Optimierung der mechanischen Eigenschaften von BIO-gewonnenen Epoxidharzen durch künstliche Intelligenz - Wenn aufstrebende Technologien und nachhaltige Entwicklung Hand in Hand zusammenarbeiten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Pfaller; Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505866713

Das Ziel von BIO ART ist die Entwicklung neuer Epoxidharze (EP) auf Basis nachwachsender Rohstoffe ohne Bisphenol A, welches für Mensch und Umwelt als toxisch eingestuft wird. Ein besonderes Alleinstellungsmerkmal von BIO ART ist die Kombination von „grüner Chemie“ mit neuartigen Ansätzen zur Simulation (Multiskalenmodellierung & künstliche neuronale Netzwerke) sowie der Überführung in faserverstärkte Kunststoffe für Leichtbauanwendungen. Im Gegensatz zu rein experimentellen oder rein numerischen Ansätzen integriert BIO ART Simulationen und Experimente auf Längen- und Zeitskalen, die von der atomaren Ebene bis zur makroskopischen Skala reichen. Das Projekt trägt zur Beantwortung folgender offener Fragestellungen bei: i) Molekülsynthese ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen und Naturfasern mit wettbewerbsfähigen Eigenschaften, ii) Multiskalen-Modellierung von EP einschließlich der makromolekularen Netzwerktopologie, iii) Optimierung der Formulierungen durch künstliche neuronale Netzwerke und iv) erweiterte mechanische Charakterisierung sowie Verarbeitung zu Faserkunststoffverbunden. Das BIO ART-Konsortium besteht aus vier Partnern mit Kompetenz in der Synthese und Charakterisierung von Biopolymeren (ICMPE/FR), in der Mikrostrukturgenerierung und Modellierung auf Basis künstlicher neuronaler Netze (MSME/FR), in der Multiskalenmodellierung und diskret-kontinuierlicher Kopplungsverfahren (FAU/DE) sowie in der Kompositverarbeitung und Werkstoffprüfung (UBT/DE). BIO ART ist in 5 Arbeitspakete unterteilt: AP1: Synthese von bio-basierten EP, AP2: Charakterisierung von biobasierten EP, AP3: Multiskalenmodellierung, AP4: Optimierung der EP-Formulierung durch künstliche neuronale Netze sowie AP5: Kompositverarbeitung und -charakterisierung. Diese sind so konzipiert, dass sie innerhalb von 3 Jahren durch drei kollaborierende Doktoranden bearbeitet werden können. Ein Techniker unterstützt den experimentellen Doktoranden bei der Verarbeitung und Charakterisierung. Darüber hinaus werden die Nachwuchswissenschaftler vom gesamten Konsortium aktiv zur Erreichung der Projektziele unterstützt. Die in BIO ART zur Anwendung kommenden Methoden sind auf dem neuesten Stand der Technik, basieren auf aktuell veröffentlichten Forschungsergebnissen und profitieren von den starken Interaktionen mit laufenden Projekten der kooperierenden BIO ART-Partner. Insbesondere reichen die experimentellen und numerischen Methoden von der atomaren Ebene (Molekülsynthese, Molekulardynamik-Simulationen) über mesoskalige (Aushärtungsprozess, Netzwerkcharakterisierung, und -modellierung) bis hin makroskaligen Betrachtungen (bruchmechanische Eigenschaften, kontinuumsmechanische Simulationen). Dieser multidisziplinäre wissenschaftliche Ansatz von BIO ART zielt darauf ab das Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu verbessern sowie biobasierte Kunststoffmaterialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln und für industrielle Anwendungen verfügbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Fabrice Detrez; Professorin Dr. Válerie Langlois; Professorin Dr. Estelle Renard; Professor Dr. Agustín Ríos; Professor Dr. Julien Yvonnet