Schlüsselfragen

Das beantragte Clusterprojekt addressiert Schlüsselfragen der biologischen Transformation über zwei Themenfelder, die im Vorfeld der Antragsstellung durch das BiTWerk-Konsortium identifiziert und ausgewählt wurden: „Biologische Transformation über neuartige molekulare, mikro- und nanopartikuläre Systeme“ und „Biologische Transformation über robuste Herstellprozesse zur Realisierung granularer und gradierter Strukturen auf Basis monolithischer Werkstoffe“.

Die Endlichkeit vieler Ressourcen, steigende Rohstoffpreise und Förderkosten, wie auch Umwelt- und soziale Belastungen sind nur einige der Probleme, die im Zusammenhang mit dem Abbau, der Verarbeitung und der Entsorgung von Rohstoffen anfallen. Die Biologisierung technischer Werkstoffe soll dazu beitragen diese Herausforderungen zu meistern. Schlüssel zur Zielerreichung ist höchste Funktionenintegration bei gleichzeitig nachhaltiger Werkstoffgestaltung.

Die Hypothesen sind:

• Die Integration möglichst vieler Funktionen durch molekulare, Nano- und Mikrokomponenten in Werkstoffen ermöglicht völlig neuartige Werkstoff- oder Systemeigenschaften und Funktionen. Die Funktionen sind dabei – wie in der Natur – integraler Bestandteil der Werkstoffe und der daraus hergestellten Bauteile. Die Herstellung vieler Einzelkomponenten mit individuellen Funktionen wird vermieden und damit der ökologische Fußabdruck verkleinert.
• Die durchgängige Nutzung von digitalen Zwillingen verbessert das Werkstoffverständnis und beschleunigt die Entwicklung sowohl der neuen Werkstoffklassen als auch der Funktionen. Insbesondere die über mehrere Skalen hinweg relevanten Strukturmerkmale sind nur mit moderner Datenverarbeitung erfassbar.
• Unterschiedliche Klassen von Eigenschaften (z.B. magnetische, mechanische, optische, elektrische) werden innerhalb eines Werkstoffs und Bauteils realisiert und nicht getrennt voneinander. Methoden zur Modellierung und Simulation müssen demzufolge auch eine Kopplung verschiedenster Modellklassen zur Abbildung dieser komplexen Zusammenhänge ermöglichen.
• Langfristig wird es möglich sein, partikuläre Funktionssysteme und deren Trägerwerkstoffe in einen Werkstoffkreislauf zu überführen. In diesem Werkstoffkreislauf sollen, ähnlich einem biologischen Stoffkreislauf, die auf Basis vieler einzelner Rezepturbestandteile entstandenen Funktionen zunächst genutzt und die Rezeptur anschließend wieder zerlegt werden, um die Ausgangsrohstoffe für eine weitere Nutzungsphase zur Verfügung zu stellen.

Alternativ zum ersten Ansatz ist der Einsatz von „einfachen“ Werkstoffen möglich, d.h. monolithischen Materialien (Materialien einer gleichen Stöchiometrie / chemischen Zusammensetzung), die sich allein durch Unterschiede in ihrem lokalen nano- und mikrostrukturellen Aufbau („Gradientenwerkstoffe“) mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen darstellen lassen. Unabhängig vom angestrebten Lösungsweg bedarf es hierzu eines tiefgreifenden Verständnisses der Zusammenhänge zwischen der inneren Struktur (der Mikrostruktur/dem Gefüge) von Materialien, deren gezielter Veränderung sowie der hieraus letztendlich resultierenden Eigenschaften über den gesamten Lebenszyklus.

Die Hypothesen sind:

• Unter Verwendung geeigneter monolithischer Materialien lassen sich bereits im Herstellprozess, so z.B. über die additive Fertigung, und/oder eine geeignete Nachbehandlung der Oberflächenbereiche hochgradig funktionale Komponenten und Strukturen realisieren. Gerade der Einsatz smarter Materialien erlaubt hierbei große Varianzen in den erzielbaren lokalen Eigenschaften.
• Durch die Oberflächennachbehandlung über die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie lassen sich bislang nicht realisierbare Oberflächenzustände einstellen. Unter Kenntnis aller relevanten Einflussgrößen, z.B. beschrieben über Grey-Box-Modelle, lassen sich die Gradierungsgrade der Randzone gezielt in weiten Bereichen einstellen.
• Die Granularität der Strukturinformationen dieser gradierten Werkstoffe lässt sich mit den modernen Methoden der Werkstoffanalytik skalenübergreifend erfassen und kann über geeignete Modelle, physik- und datenbasiert, in optimaler Weise abgebildet und im Sinne digitaler Zwillinge nutzbar gemacht werden.
• Über die Informationen zur Granularität der Strukturinformationen lassen sich werkstoffhauptgruppenübergreifend Konzepte zur Auslegung gradierter Strukturen identifizieren, welche u.a. über Verfahren der additiven Fertigung direkt umsetzbar sind.