UPSCALE - Uniform Polyhedra Structures as Cosserat-type Architected Lattice matErials: Theoretische Grundlagen, additive Fertigung und Validierung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Christina Völlmecke
• Subject Area: Mechanik
• Term: since 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 543895078

In diesem Projekt stellen wir eine neue Unterklasse von architectured materials vor, insbesondere Gitterstrukturen, die auf starren, gleichförmigen Polyedern basieren. Die starren Elemente innerhalb dieser Strukturen sind durch elastische Verstrebungen miteinander verbunden und bieten eine chirale und antichirale mechanische Reaktion. Durch die strategische Kombination von elastischen Gliedern unterschiedlicher Form, z. B. zylindrischer und hyperbolischer Form, wollen wir mechanische Metamaterialien mit unkonventionellen Eigenschaften herstellen, wie z. B. auxetisches Verhalten, Torsions-Kompressions-Dehnungs-Kopplung, Lokalisierung akustischer Wellen und die Schaffung topologischer Bandlücken. Das Hauptziel dieses Vorschlags ist die Entwicklung einer mikropolaren (Cosserat-Typ) Theorie für mechanische Metamaterialien, die auf einheitlichen Polyedern basieren, die durch chirale und antichirale Verbindungen miteinander verbunden sind. Es werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Das diskrete Modell hilft bei der Vorhersage der mechanischen Reaktion der einzelnen Glieder. Anschließend werden die Ergebnisse des diskreten Modells in die Entwicklung des mikropolaren Kontinuumsmodells einfließen, das die Beschreibung des Materialverhaltens auf der Makroskala ermöglicht. Die theoretischen Modelle werden mit Finite-Elemente-Simulationen verglichen, die sowohl mit kommerzieller Software als auch mit selbst entwickelten Codes durchgeführt werden. Die computergestützte Analyse wird außerdem zum Entwurf von Topologien für verschiedene polyedrische Metamaterialien beitragen, die sich durch ausgeprägte auxetische und chirale mechanische Reaktionen auszeichnen. In weiteren Schritten werden diese optimierten Topologien zur Herstellung von Probekörpern mit verschiedenen 3D-Drucktechnologien verwendet. Die am besten geeignete Technologie wird ausgewählt, um Probekörper für experimentelle Druckprüfungen herzustellen, die durch eine Verformungsanalyse mittels digitaler Bildkorrelation ergänzt werden. Letztendlich werden die Ergebnisse der Labortests den Ergebnissen der analytischen Modellierung und der Computersimulationen gegenübergestellt. Der vorgeschlagene Zeitplan für dieses Vorhaben erstreckt sich über 36 Monate und erfordert eine kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen deutschen und israelischen Forschern in den Bereichen Theorie, Berechnung und Experiment. Zur Durchführung dieses vielschichtigen Projekts werden insgesamt drei Doktoranden und zwei studentische Hilfskräfte von den kooperierenden Einrichtung benötigt.

• DFG Programme: Sachbeihilfen
• International Connection: Israel
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfgang H. Müller
• ausländischer Mitantragsteller: Dr. Igor Berinskii