Intelligente Werkstoffe: DFG fördert zukunftsweisendes Forschungsvorhaben

Formgedächtnislegierungen (FGL) sind Metalle, die sich auch nach einer starken Verformung an ihre ursprüngliche Struktur „erinnern“ und in ihre alte Form zurückkehren können. Zudem ist es möglich, weitergehende Effekte zu nutzen, sogar um Risse in bestehenden Strukturen zu schließen. FGL gehören seit Jahren zu den zentralen Forschungsschwerpunkten von Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, dem Leiter des Fachgebiets Metallische Werkstoffe am Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel und Sprecher der Forschungsgruppe FOR 6001. Bekannte Anwendungsgebiete solcher Metalle reichen von der Medizintechnik, beispielsweise in Form von Stents und Zahnspangen, bis hin zu Aktoren in der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrttechnik. Zudem werden sie bereits in ersten Ansätzen im Bauwesen zur Verstärkung bestehender Bauwerke eingesetzt. 

Während die Forschung bisher meist nur eine einzelne Eigenschaft dieser Spezialmetalle nutzte, kombiniert das Verbundteam nun erstmals verschiedene Effekte. So entstehen neue Eisen-basierte Legierungen, die vielseitiger einsetzbar und deutlich langlebiger sind als bisherige Werkstoffe.

Entwicklung am Computer und Einsatz in der Industrie

Das Forschungsteam nutzt dafür Modelle, um die optimale Zusammensetzung der Metalle vorab am Computer zu berechnen. Diese werden dann im Anschluss direkt im Labormaßstab umgesetzt und über sogenannte Hochdurchsatzcharakterisierungsmethoden bewertet. Praktische Einsatzmöglichkeiten für die neuen Legierungen bieten sich vor allem im Bauwesen, etwa in Strukturen, die Gebäude für eine längere Nutzungsdauer ertüchtigen oder gegen Erschütterungen schützen.

„Mit der gezielten Kombination dieser Materialeigenschaften betreten wir technologisches Neuland“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf. „Durch die DFG-Förderung können wir die Brücke von der Grundlagenforschung im Labor direkt zu maßgeschneiderten Bauteilen für die Praxis schlagen.“

Blick in das Innere der Metalle

Um zu verstehen, wie die Legierungen im Detail reagieren, verknüpft das Projekt die Computermodelle mit hochpräzisen Messverfahren. Die Forschenden durchleuchten die Materialien mit Elektronenmikroskopen und Röntgenstrahlung, um ihre Struktur bis auf die Ebene einzelner Atome zu analysieren. Dass dieser Ansatz erfolgreich ist, zeigte das Kasseler und Freiberger Team erst kürzlich: So entschlüsselten die Wissenschaftler ein bislang unbekanntes Verformungsverhalten in diesen Legierungen. 

Die Forschungsgruppe kann sich an beiden Universitäten auf ausgezeichnete Infrastruktur stützen. So wurde an der Universität Kassel in den vergangenen Jahren eine Reihe einzigartiger Geräte in Betrieb genommen, darunter ein Metall-3D-Drucker, der auch unter Verwendung von Künstlicher Intelligenz und einer der „hellsten“ Laborröntgenquellen der Welt arbeitet. Auf diesen Erkenntnissen bauen die Teams aus Kassel und Freiberg nun auf, um die Werkstoffe gezielt für spätere technische Anwendungen maßzuschneidern. 

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf
Fachgebiet Metallische Werkstoffe
Tel.: +49 561 804-7018
E-Mail: niendorf[at]uni-kassel[dot]de

Was bedeutet das zusammengefasst?

• 4 Millionen Euro DFG-Förderung: Die DFG finanziert die neue Forschungsgruppe FOR 6001 der Universität Kassel (Leitung: Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf) und der TU Bergakademie Freiberg für vier Jahre.
• Neuartige Formgedächtnislegierungen (FGL): Geforscht wird an Eisen-basierten Spezialmetallen, die erstmals mehrere Materialeffekte kombinieren – für langlebigere Bauteile im Bauwesen und Maschinenbau.
• Von der Theorie zur Anwendung: Die Kombination aus Computermodellen, atomgenauer Analytik und KI-gestütztem Metall-3D-Druck verbindet Grundlagenforschung direkt mit der Praxis