Funktionale Werkstoffsysteme
Verdichterschaufeln einer Flugzeugturbine aus einer vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht patentierten Titan-Aluminid-Legierung
Immer mehr Menschen mit einer immer höheren Lebenserwartung verbrauchen immer mehr fossile Brennstoffe, Rohstoffe und andere natürliche Ressourcen. Dies bringt enorme Herausforderungen mit sich. Eine für die Gesellschaft leistbare Mobilität erfordert die Entwicklung Ressourcen schonender und energiesparender Fertigungsverfahren. Die Gestaltung eines Gesundheitswesens, das gleichzeitig eine hohe Lebensqualität im Alter gewährleistet und von der Gesellschaft finanzierbar ist erfordert Implantate, die den Körper bei der Heilung unterstützen und ansonsten verlorene Funktionen dauerhaft wieder herstellen.
Sowohl für die Meisterung dieser Herausforderungen als auch für die Verbesserung der ökologischen Bilanz von Prozessketten und Stoffkreisläufen spielt die Entwicklung von Technologieplattformen auf der Grundlage neuartiger Werkstoffsysteme eine entscheidende Rolle, denn viele der notwendigen Innovationen basieren auf der Verwendung neuer Materialien.
Im Rahmen des Helmholtz-Programms „Funktionale Werkstoffsysteme“ werden neue Werkstoffe entwickelt, die in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Diese generische Eigenschaft macht die entwickelten Materialien zum Schlüssel für neue Systemlösungen mit vielseitig hohem Wertschöpfungspotenzial, die in erster Linie auf die Erfüllung der folgenden Aufgaben ausgerichtet sind:
- Erhöhung der Festigkeit, Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit von Leichtbauwerkstoffen bei möglichst geringem Gewicht
- Verbindung von Werkstoffen auf unterschiedlichen Skalen zu Hybridmaterialien und -strukturen für die Erzielung optimaler mechanischer bzw. multifuktionaler Eigenschaften.
- Ausweitung der Multifunktionalität von Werkstoffen für Energie- und Gesundheitsfragen der Zukunft.
Die Entwicklung solcher Materialien ist eng an methodische und technologische Entwicklungen in folgenden Bereichen gekoppelt:
- Prozesstechnologien zur Herstellung neuartiger Legierungen und Polymere entlang der Prozesskette von der grundlegenden Entwicklung über Up-scaling bis zur Pilot-Anlage.
- Leistungsfähige Analytik chemischer, physikalischer und mechanischer Eigenschaften von molekularer Skala bis zu Bauteilabmessungen
- Skalenübergreifende Computermodelle und Simulationswerkzeuge für Materialdesign und Prozessoptimierung sowie für die Bewertung der Zuverlässigkeit von Leichtbaumaterialien und –komponenten.
Versagenssimulation einer Flugzeugstruktur
Die Anwendungsbereiche sind zahlreich und höchst unterschiedlich: Sie reichen vom Automobil- und Flugzeugbau über Ressourcen schonende chemische Verfahrenstechnik bis hin zur Medizintechnik. Völlig neue Systemlösungen, z. B. für Energie sparende Leichtbaukonstruktionen im Karosserie-, Motoren- und Turbinenbau, für emissionsfreie Antriebe in der Verkehrstechnik, für Ressourcen schonende Trennverfahren für Stoffgemische oder auch für medizinische Implantate werden durch die Entwicklung solcher Werkstoffe und Prozesstechnologien möglich.
Die Arbeit der Forscher konzentriert sich vor allem auf die Entwicklungsbereiche:
Als Antwort auf die Herausforderungen, die sich aus der Hochskalierung von Werkstoffentwicklung und –produktion sowie aus dem Design optimierter Leichtbaustrukturen und Fertigungsprozessen ergeben, werden innerhalb des Helmholtz-Programms "Funktionale Werkstoffsysteme" Forschungsplattformen etabliert. Diese bündeln Forschungsinfrastrukturen und multidisziplinäre Methodenkompetenz in Form koordinierter Einheiten thematisch und machen sie für strategische Projekte mit internen und externen Partnern verfügbar:
- "Magnesium Innovations Centre” (MagIC)
- "Light-weight materials Assessment, Computing, and Engineering Centre” (ACE), im Aufbau 2010-2014
- "Polymer Technology Centre” (PTC), in Planung
Block Copolymer
