Forschung

Hier finden Sie Beschreibungen zu den einzelnen Forschungsvorhaben im Rahmen des InSeL-Projektes.


Festigkeitsoptimierte Al-Basis-Schäume durch gezielte Partikelverstärkung für Leichtbau in Mobilität und Fertigung

Pierre Kubelke, Hochschule Pforzheim

Das genannte Teilprojekt beinhaltet die schmelzmetallurgische Herstellung, mikrostrukturelle Untersuchung/ Optimierung sowie mechanische Charakterisierung von offenporigen partikelverstärkten Al-Basis-Schäumen. Bei den partikelverstärkten Al-Basis-Legierungen handelt es sich um sog. MMCs (Metal Matrix Composites, dt. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe), die aus spröden keramischen Partikeln und einer duktilen Al-Basis-Matrix bestehen. Durch die Eigenschaftskombination der beiden Materialien sollen als offenporige Schäume Werkstoffstrukturen mit möglichst hoher spezifischer Festigkeit/ Steifigkeit und optimierter Mikrostruktur erzeugt werden.

Der erste Schritt des dreijährigen Projektes beinhaltet die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung der MMCs. Im zweiten Schritt wird ein Prozess zur schmelzmetallurgischen Herstellung und Wärmbehandlung der MMC-Schäume entwickelt. Im dritten und letzten Schritt erfolgt die mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung der erzeugten MMC-Schäume.


Effizienzsteigerung dynamisch beanspruchter Bauteile durch den Einsatz von mikrostrukturell optimierten Stahlschäumen

Jan Frömert, Hochschule Pforzheim

Eine Vielzahl von Bauteilen z.B. im Bereich der Werkzeugmaschinen und im Karosseriebau sind dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Durch die Frequenzerhöhung in der modernen Fertigung und dem Ziel der Gewichtsersparnis nehmen die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe weiter zu. Dies führte zur Entwicklung von hochfesten Stählen mit guter Duktilität durch TRIP- und TWIP-Effekt.

Ziel dieses Projektes ist die Anwendung dieser Mechanismen auf offenporige Stahlschäume. Der Fokus liegt hierbei auf der Erzeugung verschiedener Mikrostrukturen in konventionellen Stählen durch den Einsatz innovativer Wärmebehandlungsverfahren. Dies ermöglicht die Entwicklung eines auf den Anwendungsfall optimal angepassten Gefüges bestehend aus angelassenem und frischem Martensit, metastabilem Austenit und ausgeschiedenen Karbiden. In Kombination mit offenporigen Schaumstrukturen können somit eine hohe Bandbreite an Eigenschaften mit nur einem Werkstoff abgedeckt werden.

Im ersten Schritt des Projektes soll eine geeignete Wärmebehandlung im Festkörper untersucht und das resultierende Gefüge charakterisiert werden. Im zweiten Schritt folgt die Herstellung von offenporigen Stahlschäumen und die Anwendung der Wärmebehandlung auf diese. Ein Schwerpunkt bildet die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei mechanischer Belastung (TRIP-Effekt).


Schmelzmetallurgische Synthese von Mg2X für die thermoelektrische Werkstoffentwicklung

Johann Heimann, Hochschule Pforzheim

Im Bereich der thermoelektrischen Generator (TEG) stellen Werkstoffe auf Basis von Magnesiumsiliciden, mit der intermetallischen Verbindung Mg2SixSn1-x, eine überaus vielversprechende Lösung in einem erhöhten Temperaturbereich dar. Eine mögliche Herstellungsmethode für Magnesiumsilicide bietet die Schmelzmetallurgie, die jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden ist. Hierzu zählt insbesondere der Unterschied zwischen der Schmelztemperatur von Silicium (?kf ? 1.414 °C) und der Siedetemperatur von Magnesium (?fg ? 1.090 °C), der durch Abdampfverlusten zu einer undefinierten Stöchiometrie führt.

In diesem Teilprojekt soll daher mit einer Zerlegung des Prozesses in Teilschritte das Verdampfproblem entgegengewirkt werden. Nach der Herstellung unterschiedlicher offenporiger Silizium-Schaumstrukturen soll daraufhin, durch eine gezielte diffusionsgesteuerte Synthese in einer schmelzflüssigen Mg2Sn1-x Umgebung ?fg < 1.090 °C, die gewünschte intermetallische Verbindung in der erforderlichen Stöchiometrie erzeugt werden.


