Modellierung und Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von grenzflächen-strukturierten Mehrschichtkompositen unter großen Deformationen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Jana Wilmers
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449062206

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dehnbare Elektronik kann direkt in weiche, gekrümmte oder bewegliche Strukturen integriert werden und prägt so den technischen Fortschritt unserer Zeit mit. Ob in der Robotik, Unterhaltungselektronik, Sportwissenschaft oder Biomedizin – mit flexiblen elektronischen Systemen lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen. In Wundauflagen z.B. können dehnbare elektronische Sensoren genutzt werden um Körperfunktionen der Patient*innen zu überwachen – ohne deren Bewegungsfreiheit einzuschränken. Die Herausforderung bei der Entwicklung solcher Systeme besteht darin, dass konventionelle elektronische Bauelemente und Leitermaterialien unter den großen Dehnungen in der Anwendung versagen würden. Die notwendigen Dehnbarkeiten werden erst in Kombination mit weichen Polymeren in Mehrschichtverbunden und durch ausgeklügelte Strukturierungen möglich gemacht. Dies basiert auf einem einfach zu formulierenden, aber schwierig umzusetzenden Prinzip: Nicht das steife Material wird gedehnt, sondern die Struktur. In diesem Projekt wurden die Beziehungen zwischen Struktur und Dehnbarkeit in Mehrschichtsystemen mit strukturierten Grenzflächen untersucht um die zugrunde liegenden mechanischen Prinzipien aufzuklären und infolgedessen die Entwicklung von Strukturen mit maßgeschneidertem Dehnungsverhalten möglich zu machen. Dazu wurden mechanische Modelle der Materialien und Strukturen entwickelt und Rissausbreitung und Delamination in ihnen numerisch simuliert. In den betrachteten Strukturen werden gezielt in Bereichen ("Inseln") die mechanischen Eigenschaften des Polymers verändert oder es werden kontrolliert Risse in einzelne Schichten eingebracht, durch die andere Bereiche des Verbunds entlasten werden. Dadurch können empfindliche elektronische Bauteile vor Rissen oder Delamination geschützt werden, während die Strukturierungselemente wie Inseln oder Risse Dehnbarkeit ermöglichen. Wie genau diese Dehnungsentlastung funktioniert und wie zuverlässig diese Mechanismen sind, wurde numerisch untersucht. Dazu wurden Algorithmen für die automatisierte Generierung von repräsentativen Volumenelementen entwickelt, mit Hilfe derer hoch variable Strukturen effizient erstellt und modelliert werden können. In diesen Strukturen wurden der Einfluss der Geometrie und verschiedener Materialkombinationen auf die mechanischen Eigenschaften, die Dehnbarkeit und das Rissausbreitungs- und Versagensverhalten materialund damit ressourcensparend analysiert. Das gewonnene umfassende Verständnis der involvierten Prinzipien erlaubt es nun den Anteil des "nutzbaren" funktionalen Materials durch Optimierung der Spannungs- und Dehnungsfelder zu maximieren und die Lebensdauer der Strukturen unter verschiedensten mechanischen Lastfällen zu verbessern. Da die gewonnenen Erkenntnisse auf geometrisch-mechanischen Beziehungen beruhen, sind sie außerdem auch auf andere Materialklassen und Anwendungsgebiete übertragbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Highly Stretchable Multi-Layer Structures Utilizing Controlled Cracking, 9th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Essen, Deutschland (2022).
  Philipp Kowol
  
• Strain relief by controlled cracking in highly stretchable multi-layer composites. Extreme Mechanics Letters, 54, 101724.
  Kowol, Philipp; Bargmann, Swantje; Görrn, Patrick & Wilmers, Jana
  
• Strain relief by controlled cracking of stretchable multi-layer polymer structures, 11th European Solid Mechanics Conference, Galway, Irland (2022).
  Philipp Kowol
  
• Controlled Cracking for Strain Relief in Highly Stretchable Multi-Layer Polymer Structures, 22nd GAMM Seminar on Microstructures, Wien, Österreich (2023).
  Philipp Kowol
  
• Delamination Behavior of Highly Stretchable Soft Islands Multi-Layer Materials. Applied Mechanics, 4(2), 514-527.
  Kowol, Philipp; Bargmann, Swantje; Görrn, Patrick & Wilmers, Jana
  
• Discontinuities in polymer-based composites: Interfaces and (controlled) cracking, 14th International Symposium on Continuum Models and Discrete Systems, Paris, Frankreich (2023).
  Jana Wilmers
  
• Python code for modeling multi-layer structures with controlled cracking and delamination. Software Impacts, 17, 100524.
  Kowol, Philipp; Bargmann, Swantje & Wilmers, Jana