Auxetische Strukturierungskonzepte im makroskopischen Skalenbereich

Wachsende globale Mobilität, eine sprunghafte Zunahme der weltweiten Nachfrage nach Rohstoffen sowie erhöhte ökologische Anforderungen führen zu einem anhaltend steigenden Bedarf an Investitions- und Gebrauchsgütern mit deutlich verbesserter Leistungs-, Energieund Emissionsbilanz. Hier hat die Gewichtseinsparung eine Schlüsselfunktion mit hoher Breitenwirksamkeit, wobei diese nicht mit Einbußen bezüglich mechanischer Effizienz, aktiver und passiver Sicherheit, Schadenstoleranz, Wirtschaftlichkeit und Designfreiheit verbunden sein darf. Auf der Basis von umfangreichen numerischen Untersuchungen ist es gelungen, neuartige Bauweisen mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaftsprofilen zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt dabei auf meso- bzw. makroskopischen Strukturierungs- und Formgebungskonzepten zur Effizienzsteigerung von Leichtbaukonstruktionen, die dazu führen, dass Bauteile aus erprobten und konventionellen Werkstoffen ein globales 'auxetisches' Systemverhalten aufweisen. 'Auxetische' Materialien und Strukturen reagieren atypisch: Eine axiale Zugbeanspruchung führt hier – entgegen der Alltagserfahrung – zu einer Querschnittsvergrößerung, wohingegen Druckbelastungen eine Querschnittsverkleinerung bewirken. Diese konträre Eigenschaft gilt als extrem und unnatürlich, weshalb sie in der Forschung lange Zeit kaum Beachtung fand. Sie kann jedoch maßgebliche mechanische Strukturparameter wie z. B. Steifigkeit, thermisches und Schwingungsverhalten oder Energieabsorptionsfähigkeit überdurchschnittlich positiv beeinflussen und bei gleichem Gewicht Leistungsniveaus generieren, die mit üblichen Bauweisen nicht realisierbar sind. Darüber hinaus ermöglicht sie völlig neuartige Funktionalitäten und Designlösungen für eine Vielzahl von Produkten mit gezielt einstellbaren Funktionsprofilen. Einsatzmöglichkeiten finden sich etwa bei Leichtbau-, Schutz- und adaptivintelligenten Konstruktionen sowie in der Luft- und Raumfahrt, dem Fahrzeug-, Maschinen und Anlagenbau, der Medizintechnik und vielen weiteren Technikbereichen. Die – grundsätzlich materialunabhängigen – Strukturierungskonzepte sind ferner mit Hilfe etablierter Fertigungsverfahren umsetzbar und können ohne nennenswerten Entwicklungsbedarf in bestehende Produktionsprozesse integriert werden. Im Rahmen der Arbeit durchgeführte FE-Analysen bestätigen die Praktikabilität und Effizienz zellularer 'auxetischer' Konstruktionsansätze in technisch relevanten Anwendungsfällen und Belastungssituationen und weisen die fundamentalen Verformungsmerkmale auch bei makroskopischer Zellausführung nach. Die gezielt modifizierten Deformations- und Spannungszustände führen hier bei geeigneter Topologie- und Parameterwahl zu einer deutlichen Aufwertung der jeweils relevanten Strukturkennwerte. Ein breites Spektrum an Einflussgrößen ermöglicht zudem eine flexible Anpassung an einsatzspezifische Anforderungen.