letzte Phase des Projektes umfasst schließlich die Deformationsmechanismen auf der mesoskopischen Ebene einzelner Poren. Ziel ist es Mikroträgheitseffekte in Abhängigkeit der Porengeometrie und variierender Vorlast zu analysieren und auftretende Dehnrateneffekte mit der makroskopischen Bauteilebene zu korrelieren.

Bearbeitet von: Markus Felten

Herstellung und multiskalige Charakterisierung gradierter zellulärer Metamaterialien

Spezielle designte Materialien für spezifische Anwendungen? Wunschdenken oder bald schon Wirklichkeit? Zelluläre Metamaterialien können dabei eine wichtige Rolle spielen. Dabei handelt es sich um verschiedene Künstliche Strukturen, die beispielsweise besondere mechanische Eigenschaften aufweisen. Beispiele dieser Strukturen sind: TPMS (engl.: triply periodic minimal surface, dreifach periodische Minimalflächen), Pentamode und Auxetische Strukturen. Die Eigenschaften sind im Wesentlichen von dem Grundmaterial, der relativen Dichte, der Morphologie (Größe und Form der Poren, offene oder geschlossene Zellstruktur) sowie der Topographie (regelmäßige oder unregelmäßige Porenverteilung) abhängig. Eine Sonderform sind die zellulären hybrid Metamaterialien. Dabei kann ein Template (aus Polymer oder Metall) mittels elektrochemischer Abscheidung beschichtete werden. Durch die additive Fertigung lassen sich so viele Freiheitsgrade in der Struktur erzielen. Aber auch durch die elektrochemische Abscheidung lassen sich verschiedene Parameter, wie ein Gradient in der Beschichtungsdicke oder ein Materialgradient, der beispielsweise aus einem harten Metall (Ni) und einem weichen Metall (Cu) bestehen kann, einstellen.

Durch den Einsatz von Gradienten innerhalb der Strukturen, beispielsweise durch eine Änderung der relativen Dichte, des Materials oder der Struktur sollen besondere Eigenschaften für spezifische, technische Anwendungen erreicht werden. Ziel dieses Projektes ist, verschiedene Gradienten in die Strukturen einzubringen und deren mechanische Eigenschaften mittels Simulationen und Experimenten zu evaluieren.

Bearbeitet von: Laura Lindner

Projektpartner

Czech Technical University, Prag

Universität Maribor

Institut für Theoretische und Angewandte Mechanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften

Anbindung von zellularen Hybridmaterialien

Die fortschreitende Ressourcenverknappung fordert eine effiziente Nutzung vorhandener Rohstoffe. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, ist das oberste Ziel, vielseitige Strategien und Materialien zu erforschen und anwendbar zu machen. Metallische Schäume bieten infolge der enorm hohen Porosität eine äußerst effiziente Werkstoffnutzung und interessante mechanische Eigenschaften. Die Werkstoffklasse der Metallschäume vereint viele Ansprüche in einen Leichtbauwerkstoff, wie niedriges Gewicht, hohe Steifigkeit und große Energieabsorption.

Ein wichtiger Schritt zur erfolgreichen industriellen Anwendung ist eine Verbindungstechnologie, die in den Herstellungsprozess der Metallschäume integriert werden kann. Dabei ist neben der Art der Fügetechnik die mechanische Belastbarkeit der entstehenden Verbindung von großem Interesse.

Bei der Herstellung von Nickel/Polyurethan-Hybridschäumen können mechanische Verbindungselemente (Inserts) vor der elektrochemischen Beschichtung mit Nickel in das Polymerschaumsubstrat eingearbeitet werden. Die Befestigung dieser Verbindungselemente erfolgt durch Abscheidung des Nickels. Dabei ist es für die Herstellung einer homogenen Nickelschicht wichtig, dass alle zu beschichtenden Oberflächen eine gleichmäßige Leitfähigkeit aufweisen und die nicht zu beschichtenden Oberflächenanteile entsprechend abgeschirmt werden.

Die mechanische Charakterisierung der Verbindung zwischen Insert und Metallschaum erfolgt durch die Realisierung unterschiedlicher Belastungszustände. Dabei wird die Schaumstruktur in einer geeigneten Klemmvorrichtung eingespannt und das Insert, sowohl durch uniaxiale als auch durch multiaxiale Lasten beansprucht. 

Verbundvorhaben im Rahmen des TTP-Leichtbauprogramms:
„HSF – Neuartige Fügetechnik für leichte Impakt-Strukturen aus Hybridschäumen“

Teilvorhaben: Entwicklung und mechanische Charakterisierung der Anbindungskonzepte

Förderkennzeichen: 03LB1011D

Entwicklung zerstörungsfreier in situ Charakterisierungsverfahren zur Vorhersage des Schädigungszustandes

Die Charakterisierung von Metamaterialien ist durch die Kopplung von Struktur- und Materialverhalten deutlich komplexer als bei genormten Proben. Hierfür wird eine multimodale Prüfmethode entwickelt, die zur Charakterisierung des Schädigungsverhaltens sowie potentieller Lokalisierung der Schädigung komplexer Strukturen dient. Im Speziellen werden Ermüdungsversuche an Metamaterialien auf verschiedenen Größenskalen mit versuchsbegleitender akustischer und elektrischer Charakterisierung durchgeführt, um in zukünftigen industriellen Anwendungen die Lebensdauer zerstörungsfrei vorhersagen und kritische, bereits geschädigte Bereiche identifizieren zu können.

Bearbeitet von: Rebecca Kose

Projektpartner

Fraunhofer IZFP Arbeitsgruppe MatBeyoNDT , Saarbrücken

Finanziert wird das Projekt durch die Attract-Förderung 025 -601314  „MatBeyoNDT“ 025 -601314 der Fraunhofer Gesellschaft.

HSU

Letzte Änderung: 30. November 2023