Herstellung von Polymer-Metall Hybridschäumen

Robert Schmidt, Karlsruher Institut für Technologie

Dem Gedanken der Hybridisierung folgend, sollen verschiedene Möglichkeiten für interpenetrierende Schaummaterialien aus Metall und Polymer untersucht werden, die als co-kontinuierliche Phase vorliegen. Hierbei handelt es sich um einen Materialverbund aus offenporigem Metallschaum und eingebettetem Polymerschaum. Diese Schäume unterscheiden sich dabei in ihrer Rohdichte stark.

Neben der geeigneten Materialauswahl hinsichtlich Matrixmaterial, Porengröße und Kompatibilität steht die Weiterentwicklung des Herstellungsverfahrens und der Grenzflächen im Vordergrund. Dazu wird eine aus der Kunststoffverarbeitung bekannte Technologie adaptiert und weiterentwickelt. Weiterhin sollen die Eigenschaften der hybriden Schaummaterialien auf ihre Leistungsfähigkeit evaluiert und mit verfügbaren etablierten Systemen verglichen werden. Diese Materialkombination soll eine Grundfestigkeit aus der Stützstruktur sowie eine Schwingungsreduzierung durch die infiltrierte Struktur bieten.


Herstellung und Ermittlung der mechanischen Kennwerte von Sandwichstrukturen auf Basis optimierter Al-Schaum-Strukturen

Yuhao Wang, Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

Modellierung zellulärer metallischer Verbundwerkstoffe

  • Optimale Haftung der Materialien untereinander durch Festlegung geeigneter Kleber- bzw. Matrixsysteme
  • Vermeidung der elektrochemischen bzw. galvanischen Korrosion durch geeignete Kopplung zwischen der Schaumstruktur und den Fasern
  • Festlegung geeigneter Herstellverfahren unter Berücksichtigung der zuvor angesprochenen Punkte


Herstellung zellulärer metallischer Verbundwerkstoffe

  • Variation von Herstellverfahren und Materialien


Charakterisierung der zellulären metallischen Verbundwerkstoffe

  • Herstellung von Demonstrator-Bauteilen in Zusammenarbeit mit den industriellen Kooperationspartnern
  • Vergleich und Ranking gegenüber vorhandenen Sandwichmaterialien


Phasenfeldsimulation der mechanischen Eigenschaften von Hybridschäumen

N. N., Karlsruher Institut für Technologie

Für Hybrid-Metallschäume soll in Simulationen der Infiltrationsprozess optimiert werden, indem die Trägerstruktur des Metallschaums gezielt ausgelegt wird. Durch die Kombination der Materialmodellierung (Phasenfeldmodellierung) mit elasto-plastischen Modellen soll die charakteristische Spannungsverteilung innerhalb der heterogenen Gefüge bestimmt werden. In Simulationsstudien zu Hybridschäumen soll das Dämpfungsverhalten in den heterogenen Gefügen für verschiedene Metallschaumstrukturen (Porendichte, Steggeometrie, Partikelkenngrößen) und Materialverbünde (Grenzflächen-/ Haftungseigenschaften, Elastizitätskonstante und plastische Fließgrenzen) untersucht werden.

Auf der Grundlage der systematischen Simulationsstudien mit Variation der mikrostrukturellen Kenngrößen und Prozessbedingungen sollen Korrelationen zwischen der zellularen Struktur, dem Gefüge und den Schaumeigenschaften hergeleitet werden. Für die 3D Analyse der Simulationsdaten zur Bestimmung von Mikrostruktureigenschaften werden Algorithmen auf der Grundlage der Hauptkomponentenanalyse umgesetzt.

Mit den Methoden sollen Nachbarschaftszusammenhänge innerhalb der Erstarrungsstrukturen der Stege sowie für die Charakterisierung der Porosität angewendet werden. Über eine Datenschnittstelle können die Analyseverfahren sowohl für experimentelle als auch simulierte Datensätze angewendet werden. Aus den Ergebnissen lassen sich als Unterstützung der experimentellen Materialsynthese Designvorschläge für den Aufbau der Hybrid-Metallschäume mit möglichst dichter Füllung und kompaktem Materialverbund ableiten. Weiterhin können optimale Prozessführungsbedingungen für die Infiltration berechnet werden.


