Numerische Optimierung von bioinspirierten keramischen Werkstoffsystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 112803565

In diesem Teilprojekt soll das mechanische Verhalten von bioinspirierten Oxidkeramiken und Biomineralien numerisch aufgeklärt und verstanden werden. Insbesondere wird untersucht, wie sich die elastische Eigenschaft der Keramik, das viskose Verhalten der organischen Phase sowie deren Grenzflächeneigenschaft und die Schichtdickenverhältnisse auf den E-Modul, die Härte, die Verformbarkeit und die Zähigkeit biologischer Werkstoffe auswirkt. Im Vordergrund stehen Anomalien von E-Modul, Härte und Bruchzähigkeit, die bisher nicht verstanden werden. Damit können im zweiten Schritt die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe vorausberechnet werden. Diese numerisch ermittelten Eigenschaften können dann von experimenteller Seite gezielt umgesetzt und überprüft werden. Ziel ist es, werkstoffphysikalisch basierte Verformungs- und Schädigungsmodelle abzuleiten, die durch experimentelle Untersuchungen der Teilprojektpartner abgesichert sind. Die Verifikation der eingesetzten Modelle erfolgt über Härtemessungen, Zähigkeitsermittlungen sowie E-Modul-Messungen. Neben dem experimentellen Zugang zur Ermittlung von mechanischen Eigenschaften werden diese zusätzlich über den Einsatz der Methode der inversen Modellierung ermittelt. Der Parameter der Grenzflächenablösung wird unter Einsatz repräsentativer Volumenelemente bzw. aus experimentellen Daten sowie skalenübergreifend über molekulardynamischen Simulationen in Kooperation mit den Teilprojektpartnern gewonnen. Die Schädigungsphänomene werden durch kontinuumsmechanische Versagensmodelle auf der jeweiligen Längenskala simuliert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen