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Modellierung und Simulation von Werkstoffverhalten
Wuppertaler Wissenschaftler*innen schließen Forschungsprojekt erfolgreich ab

Weltweit entwickeln Materialwissenschaftler*innen neuartige Hochleistungsmaterialien mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften, wie etwa besonders feste Leichtbaumaterialien. Um das Materialverhalten neuartiger Strukturen z. B. unter Krafteinwirkungen vorhersagen zu können, ohne langwierige und kostspielige Tests im Labor durchzuführen, ist es nötig, entsprechende Computermodelle und Simulationsmethoden zu entwickeln. Dies geschieht am Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Swantje Bargmann an der Bergischen Universität Wuppertal. Im Rahmen des Projekts „Multiphysikalische Modellierung und Simulation von Kompositwerkstoffen aus Metall und Polymer auf der Nanoskala“ widmete sich die Arbeitsgruppe seit 2016 Materialien, die aus zwei kontinuierlichen stochastischen Phasen auf der Mikroskala bestehen.

Prof. Dr.-Ing. Swantje Bargmann
Foto Denise Haberger

Gegenstand der Forschungsarbeiten war das mechanische sowie das elektromechanische Materialverhalten solcher Werkstoffe. Es wurde gezeigt, dass der Komposit, d.h. der Verbundwerkstoff, auf ein angelegtes elektrisches Feld mit Verformungen reagiert, die deutlich größer sind als die des reinen nanoporösen Materials, wie auch experimentell gefunden. Ein solches Verhalten bildet die Grundlage für Anwendungen als Aktuator z. B. in der Robotik oder als Sensoren. Simulationen zeigen eine komplexe Beziehung zwischen Struktur, Volumenanteil der einzelnen Phasen und den Verformungs- und Spannungszuständen, die sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes einstellen. Mit steigendem Metallanteil z. B. reduzieren sich die erreichbare Dehnung wie auch die Spannungen im Material. „Bemerkenswerterweise tritt außerdem ein Übergang von überwiegender Druck- zu Zugbelastung im Metall auf. So konnten wir nachweisen, dass die mechanische Antwort des Nanokompositaktuators durch gezieltes Design der Struktur optimiert werden kann“, erklärt Swantje Bargmann. Die Ergebnisse wiesen darüber hinaus eine zuvor unbekannte Eigenschaft von bestimmten hohlen Strukturen nach.

Wuppertaler Studierende wurden in das Forschungsprojekt eingebunden, um ihnen die Möglichkeit zu geben, zu einem frühen Zeitpunkt im Studium in aktuelle Forschungsarbeiten reinzuschnuppern. Wie erfolgreich das sein kann, zeigt das Beispiel des Maschinenbaustudenten Vincent Blümer: Die Ergebnisse seiner Bachelorarbeit, für die er 2019 mit dem Akademischen Nachwuchspreis der Bergischen Uni ausgezeichnet wurde, haben zu einer Veröffentlichung in einer internationalen Fachzeitschrift geführt.

Die Wissenschaftler*innen veröffentlichten zu ihrer Forschung mehrere Beiträge in renommierten internationalen Fachzeitschriften. Die Forschungsarbeiten führten zu vielen Kooperationen im In- und Ausland, u.a. mit der Brown University (USA), Nanyang Technological University (Singapore), Sungkyunkwan University (Südkorea), Montanuniversität Leoben (Österreich), University of Glasgow (UK) und der RWTH Aachen. Im Rahmen des Projektes besuchte eine Doktorandin der University of Cape Town (Südafrika) den Lehrstuhl sowohl im Sommer 2017 als auch im Sommer 2018.

Swantje Bargmann und ihr Team erhielten für ihre Forschung eine Förderung in Höhe von rund 450.000 Euro durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Das Vorhaben war ein Teilprojekt des Sonderforschungsbereiches SFB 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme“.

www.mechanics.uni-wuppertal.de

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Swantje Bargmann
Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik
Telefon 0202/439-2075
E-Mail bargmann@uni-wuppertal.de