GRK 2868:  D³ - Datengetriebenes Design widerstandsfähiger Metamaterialien

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft ; Mechanik und Konstruktiver Maschinenbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493401063

Metamaterialien sind künstlich erzeugte Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, die sich deutlich vom zugehörigen Grundwerkstoff unterscheiden. Diese neue Werkstoffklasse zeichnet sich durch eine innere Struktur aus, die maßgeschneiderte Eigenschaften für Anwendungen u.a. in den Bereichen Mobilität, Gesundheit und Energie ermöglicht. Dabei ist die Schadenstoleranz, d.h. die Resilienz, von großer Bedeutung. In klassischen gitterbasierten mechanischen Metamaterialien ist diese durch Spannungskonzentrationen in den Verbindungspunkten einzelner Stäbe begrenzt. Mechanische Metamaterialien mit biologisch inspirierten spinodalen Strukturen, die sich durch glatte Geometrien mit geringer Kerbwirkung auszeichnen, versprechen eine deutlich verbesserte Schadenstoleranz. Um das Potential dieser neuen Metamaterialien auszuschöpfen und insbesondere nachhaltige und hochbelastbare Materialien zu schaffen, werden im beantragten Graduiertenkolleg das Versagensverhalten analysiert und sowohl die spinodale Struktur als auch die lokalen Materialeigenschaften inklusive zusätzlicher Funktionalisierung gezielt ausgelegt. Zur Beherrschung der Vielfalt von Einstellparametern soll ein neuartiger datengetriebener und mehrskaliger Designansatz auf Basis von Simulationen und Experimenten entwickelt werden. Die Realisierung der Strukturen erfolgt durch fortschrittliche additive Fertigungstechnologien. Insbesondere werden vorwärts- und rückwärtsgerichtete Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgestellt, die auch Restriktionen hinsichtlich der Herstellbarkeit berücksichtigen. Die Untersuchung zielt sowohl auf die zielgerichtete Einstellung der mechanischen Eigenschaften als auch auf die Nachhaltigkeit der Metamaterialien ab. Letztere soll durch die Substitution seltener Legierungselemente unter Ausnutzung einer angepassten Prozessführung erreicht werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird sich die Forschung auf maßgeschneiderte Aluminiumlegierungen, neuartige spinodale Metamaterialien und fortschrittliche Binder-Jet-Technologien für die additive Fertigung konzentrieren. Neben der typischerweise im Vordergrund stehenden Struktur, d.h. der mesoskopischen Topologie und Geometrie, wird der Einfluss des Grundmaterials und der Funktionalisierung auf die effektiven, für die Bauteilanalyse relevanten makroskopischen Eigenschaften untersucht. Die aus dem datengetriebenen, skalenübergreifenden Ansatz zur Entwicklung hochbelastbarer Metamaterialien resultierenden Herausforderungen werden von einem interdisziplinären Team bearbeitet, an dem Forschende aus den Bereichen der numerischen Mechanik, Materialwissenschaft, Datenwissenschaft und Informatik, Mathematik und Physik beteiligt sind. Das Graduiertenkolleg soll ein kreatives, motivierendes und kollaboratives Forschungsumfeld mit Chancengleichheit bereitstellen, um Karrieren von jungen Wissenschaftler:innen in diesem interdisziplinären Forschungsfeld zu entwickeln und zukünftige Expert:innen in der Digitalisierung auszubilden.

• DFG-Verfahren: Graduiertenkollegs
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dresden
• Beteiligte Institution: Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) e.V.; Technische Universität Bergakademie Freiberg; Technische Universität Chemnitz
• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
• beteiligte Wissenschaftlerinnen / beteiligte Wissenschaftler: Professor Dr. Gianaurelio Cuniberti; Professorin Dr. Sibylle Gemming; Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professorin Dr.-Ing. Julia Kristin Hufenbach; Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske; Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens; Dr. Marco Salvalaglio; Professor Dr. Ivo Sbalzarini; Professorin Dr.-Ing. Martina Zimmermann