Wie Metalle sich erinnern: ThyssenKrupp Werkstoffinnovationspreis für RUB-Forscher

Skalenübergreifendes Modell zur Berechnung des Formgedächtniseffekts

Metalle mit Formgedächtnis „erinnern“ sich an ihre Form, sie können sich dehnen oder zusammenziehen und beispielsweise durch Erwärmung wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehren. Die nützlichen Eigenschaften dieser Materialien sind längst noch nicht hinreichend erforscht. So lässt sich etwa das Verhalten der Werkstoffe bisher nur anhand von Experimenten und Beobachtungen vorhersagen, aber nicht von Grund auf simulieren. Ein Durchbruch in der Grundlagenforschung ist Dr.-Ing. Rainer Fechte-Heinen gelungen: In seiner Dissertation an der Fakultät für Maschinenbau der RUB hat er ein zuverlässiges und flexibles Modell entwickelt, mit dem es möglich ist, den Formgedächtniseffekt für verschiedene Anwendungen zu berechnen. Für seine herausragende Arbeit erhielt er vor kurzem den mit 2.500 Euro dotierten Werkstoffinnovationspreis von ThyssenKrupp.

Umswitchen auf atomarer Ebene

Breite technische Anwendungsfelder warten förmlich darauf, die „klugen“ Werkstoffe zu nutzen. Das Spektrum reicht von einfachen Anwendungen wie Zahnspangendrähten bis zum Einsatz in großen Bauwerken, zum Beispiel zur Erdbebendämpfung in Brücken. Bisher werden die Formgedächtnismetalle vor allem in der Medizintechnik eingesetzt, etwa als „Stents“, um verengte Gefäße zu weiten. Sie haben den so genannten Federeffekt, lassen sich stark komprimieren, um sie in eine Ader einzubringen, und weiten sich dann am Zielort aus. Andere Werkstoffe können zum Beispiel durch Veränderung der Temperatur ihre Form variieren. Erwärmt man sie oder kühlt sie ab, nehmen sie die ursprüngliche Form wieder an. Zustande kommt der Effekt durch das „Umswitchen“ der Materialien auf atomarer Ebene, indem sie eine andere Gitterstruktur annehmen.

Die Legierung macht's

Der Clou daran sind spezielle Legierungen, wobei eine Mischung aus Nickel und Titan besonders interessante mechanische Eigenschaften zeigt und das Material bis zu zehn Prozent dehnbar macht (pseudoelastisches Werkstoffverhalten). Dr. Rainer Fechte-Heinen hat sich in seiner Arbeit „Mikromechanische Modellierung von Formgedächtnismaterialien“ (Betreuer: Prof. Dr. Klaus Hackl, Institut für Mechanik) exemplarisch mit verschiedenen Werkstoffen wie Nickel-Titan- und Kupferbasislegierungen beschäftigt und ihr Verhalten erstmals von der mikroskopischen Ebene anfangend mathematisch berechenbar gemacht. Mathematische Methoden gab es zwar schon in der Theorie, sie waren bislang aber nicht in der Praxis anwendbar. Mit den Ergebnissen der Arbeit liegt nun ein Modell vor, mit dem sich die Formgedächtniseffekte beliebiger Materialien in der Praxis vorhersagen und erklären lassen. „Das Modell liefert ähnlich gute Ergebnisse wie bisherige phänomenologische Modelle aus Experiment und Beobachtung, versteht aber den gesamten Werkstoff und sein Verhalten“, so Fechte-Heinen. Es mache die „Entscheidung“ des Materials, wann es welche Form annimmt, transparent. Für zukünftige industrielle Anwendungen ergeben sich zahlreiche Vorteile. Beliebige Materialien mit Formgedächtniseffekt lassen sich exakt berechnen, die Anwender können anhand der Ergebnisse vorab entscheiden, ob sich der Einsatz bestimmter Werkstoffe lohnt oder nicht.

Forschungsschwerpunkt Materialwissenschaften

Bis es soweit ist, werden allerdings noch einige Jahre vergehen, denn Dr. Fechte-Heinens Arbeit ist zunächst ein Beitrag zur Grundlagenforschung mit der Formgedächtnistechnik und muss für industrielle Anwendungen noch weiterentwickelt werden. Entstanden ist die Dissertation im Sonderforschungsbereich (SFB) 459 „Formgedächtnistechnik“ der Ruhr-Universität, in dem Naturwissenschaftler, Ingenieure und Mediziner fachübergreifend zusammenarbeiten. Gemeinsam mit dem neuen Materialforschungsinstitut ICAMS der RUB (Interdisciplinary Centre for advanced Materials Simulation), das mittels Computersimulation neue Werkstoffe entwickelt, ist der SFB eine tragende Säule des Forschungsschwerpunkts Materialwissenschaften der RUB.

Der Werkstoffinnovationspreis

ThyssenKrupp ist ein langjähriger Kooperationspartner der Fakultät für Maschinenbau der RUB, das Unternehmen gehört zudem federführend dem Industriekonsortium an, das zusammen mit dem Land NRW das Institut ICAMS finanziell unterstützt. Seit 2002 verleiht ThyssenKrupp den Werkstoffinnovationspreis an Forscher der RUB, die in der Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Werkstoffen Herausragendes leisten. Der diesjährige Preisträger Dr. Fechte-Heinen ist inzwischen Mitarbeiter bei ThyssenKrupp Steel.

Weitere Informationen

Dr.-Ing. Rainer Fechte-Heinen,
E-Mail: rainer.fechte-heinen@rub.de
Redaktion. Jens Wylkop