Mikrostruktursimulation der Erstarrungsprozesse in DisH-Schäumen

N. N., Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

Die am IMP entwickelte Phasenfeldmodellierung gekoppelt mit Stoff- und Wärmetransport sowie Strömung in Fluidphasen erlaubt die Simulation von Erstarrungsprozessen in mehrkomponentigen Legierungen. Die Materialmodelle müssen zunächst auf die thermodynamischen Energiefunktionen und materialspezifischen Eigenschaften von DisH Schäumen angepasst werden. Weiterhin sollen flexible Algorithmen zur Generierung dreidimensionaler Trägerstrukturen mit variablen Phasenanteilen, Porengrößenverteilungen, Poren- und Stegformen umgesetzt werden.

Die an der HsKA entwickelte Simulationssoftware Pace3D ist durch parallele Lösungsalgorithmen für die effiziente Nutzung moderner Hochleistungsrechner umgesetzt. Auf diese Weise können in großskaligen Simulationen große Ausschnitte der zellulären Mikrostrukturausbildung berechnet und vorausgesagt werden. Um die Festigkeit von DisH-Schäumen zu erhöhen und die mechanischen Eigenschaften kontrolliert einzustellen, sollen durch Simulationen des Erstarrungsprozesses möglichst homogene und gradierte Verteilungen der Keramikpartikel innerhalb der Metallstruktur erreicht werden. Die Materialsimulationen zu DisH Schäumen berücksichtigen die Hydrodynamik der Metallschmelze und können Strukturparameter und Benetzungseigenschaften zur Vermeidung von Partikelanhäufungen identifizieren.

Die Materialmodelle ermöglichen die Auflösung der einzelnen Keramikpartikel und berechnen die Dynamik der Partikel in der Metallschmelze. Parameterstudien erlauben die Vorhersage der Verteilung der Keramikpartikel abhängig von folgenden System- und Prozessgrößen: (i) Anteil keramischer Festkörperpartikel, (ii) Partikelform und -größe, (iii) Grenzflächeneigenschaften zwischen Partikeln und Metallstruktur.


Modellierung der Gasblasendynamik bei der Entstehung von Polymerschäumen

N. N., Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

In Mikrostruktursimulationen soll die Gasblasenentstehung und -ausbreitung in der wässrigen Tensid-Polymer-Lösung zur Ausbildung monodisperser Polymerschäume berechnet und untersucht werden. Basierend auf thermodynamischen Phasendiagrammen soll zunächst ein neues Materialmodell zur Beschreibung der Phasenumwandlung zur Bildung der Gasphase entwickelt werden. Die Modellformulierung soll Dichteunterschiede, Oberflächeneigenschaften und Temperaturabhängigkeit berücksichtigen.

Die Methoden werden an einfachen Konfigurationen einzelner Gasblasen mit theoretischen Gesetzen und experimentellen Beobachtungen validiert. Für Tensid-Polymer-Lösungen sollen Simulationen der Gasblasenbildung mit Variation der Materialeigenschaften (Oberflächenspannung und Dichte) durchgeführt und die Wirkung auf die Gasblasenanordnung und anschließenden Porenstruktur analysiert werden.

Die Modellierungsmethoden können zunächst die Bildung von Gasblasen abbilden und darauf aufbauend die Propagation der Gasblasen in der wässrigen Lösung beschreiben. In weiterführenden rechnerbasierten Forschungsarbeiten soll der Einfluss prozessspezifischer Größen (Temperatur und geometrische Positionen der Gaseinbringung) auf die Porenstrukturbildung und Gefügeeigenschaften ermittelt werden.


Materialsynthese monodisperser Polymerschäumen durch den Einsatz von Tensiden

N. N., Hochschule Reutlingen

Zur Erzeugung definierter, stabiler Polymerschaum-Template für die Metallschaumherstellung ist es notwendig eine stabile Schaumstruktur zu generieren. Dies wird durch in situ-Vernetzung von Polymeren erreicht, die bei der Schaumbildung neben den Tensiden zu dem Schaum beigemischt werden. Dieser Arbeitsschwerpunkt ist fokussiert auf die Definition geeigneter Polymere, und die Entwicklung eines direkten Polymerisationsverfahrens zur Bildung der Polymerschäume. Als Tenside werden nichtionischen und anionischen mikrobiologisch hergestellte Glycolipide benutzt.

