Graduiertenkol­leg 2868: D³ - Datengetriebe­nes Design resilienter Metamaterialien

Metamaterialien sind eine neuartige Materialklasse, die sich durch eine rational designte innere Struktur auszeichnet. Diese ermöglicht maßgeschneiderte Eigenschaften für Anwendungen z. B. in den Bereichen Mobilität, Gesundheit und Energie. Mechanische Metamaterialien, d. h. ultraleichte Materialien mit programmierbaren linearen und nichtlinearen Eigenschaften des mechanischen Verhaltens, werden durch fortschrittliche Technologien der Additiven Fertigung (AM) realisiert. Ihre Anwendung in einer Vielzahl von Strukturbauteilen wird jedoch durch prozessbedingte Defekte eingeschränkt. Um ihr Potential voll auszuschöpfen, zielt D³ darauf ab, ihr Versagensverhalten zu verstehen und zu kontrollieren.

Die Schlüsselinnovation von D³ besteht darin, gleichzeitig die Struktur und die lokalen Materialeigenschaften zu designen und zusätzliche Funktionalisierungsschritte zu berücksichtigen, um resiliente, d. h. hochfeste, duktile und schadenstolerante mechanische Metamaterialien zu schaffen. Nachhaltigkeit soll durch die Verringerung der Menge an seltenen Legierungselementen über ein alternatives Prozessdesign für AM erreicht werden. Über den Stand der Technik hinaus wird sich die Forschung im Rahmen von D³ auf neuartige spinodoide Metamaterialien mit bioinspirierten nichtperiodischen Architekturen, maßgeschneiderte Aluminiumlegierungen und fortgeschrittene Binderstrahltechnologien konzentrieren.

Ein Alleinstellungsmerkmal von D³ ist die Nutzung innovativer Multiskalen-Berechnungsmethoden zum Entwurf neuartiger, belastbarer mechanischer Metamaterialien. Die Vision von D³ ist es, einen datengetriebenen Ansatz für die skalenübergreifende Entdeckung und Gestaltung von Materialien zu entwickeln und anzuwenden. Insbesondere werden zielgerichtete, inverse Designverfahren eingesetzt, die auf vorwärts- und rückwärtsgerichteten Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen basieren und Einschränkungen hinsichtlich der Herstellbarkeit beinhalten. Die Forschung zielt sowohl auf die mechanische Leistungsfähigkeit als auch auf die Nachhaltigkeit der neuen Materialien ab. Angesichts der kompositorischen und strukturellen Komplexität der betrachteten Werkstoffarchitekturen und der interagierenden Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit und strukturelle Integrität eröffnet nur die Kombination von Experimenten und Simulationen, die in einem datengetriebenen Rahmen eng miteinander verknüpft sind, die Chance, geeignete Konstellationen hinsichtlich der Material-, Struktur- und Prozessparameter zu identifizieren.