Impact resistant hierarchically structured materials based on fruit walls and nut shells

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek; Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck; Professor Dr. Thomas Speck
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128634082

Frucht- sowie Nuss- und Samenschalen weisen typischerweise eine Vielzahl von Funktionen auf. Eine dieser Funktionen besteht in dem direkten oder indirekten Schutz der Samen vor mechanischen Beschädigungen oder anderen Umwelteinflüssen. Diese biologischen Strukturen bieten sich somit als konzeptionelle Vorbilder für die Entwicklung von neuen Materialien und Komponenten zum Schutz von Gefahrengütern und/oder Personen, beispielsweise vor Schädigung durch unsachgemäße Handhabung oder Unfälle, an. Unser Ziel ist es, inspiriert durch die für Impact und/oder Durchschlagschutz relevanten Eigenschaften und Prinzipien dieser Vorbilder, eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Metallschwamm-basierter Bauteile durch die Modifizierung deren Struktur auf den einzelnen hierarchischen Ebenen zu erreichen, anstatt, wie bisher, durch die Anpassung der Eigenschaften des Basismaterials. Dafür wurden verschiedene Untersuchungsmethoden etabliert, welche mechanische Prüfungen mit verschiedenen bildgebenden Verfahren kombinieren. Hierdurch konnten verschiedene strukturelle Hierarchien identifiziert werden, welche von besonderer Bedeutung für die mechanischen Verformungs- und Versagenseigenschaften der biologischen Vorbilder sind. Diese Hierarchien wurden abstrahiert und die strukturellen Prinzipien in hierarchisch strukturierte, bio-inspirierte Metallschwämme umgesetzt. Nach erfolgreicher Herstellung der ersten metall-basierten bio-inspirierten Strukturen mittels Feingießverfahrens in der ersten Projektphase, wurde der Herstellungsprozess in den letzten zwei Jahren weiter modifiziert und optimiert um komplexere und besser reproduzierbare Strukturen realisieren zu können. Dabei wurden diverse einzelne und kombinierte hierarchische Strukturen in technische Bauteile implementiert und die auftretenden Gussfehler weiter reduziert. Die strukturellen Eigenschaften wurden mit vergleichbaren Untersuchungsmethoden und mechanischen Prüfverfahren evaluiert, welche auch auf die biologischen Vorbilder angewendet wurden. Für die beantragte Projektphase 3 wollen wir diese Ziele weiter verfolgen und dadurch ein noch tieferes Verständnis der Form-Struktur-Funktions Zusammenhänge der biologischen Vorbilder erlangen. Dies geschieht sowohl auf weiteren, höheren Hierarchieebenen als auch ebenenübergreifend. Die Form-Struktur-Funktions Zusammenhänge werden anschließend abstrahiert und anhand von bio-inspirierten Matallschwämmen und schwammbasierten Verbundstrukturen umgesetzt, mit dem Ziel verbesserte Dämpfungseigenschaften und Schlagfestigkeit zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Beteiligte Person: Dr. Robin Seidel