Das Projekt

Die Werkstoffforschung hat sich in der Vergangenheit vor allem auf eine hohe Funktionsdichte sowie mechanische Höchstleistungen konzentriert, damit Hochlohnländer konkurrenzfähige Produkte auf dem Weltmarkt anbieten können. In vielen High-Tech-Anwendungen und auch im Rahmen der Energiewende zur Ressourcenschonung und zur Entwicklung nachhaltiger Technologien spielen Hochleistungswerkstoffe eine wichtige Rolle. Diese Werkstoffe stellen bereits bei der Auswahl der Rohstoffe sowie bei der Herstellung des Werkstoffeigenschaftsprofils sehr hohe Anforderungen an den einzelnen Mitarbeiter. In den letzten Jahren ist es gerade im Bereich des menschlichen Einflusses vermehrt festzustellen, dass es zu unvorhersehbarem Versagen solcher Werkstoffe kommen kann. Folgen davon waren u. a. katastrophale Unfälle oder hohe wirtschaftliche Schäden. Die Gründe dafür sind vielfältig und hängen von besonderen stofflichen Eigenschaften der Hochleistungswerkstoffe und von den Belastungen des Werkstoffs ab. Insbesondere bleibt bislang jedoch der Einfluss des Menschen auf die werkstofflichen Eigenschaften und damit auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie die Akzeptanz eines Werkstoffs in der Gesellschaft unberücksichtigt.

Zukünftig wird die beschriebene Problematik von steigender Bedeutung sein, da die Anzahl an Hochleistungswerkstoffen zunimmt und viele Einflussfaktoren durch die Globalisierung an Bedeutung gewinnen. Hier ist u. a. die Herkunft von Rohstoffen zu nennen. Demzufolge soll eine neue einzigartige Teildisziplin im Bereich der Werkstoffforschung an der Universität Kassel entstehen, die ganzheitlich

• Methoden und technisches Know-How schafft, damit Werkstoffe auch im Bereich ihrer Leistungsgrenzen sowie unter diversen äußeren Einflüssen sicher und zuverlässig sind,
• Wechselwirkungen zwischen menschlichem Handeln und Werkstoffeigenschaften erfasst und
• die zukünftige Verfügbarkeit und gesellschaftliche Akzeptanz von Werkstoffen mitberücksichtigt.

Arbeits- und organisationspsychologische Fragestellungen sind bereits seit vielen Jahren im FB Maschinenbau der Universität Kassel verankert. Die dadurch mögliche Berücksichtigung des Faktors Mensch bei technischen Fragestellungen in Forschung und Lehre ist international einmalig. Darauf aufbauend soll dieser Aspekt in diesem Forschungsschwerpunkt weiter ausgebaut und enger an die Werkstofftechnik angebunden werden, u. a. auch durch Kooperationen mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen. Die Universität Kassel hat struktur- und größenbedingt die für dieses ambitionierte Vorhaben erforderliche stark ausgeprägte Kooperationskultur. Im Anschluss an den LOEWE-Schwerpunkt ist zur Weiterführung des Themas ein SFB geplant.