Wichtige Fragestellungen für die Materialauswahl sind die Produktreinheit und der Gehalt an funktionellen Gruppen in den hydrophilen und hydrophoben Molekülanteilen. Für Tensid-Polymer- Lösungen sollen Simulationen der Gasblasenbildung mit Variation der Materialeigenschaften (Oberflächenspannung und Dichte) durchgeführt und die Wirkung auf die Porenstruktur analysiert werden.

Die Modellierungsmethoden können zunächst die Bildung von Gasblasen abbilden und darauf aufbauend die Propagation der Gasblasen in der wässrigen Lösung beschreiben. In weiterführenden Arbeiten soll der Einfluss prozessspezifischer Größen auf die Porenstrukturbildung und Gefügeeigenschaften ermittelt.


Stability of Single Foam Lamellas

Alexander Wilsdorf, Hochschule Reutlingen

Foam is a dispersion of gas in another medium. It consists of gas bubbles that are separated with thin lamellas. The properties of these usually very thin lamellas govern the stability of the whole foam. Especially, in the case of the liquid foams, which will be used to form polymer foams as templates for the solid foams their role is enormous. The stability of the single lamellas regulates the short-term stability of the foams. The permeability of gas between the bubbles is important for the long-term stability of the liquid and polymer foams.


We have unique experimental set-up, which allows the stability and the permeability of the single foam lamellas to be measured. We will present the set-up and the tests, which can be performed. The first group of results will be summarised. An outlook of the future experiments relevant to the aim of the InSeL project will be presented.


Charakterisierung von Schaumstrukturen

N. N., Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen

Das NMI betreibt anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften. Der Fachbereich Biophysikalische Physik besteht aus einem interdisziplinären Spezialisten-Team bestehend aus Chemikern, Physikochemikern und Biologen. Forschungsschwerpunkt ist das Verständnis des Kontakts zwischen Implantat-Oberflächen und biologischen Geweben.


Das Ziel des Fachbereichs ist die Entwicklung neuartiger Biomaterialien auf Basis von Polymer-Schaumstrukturen. Der Fachbereich verfügt über einzigartige experimentelle Techniken und Knowhow in der Charakterisierung einzelner Schaumlamellen. Die Forschung ist dabei eng mit der Bearbeitung verschiedener industrierelevanter Themen verbunden.


Es ist geplant die vorhandenen Techniken zu verwenden, um einzelne Schaumfilme zu analysieren und neuartige Polymer-Schaumstrukturen zu entwickeln. Die einzelnen Schaumfilme bilden die Grundelemente eines Schaumstoffs und über ihre Stabilität und Durchlässigkeit lässt sich der Aufbau von wässrigen Schäumen gezielt steuern.


Einsatz von Biotensiden zur Herstellung von Polymerschäumen


N. N., Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik II Technische Biologie

Ausgewählte mikrobiell und enzymatisch hergestellte Biotenside sollen zur Herstellung von Polymerschäumen eingesetzt und dabei mit bisher verwendeten chemischen Tensiden verglichen werden. Dafür sollen am Institut vorhandene unterschiedliche nichtionische und anionische Glycolipide und Alkylpeptide sowohl in reiner Form als auch als Produktgemische eingesetzt werden.

Nach einem Screening auf grundsätzlich zur Polymerschaumbildung geeignete Verbindungen mit Charakterisierung der Eigenschaften sind interessierende Fragestellungen u.a. die Bedeutung der Produktreinheit für die Polymerschaumbildung, der Einfluss der chemischen Strukturen der und Funktionalitäten in den hydrophilen und hydrophoben Molekülanteilen, und bei den gezielt aus Reinsubstanzen enzymatisch hergestellten Verbindungen der Einfluss unterschiedlicher Kettenlängen der hydrophoben Molekülanteile.


Weiter untersucht werden sollen bei Kombination von Biotensiden und chemischen Tensiden mögliche synergistische Effekte bei der Polymerschaumbildung. Die am besten zur Tensidschaumbildung geeigneten Verbindungen sollen im Labormaßstab in der erforderlichen Reinheit hergestellt und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt werden.

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