Forschung
Biologische Transformation
BiTWerk nähert sich den Herausforderungen biologischer Transformation über zwei Themenfelder an: „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.
Bild: Paavo BlafieldWir gehen davon aus, dass:
- die Integration möglichst vieler Funktionen durch molekulare, Nano- und Mikrokomponenten in Werkstoffen völlig neuartige Werkstoff- oder Systemeigenschaften und Funktionen ermöglicht. 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 das Werkstoffverständnis verbessert und die Entwicklung sowohl der neuen Werkstoffklassen als auch der Funktionen beschleunigt. Insbesondere die über mehrere Skalen hinweg relevanten Strukturmerkmale sind nur mit moderner Datenverarbeitung erfassbar.
- unterschiedliche Klassen von Eigenschaften (z.B. magnetische, mechanische, optische, elektrische) innerhalb eines Werkstoffs und Bauteils realisiert werden und nicht getrennt voneinander. Methoden zur Modellierung und Simulation müssen demzufolge auch eine Kopplung verschiedenster Modellklassen zur Abbildung dieser komplexen Zusammenhänge ermöglichen.
- langfristig möglich sein wird, 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.
Ergänzend zur Funktionenintegration blicken wir ebenso auf den Einsatz von „einfachen“ Werkstoffen, 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.
Bild: Paavo BlafieldDiesen Ansatz verfolgend nehmen wir an, dass:
- unter Verwendung geeigneter monolithischer Materialien sich bereits im Herstellprozess, so z.B. über die additive Fertigung, und/oder eine geeignete Nachbehandlung der Oberflächenbereiche hochgradig funktionale Komponenten und Strukturen realisieren lassen. Gerade der Einsatz smarter Materialien erlaubt hierbei große Varianzen in den erzielbaren lokalen Eigenschaften.
- durch die Oberflächennachbehandlung über die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie sich bislang nicht realisierbare Oberflächenzustände einstellen lassen. 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 sich mit den modernen Methoden der Werkstoffanalytik skalenübergreifend erfassen lässt und über geeignete Modelle, physik- und datenbasiert, in optimaler Weise abgebildet und im Sinne digitaler Zwillinge nutzbar gemacht werden kann.
- über die Informationen zur Granularität der Strukturinformationen sich werkstoffhauptgruppenübergreifend Konzepte zur Auslegung gradierter Strukturen identifizieren lassen, welche u.a. über Verfahren der additiven Fertigung direkt umsetzbar sind.