Fachausschuss
Zellulare Werkstoffe

Nahezu jeder Werkstoff lässt sich in eine zellular aufgebaute Form überführen. Damit können die Werkstoffeigenschaften mit den Struktureigenschaften kombiniert und die Anwendungsfelder des Werkstoffs verbreitert werden. Die Natur hat dies vielfach anhand von Kombinationen aus zellularen bzw. porösen Strukturen mit biologisch-werkstofflichen Zusammensetzungen eindrucksvoll gezeigt. Durch die Weiterentwicklung von Prozessen zur Werkstoffherstellung wird es zunehmend möglich, zellularen Werkstoffen, besonders in Multimaterial-Zusammensetzung, komplexe Eigenschaftsprofile aufzuprägen, die sich bei kompakten Werkstoffen nicht umsetzen lassen.

Der Fachausschuss Zellulare Werkstoffe versteht sich als werkstoffklassenübergreifender Zusammenschluss von Mitgliedern aus Industrie, außeruniversitären Instituten, Hochschulen und Universitäten, der sich allen Aspekten des zellularen Aufbaus von Werkstoffen, beginnend bei Herstellung und Funktionalisierung über die Charakterisierung, die Simulation und Modellbildung bis hin zur anwendungsrelevanten Testung widmet.

Mit Poren punkten. Zellulare Werkstoffe

Zellulare Werkstoffe zeichnen sich durch einen hohen Anteil geschlossener oder offener Poren unterschiedlicher Form und Größen aus. Die Kombination solcher Strukturen mit inhärenten Werkstoffeigenschaften führt zu neuen Eigenschaftskombinationen, was wiederum völlig neue Anwendungen erlaubt. Vor allem im Leichtbau, aber auch im Maschinen-, Anlagen- und Gerätebau sowie in Energie- und Umwelttechnik wird der Einsatz zellularer Werkstoffe in Zukunft zu Bahn brechenden Innovationen führen.

Im Bereich der Wärmespeicherung und Wärmerückgewinnung haben zellulare Werkstoffe für alle Temperaturbereiche ein enormes Einsatzpotenzial, was auf die Funktionalisierbarkeit ihrer Oberfläche, die Einstellbarkeit von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie einen niedrigen Druckverlust bei Durchströmung zurückzuführen ist. Für die effiziente Filtration von Metallschmelzen werden aktive und reaktive keramische Filter mit hoher Oberflächenfunktionalität und Hochtemperaturstabilität benötigt. Auch für die Gebäudeisolation versprechen zellulare Werkstoffe mit integrierten Wärmereflektoren viele Möglichkeiten. Diese Innovationen sind mit einer deutlichen Reduzierung von CO2-Emissionen verbunden; im Wirtschaftsstandort Deutschland werden sich neue Geschäftszweige entwickeln.

Funktionieren und Versagen

Um zellulare Werkstoffe in neue Anwendungen zu integrieren, muss die Funktionsweise solcher Werkstoffe mit komplexer Verbund- und maßgeschneiderter Mikrostruktur ebenso verstanden werden wie ein anwendungsspezifisches Grenz- und Oberflächendesign, Haft-, Korrosions- und Versagensmechanismen, das Werkstoffverhalten bei mehrachsigen Spannungszuständen oder die mechanischen Eigenschaften auxetischer und nanozellularer Werkstoffe. Gleiches gilt für jene Prozesse, die zu einer homogeneren und reproduzierbaren Zellstruktur führen oder Poren unterschiedlicher Größenskalen in ein und demselben Werkstoff generieren. Darüber hinaus müssen serientaugliche Fertigungsprozesse für die endformnahe Fertigung und für die effektive und präzise Bearbeitung sowie Strategien zur Funktionalisierung zellularer Werkstoffe entwickelt sowie die Partikelschaumtechnologie erschlossen werden.

Dazu ist es notwendig, die werkstoffklassenübergreifende Zusammenarbeit weiter auszubauen und Akteur*innen aus Wissenschaft und Anwendung besser zu vernetzen. Zielführend wären gemeinsam initiierte Programme, bei denen die Förderung von Grundlagenforschung durch die DFG oder die VW-Stiftung mit Entwicklungs- und Transferprogrammen des BMBF, des BMWi oder der AiF gekoppelt werden.

Ziele

Der Fachausschuss Zellulare Werkstoffe hat sich zum Ziel gesetzt,

  • zellulare Werkstoffe zuverlässiger zu machen,
  • neuartige Verfahren zur Herstellung zellularer Werkstoffe zu entwickeln und zu etablieren,
  • die Entstehung und die Rolle der Porosität in Wechselwirkung mit dem Werkstoff besser zu verstehen und Porosität zunehmend genauer zu erfassen,
  • Funktionalisierungsstrategien zum Aufbau multifunktionaler zellularer Werkstoffe zu entwickeln und die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Komponenten zu beschreiben und
  • als übergeordnetes Ziel mit zellularen Werkstoffen zu helfen, in technischen Prozessen den Primärenergieeinsatz zu senken und die Ressourceneffizienz zu erhöhen.

Dazu ist die werkstoffklassenübergreifende Zusammenarbeit notwendig, die zur Initiierung von gemeinsame Forschungsprojekte und deren erfolgreiche Bearbeitung führen wird.

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