Wissenschaftliche Leitidee und wissenschaftliche Ziele

Leitidee und Vision

Hintergrund der wissenschaftlichen Leitidee ist die auf Höchstleistungen fokussierte Werkstoffforschung, die bei Werkstoffen durch den Einfluss des Menschen immer wieder zu bislang nicht voraussagbarem Versagensverhalten mit verheerenden Folgen führt. Aus diesem Grund sollen erstmals Fragestellungen in die Werkstoffforschung aufgenommen werden, die den Einfluss des Menschen und der Gesellschaft auf Werkstoffe berücksichtigen, um so eine ganzheitliche Betrachtung durchführen zu können. Ein sehr bekanntes Negativbeispiel ist in diesem Zusammenhang der Ausfall von Radsatzwellen von ICE-Zügen, bei denen auf Grund kleinster Fehler in der Werkstoffstruktur durch Verunreinigungen im Stahl und Dauerbelastungen spontanes Werkstoffversagen eintrat. Ähnliche Fälle treten in jüngster Vergangenheit vermehrt auf, weil Werkstoffe im Zuge des Leichtbaus immer mehr bis an ihre Grenzen ausgelastet und aufgrund von Ressourceneffizienz und völlig neuer Rohstoffquellen technische Grenzen immer weiter ausgereizt werden. Diese leistungsorientierten Entwicklungen sind jedoch einseitig, und deren Potential kann nicht sicher und zuverlässig ausgeschöpft werden, wenn der Einfluss des Menschen auf den Werkstoff bei der Werkstoffforschung unberücksichtigt bleibt. Dies gilt sowohl für technische Aspekte als auch für gesellschaftliche Aspekte, wie der Akzeptanz von Rohstoffen und deren Herkunft bis hin zu deren Ab-/Anbaubedingungen. Zudem ist bei der Entwicklung hin zu hochfesten und ultrahochfesten Werkstoffen (üblich: Stähle und Betone) in der Regel eine geringere Schadenstoleranz zu beobachten. Somit wird die Überwachung der Schädigungsentwicklung bis hin in kleinste Gefügestrukturen immer schwieriger. Sowohl im Bereich der auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Werkstoffe (z. B. Biokunststoffe oder SMCs zur Zementsubstitution) als auch im Bereich der Recyclingwerkstoffe (alle Materialgruppen) gelangen immer wieder neue Werkstoffe auf den Markt. Diese unterliegen derzeit noch oft nicht beschreibbaren und vorhersagbaren Eigenschaftsschwankungen und genügen demzufolge nicht den Ansprüchen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Bereits heute ist voraussehbar, dass menschliche Entscheidungen entlang der Wertschöpfungskette moderner Werkstoffe zunehmend durch die folgenden nicht-technischen Fragestellungen geprägt sein werden. So werden in Zukunft die Verfügbarkeit von Werkstoffen, deren gesellschaftliche Akzeptanz und die aus ökologischer Sicht relevanten Randbedingungen entscheidend die Werkstoffentwicklungen mitprägen.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass in der aktuellen Werkstoffforschung bislang keine Methoden etabliert sind, mit denen klare Aussagen über den sicheren und zuverlässigen Gebrauch von Werkstoffen gemacht werden können. Ebenso wird der Einfluss des Menschen und der Gesellschaft auf Werkstoffe derzeit nicht adäquat berücksichtigt. Eine strategische Vorausschau der Verfügbarkeit, Ökologie und Akzeptanz von Werkstoffen ist in der Werkstoffforschung nicht vorhanden. Die Leitidee des LOEWE-Schwerpunkts besteht darin, die erforderlichen Methoden zu entwickeln, mit in die Werkstoffwissenschaft einzubinden und erstmals die Werkstoffforschung mit einer ganzheitlichen, vorausschauenden Sichtweise zu verknüpfen.

Die Vision des Vorhabens ist es, entlang der gesamten Wirkungskette vom Rohstoff bis zum dauerhaften Einsatz des Werkstoffs im Bauteil die Folgen des Handelns vorherzusagen, um erstmals zu zeigen, inwiefern diese Einfluss auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Werkstoffen haben.

Ziele und Struktur

Die klassische Werkstoffforschung ist im Wesentlichen nach Werkstoffgruppen unterteilt, die sich mit spezifischen Fragestellungen des jeweiligen Werkstoffs beschäftigen. Entgegen dieser klassischen Ordnung soll in diesem LOEWE-Schwerpunkt eine enge Zusammenarbeit der verschiedenen Werkstoffgruppen miteinander unter dem Aspekt „sichere und zuverlässige Werkstoffe“ stattfinden. Darüber hinaus werden auch nicht-werkstofftechnische Fachgebiete mit in die Bearbeitung des Schwerpunkts einbezogen, so dass eine bislang einzigartige ganzheitliche Betrachtung der Werkstoffe durchgeführt werden kann.