Multifunktionale Materie und Multiskalensysteme

Der seit 2018 laufende DFG Sonderforschungsbereich ELCH widmet sich mit fortschrittlichsten Werkzeugen der experimentellen und theoretischen Atom- und Molekülphysik sowie der Quantenoptik der molekularen Chiralität.

Biological processes are coordinated autonomously and precisely in time and space. In each unicellular or multicellular organism internal oscillators and clocks at multiple time scales interact with each other.

Aluminium und dessen Legierungen sind seit Jahrzehnten wichtige Konstruktionswerkstoffe. Um das Potential als Leichtbauwerkstoff voll ausschöpfen zu können, befasst sich das Projekt ALLEGRO mit der Entwicklung effizienter Prozesse für die Formgebung und die Wärmebehandlung von Aluminiumknetlegierungen.

Der seit 2019 laufende LOEWE Schwerpunkt SMolBits („Scalable Molecular Quantum Bits“) verfolgt das Ziel eine neuartige Nanotechnologieplattform (Photonikchip) zu entwickeln. Einzelne, speziell synthetisierte Moleküle mit maßgeschneiderten Eigenschaften sollen als Informationseinheit (Quantenbit) verwendet werden, um so einen skalierbaren Quantencomputer realisieren zu können.

Das aus internen Mitteln geförderten Cluster „Biologische Transformation technischer Werkstoffe“ (BiTWerk) bündelt in einem hochgradig interdisziplinären Ansatz Handlungsstränge rund um den Themenkomplex „Werkstoffwissenschaften“. Diese verfolgen das Ziel Materialien und Werkstoffe neu zu denken, und dabei immer den Aspekt der nachhaltigen Nutzung von den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen zentral zu berücksichtigen

In der Verbundinitiative Shape Memory Alloys Research for Technology of CONstructions “SMARTCON" steht der Einsatz von eisenbasierten Formgedächtniswerkstoffen im Bauwesen im Fokus. Diese Materialien erlauben es, bestehende Bausubstanz für die Weiternutzung zu ertüchtigen sowie neue Bauwerke schlanker, und somit ressourceneffizienter sowie dauerhafter zu gestalten. Der interdisziplinäre Forschungsansatz auf der Schnittstelle zwischen dem Bauingenieurwesen und der Werkstoffwissenschaft wird gänzlich neue Werkstoffe und Konstruktionselemente gleichzeitig adressieren und somit disruptiv zukünftige Bauwerke beeinflussen.

Das auf die Einrichtung eines Graduiertenkollegs hin orientierte Projekt „Textile Tektonik für den Holzbau“ erforscht nachhaltige Wege hin zu holzbasierten Werkstoffen mit sicher und zuverlässig bewertbaren Eigenschaften. Ziel ist es, auf Basis des nachwachsenden Rohstoffes Holz Fasern zu realisieren und zu verarbeiten, die die Herstellung von funktionalen Strukturen, z.B. über 3D-Strangablegeverfahren, revolutionieren. Das Projekt ist stark interdisziplinär ausgerichtet, sodass der Ansatz vom Rohstoff über die Bauteilherstellung bis hin zur Wiederverwertung ganzheitlich betrachtet werden kann.

(Kurz-)Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen einen dauerhaften und somit ressourceneffizienten Einsatz in vielfältigen Anwendungsbereichen. Um die Eigenschaften dieser Werkstoffklasse unter komplexen Anwendungsbedingungen sicher und zuverlässig beherrschen zu können, müssen Daten entlang des gesamten Lebenszyklus sinnhaft aufgenommen und verknüpft werden. Langfristig ist die Verbundinitiative „LEBENSDAUER“ die Voraussetzung dafür, auch die große Menge von kurzfaserverstärkten Kunststoffen in die Kreislaufwirtschaft zu integrieren.

Im Bereich metallischer Werkstoffe ist es mit Blick auf die Ressourceneffizienz erforderlich, geschlossene Werkstoffkreisläufe direkt in den Produktdesignprozess im Sinne eines Concurrent Engineering zu implementieren. Ziel im Verbund ist es, auf Basis solitärer Leichtbauwerkstoffe durch gezielte Ausnutzung von Prozess-Eigenschaftsbeziehungen lokal funktionalisierte Strukturen und cyberphysische Zwillinge zu schaffen, die über lastinduzierte Eigenschaftsänderung mit ihrer Umgebung kommunizieren.

Um den derzeit beschränkten Einsatz von Biokunststoffen und Bioverbundwerkstoffen auch in langlebigen Produkten zu erhöhen, muss die Beständigkeit dieser Komponenten verbessert werden. Im Verbund mit Praxispartnern werden dabei unterschiedliche Produktsparten untersucht.

In dem Forschungsprojekt soll die Ökobilanz metallischer Gussstrukturen und -komponenten gesteigert werden, indem erstmalig aus einer kälteren, bereits teilerstarrten Schmelze (Rheoguss-Prozess) Ultraleichtbau-Komponenten gefertigt werden. Hierzu soll der Prozess ganzheitlich hinsichtlich energetischer, konstruktiver, prozesstechnischer, werkstofflicher sowie qualitativer Aspekte unter Nutzung modernster digitaler und simulativer Methoden betrachtet und bewertet werden.

Gegenstand des Verbundprojekts ist die ganzheitliche Betrachtung innovativer Fertigungstechnologien – vom Fertigungsprozess bis hin zum Bauteillebensdauerende. Das Ziel besteht darin, Fertigungsprozesse modellbasiert so zu führen, dass Bauteile mit der geforderten strukturellen Integrität reproduzierbar und wirtschaftlich robust hergestellt werden können. Durch diese lebenszyklusorientierte Betrachtung soll die Haltbarkeit der Bauteile und damit die Nachhaltigkeit der Prozesse gewährleistet werden. Dabei wird als Beispiel die additive Fertigung (AM, von engl.: additive manufacturing) metallischer Kupfer-basis Werkstoffe betrachtet.