Forschung

Mechanische Charakterisierung von Materialien auf der Meso- und Mikroskala

Um das physikalische Verständnis von Skalierungs- und Größeneffekten der Deformations- und Degradationsmechanismen in Materialien zu verbessern, entwickelt die Gruppe neue Messmethoden zur mechanischen Charakterisierung und Bewertung der Zuverlässigkeit. Hierbei arbeitet das Team eng mit der Gruppe Mikro- und Mesomechanik am Fraunhofer IWM zusammen. 

Programmierbare Meta-Materialien

Metamaterialien und programmierbare Materialien haben das Potenzial, einen Paradigmenwechsel in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie einzuleiten. Durch das Design von komplexen inneren Strukturen können Metamaterialien außergewöhnliche Eigenschaften verliehen werden, die das eigentliche Strukturmaterial nicht besitzt. Durch Metamaterialien lässt sich zum Beispiel Licht um Personen herumleiten. Programmierbare Materialien gehen darüber noch weit hinaus: Die lokale Strukturierung eines homogenen Materials erlaubt es, in einen Block programmierbares Material Funktionalitäten zu integrieren, die sich heutzutage nur mit vielen Bauteilen implementieren lassen. Hier sprechen wir von einem System. Damit ein programmierbares Material adaptiv wird und ein einfaches mechanisches System ersetzen kann, muss es verschiedene Fähigkeiten besitzen. Es braucht einen Sensor, der Veränderungen in der Umgebung wahrnehmbar macht. Weiterhin braucht es einen Logikbaustein oder Prozessor, der zum Beispiel die Überschreitung eines Wertes überwachen und dann eine Aktion auslösen kann. Es braucht einen Aktuator und einen Controller um diesen zu steuern. Und zuletzt braucht es auch noch mechanische Komponenten, die diese Aktuation bspw. in eine Gestaltsänderung oder Bewegung umsetzen. Der Paradigmenwandel durch programmierbare Materialien invertiert die Einzelbauteile in die innere Struktur. Das bedeutet, dass die Funktionalitäten in die vielen Einzelelemente (z.B. ein Bauteil mit 100x100x100 = 106 Elementarzellen) integriert wird. Bauteile aus programmierbarem Material enthalten diese Systemkomponenten und ermöglichen daher bisher unerreichbare Funktionsintegration bei gleichzeitiger Reduzierung der Bauteilzahl und damit der gesamten Systemkomplexität. Dieses Konzept wird auch in der Biologisierung der Materialien aufgegriffen. Hier versucht man das Paradigma, dass sich ein Material in der Anwendung möglichst nicht verändern soll, in Frage zu stellen. Um jedoch Materialien adaptiv zu machen reicht eine Responsivität wie sie sich beispielsweise in »Smart Materials« findet nicht aus. Erst in der Kombination von innerer Logik zur Bewertung und einem Zustandsspeicher kann sich ein System in der Wechselwirkung anpassen.
Weiter lesen im SCHARF Jahresbericht 2019 Seite 45. 

Zum Thema Programmierbare Materialien arbeiten wir eng mit dem Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM sowie dem Exzellenzcluster livMatS, und den beiden Carl-Zeiss-Stiftungsprojekten IPROM und SCHARF zusammen. 

Weitere Informationen zu den aktuellen Forschungsthemen am Lehrstuhl finden Sie im Bereich Projekte und Kooperationen.