SmartRollator: Optimierung des Rollators für geriatrische Patienten


Durch die älter werdende Bevölkerung wird die Zahl der auf Hilfsmittel angewiesenen Personen immer größer. Durch die Nutzung von Rollatoren kann die Selbstständigkeit vieler Menschen über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Allerdings gibt es bisher keine eindeutigen Indikatoren, wann die Nutzung eines Rollators angeraten werde sollte und viele Nutzer von Rollatoren haben unzureichend Kenntnis über die richtige Nutzung. Um diese Lücken zu schließen, sollen biomechanische Gangparameter ermittelt werden, die sich zwischen Nutzern Nicht-Nutzern von Rollatoren unterscheiden. Außerdem soll quantifiziert werden, wie sich die korrekte Einstellung des Rollators auf Gangparameter auswirkt. Basierend auf diesen Erkenntnissen soll ein Konzept entwickelt werden, dass die fehlerhafte Nutzung eines Rollators minimiert

Kooperationsprojekt mit der Uniklinik der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Altersmedizin mit Klinik für Innere Medizin und Geriatrie am Franziskushospital Aachen



Ansprechpartner: M.Sc. M. Mundt

 

FretFat: Multiskalen Modellierung von Reibkorrosionsermüdung und Reibkorrosionsverschleiß unter nichtproportionalen Belastungen


Die Fretting tritt auf, wenn zwei Körper in Berührung kleine Amplitudenschwingungen erfassen, sie bezieht sich auf zwei komplexe Schädigungsphänomene der Strukturintegrität, nämlich Verschleiß und Ermüdungsrisse durch steile Spannungsgradienten. Viele mechanische Komponenten haben das Potenzial, Fretting-Schaden zu erleben, wie z. B. Keilwellen-Kupplungen im Triebwerk,  Rotor-Schaufel Verbindungen in Turbinen und Hüftgelenk-Implantaten, etc. Eine große Anzahl von Parametern sind verantwortlich für die Initiierung der Ermüdungsrisse und Verschleiß wie normale Belastung, Tangentiale Kraft, Reibungskoeffizient, Oberflächenrauhigkeit und mikrostrukturelle Eigenschaften.

In diesem Projekt wird ein Multiskalenansatz eingesetzt, um die Kontakthomogenisierung durchzuführen und ein makroskopisches Verschleißgesetz auf der Basis von mikroskopischen Informationen wie der Topographie und den Eigenschaften der Kontaktoberfläche zu formulieren. Darüber hinaus wird in der mikromechanischen Simulation ein eingebettetes Zellmodell verwendet, um die Beziehung zwischen der akkumulierten inelastischen Verformung bei Mikrostruktur und marcoscale Deformationen zu etablieren. Ein phänomenlogisches konstitutives Modell wird im Rahmen der Kontinuumsschadensmechanik entwickelt, um die Lebensdauer der Rissbildung zu prognostizieren. Ein auf dem Konzept „kritische Ebenen“ basierte Schädigungsgesetz wird vorgeschlagen, um den Ermüdungsrissinitiierungsprozess unter proportionalen und nichtproportionalen Belastungen zu beschreiben. Die Multiskalen-Simulation, die die Wechselwirkung von Verschleiß und Ermüdungsrisse beinhaltet, bietet ein effizientes Werkzeug, um die strukturelle Integrität der hochbelasteten Komponenten abzuschätzen.



Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. Ma, M.Sc. L. Zang

 

MechanoCELL: Migrationsverhalten von Zellen unter mechanische Belastung


Zellmigration ist ein fundamentaler Prozess, der eine zentrale Rolle in der Wundheilung spielt. Verbesserungen der Zellmigration und -proliferation könnten die Wirksamkeit zellbasierter Therapien bei der Wundheilung verbessern. Ziel des Forschungsprojekts ist es, geeignete mechanische Kräfte zu definieren, um die Zellmigration zu verbessern. Daher verwenden wir unterschiedliche Trägermaterialien, auf denen Zellen ausgesät werden, und sie danach in einem Zug-Bioreaktor zu belasten. Basierend auf experimentellen Ergebnissen wollen wir herausfinden, wie die Steifigkeit von Trägermaterialien und die unterschiedlichen mechanischen Belastungsbedingungen die Zellmigration beeinflussen.



Ansprechpartner: M.Sc. Gözde Dursun

 

SiliconAnodes: Nichtlokale Modellierung des chemomechanischen Schädigungsprozesses von Silizium-Anode in Lithium Ionen Batterien


Die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen und anderen tragbaren Geräten wird voraussichtlich die schnell wachsende Nachfrage nach hoher Energiedichte und chemomechanischer Integrität über Langzeitzyklen erfüllen. Silicon steht als sehr vielversprechender Kandidat für das Anodenmaterial aufgrund seiner enormen Kapazität, die theoretisch um eine Größenordnung höher ist als die traditionellen Graphitanoden. Allerdings induziert Li-Insertion / Extraktion große unelastische Verformungen und Spannungen innerhalb von Silizium-Anoden, was zu einer schnellen Verschlechterung in chemomechanischen Eigenschaften und Ausfällen von Batteriesystemen führt.

In diesem Projekt wollen wir ein nichtlokales chemomechanisches Modell im Rahmen der Kontinuumsmechanik für die Untersuchung der Hauptdegradationsmechanismen und die Beziehung zwischen den Nanostrukturen und den chemomechanischen Eigenschaften der Siliziumelektroden entwickeln. Das vorgeschlagene Modell beinhaltet die Wechselwirkung von Lithium Diffusion und inelastischer Verformung, die Formulierung der Festelektrolyt-Zwischenphase und das inhomogene Wachstum der in den Versuchen beobachteten lithiierten Phasen. Durch die Verwendung des entwickelten chemomechanischen Modells werden rechnerische Simulationen durchgeführt, um die Nanostruktur der Siliziumelektroden zuzuschneiden und zu optimieren, mit dem Ziel, die chemomechanische Integrität der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.



Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. Ma

 

BioWear: Multiskale Modellierung des Verschleiß- und Ermüdungsverhaltens der biomimetisch hierarchischen Strukturen


Biologische Hartverbundwerkstoffe mit hierarchischen Strukturen werden von der Nano- bis zur Makroskala entworfen, um Multifunktionen von Hartgeweben zu erfüllen. Die einzigartigen hochmineralisierten Mikrostrukturen sind oft mit ihren verbesserten Verschleiß-Ermüdungseigenschaften und Schadenstoleranz unter zyklischen mechanischen Belastungen korreliert. Für die Entwicklung von neuartigen Verbundwerkstoffe und Oberflächenbeschichtungen mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Schädigungstoleranz kann die Nachnahme dieser harten Gewebe, die sich zur Erfüllung von Multifunktionen entwickelt haben, zu einem innovativen Design neuartiger verschleißfester Werkstoffe führen. In diesem Projekt wird der Zahnschmelz ausgewählt, der täglich während einer großen Anzahl von Kauen-Zyklen Reibung und Verschleiß unterworfen wird, um das Bauprinzip der hierarchischen Struktur mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und Funktionalitäten zu erforschen. Zu diesem Zweck werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um das Verschleißermüdungsverhalten des Zahnschmelzes zu charakterisieren. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen werden die mikromechanischen Simulationen durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Multiskalenstruktur und der außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit und Schadenstoleranz zu identifizieren. Darüber hinaus wird ein makroskopisches Modell mit mehreren Schädigungsmechanismen entwickelt, um das Schadensverhalten unter zyklischen Belastungen zu beschreiben und die Lebensdauer der Verschleißermüdung vorherzusagen. Diese Lehren aus der Natur können als Inspiration für die Entwicklung von technischen Werkstoffen mit den gewünschten Verschleiß-Ermüdungseigenschaften genutzt werden.     



Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. Ma

 

BioMag: Multiskale Modellierung des Korrosionsverhaltens und Integritätsbewertung der biologisch abbaubaren Magnesiumimplantaten für orthopädische Anwendungen


Biologisch abbaubare Magnesiumlegierungen sind vielversprechende Materialien für orthopädische Implantate aufgrund der folgenden Eigenschaften: 1) Sie verfügen über vergleichbare mechanische Eigenschaften wie Knochen und vermeiden somit Stress-Shielding, 2) Sie besitzten eine hohe biologische Sicherheit und Biokompabilität (280-300 mg erlaubte tägliche Einnahme), 3) Sie sind durch Korrosion biologisch abbaubar, somit ist keine zweite Operation zur Implantantentnahme erforderlich.

Die verbreitete Anwendung von biologisch abbaubaren Magnesiumimplantaten wird noch durch eine unter physiologischen Bedingungen unkontrollierbare Korrosionsrate beschränkt. Die Entwicklung von biologisch abbaubaren Implantaten mit ausreichender Festigkeit erfordert das Verständnis des Abbaumechanismen und die Quantifizierung der mechanischen Integrität während dieses Prozesses. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf die experimentelle Untersuchung des Korrosionsermüdungsverhaltens unter physiologischen Randbedingungen sowie auf die multiskalen Modellierung des Abbauprozesses von biologisch abbaubaren Implantaten. Der Phasenfeldansatz wird zur Untersuchung des Korrosionsmechanismus bei der Mikroskala und zur Festlegung der Korrelation zwischen dem Korrosionsverhalten und der Oberflächentopographie der Beschichtung eingesetzt. Das phänomenologische Schadensmodell, das auf der experimentellen Beobachtung basiert, beschreibt das Korrosions-Ermüdungsverhalten von Implantaten auf der Makroskala. Die Berechnungssimulationen dienen zur Auswertung und Optimierung der Strukturgestaltung von biologisch abbaubaren Implantaten für orthopädische Anwendungen.


Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. Ma

 

GasDetonation: Numerische Modellierung des Gasdetonationsprozesses


Dieses Forschungsvorhaben konzentriert sich auf die Technik der Gasdetonationsumformung, welche das Umformen von komplexen Geometrien mit beispielsweise kleinen Winkeln und Hinterschnitten in kurzen Prozesszeiten ermöglicht. Derzeit werden Simulationen des Umformprozesses von Schalen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt. Diese Simulationen mit 3D-Computermodellen werden mit einer expliziten dynamischen Analyse unter Verwendung des Johnson-Cook-Modells durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen wie z.B. Verformung und Dickenverteilung. Desweiteren ist das Computermodell in der Lage den Schadensbeginn und die Schadensentwicklung korrekt hervorzusagen, welche hauptsächlich auf den sehr hohen Druck oder den Anfangs-offset des Werkstücks im Experiment zurückzuführen sind.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. PatilKaushik Prajapati

Silikat-Aerogele: Mechanische Eigenschaften von Silikatgelen


Silikat-Aerogele sind nanostrukturierte, hochporöse Festkörper, die, verglichen mit anderen weichen Materialien, besondere mechanische Eigenschaften sowie sehr geringe Dichte aufweisen. In diesem Projekt werden die mechanischen Eigenschaften von Silikat-Aerogelen unter Verwendung von Molekulardynamik (MD) untersucht. Ein Silikat-Aerogel-Modell wurde durch die direkte Expansion von Beta-Cristobalit und einer Reihe von Temperaturbehandlungen erstellt. Die mechanischen Eigenschaften des Silikat-Aerogel-MD-Modellswurden für  einachsigen Zug und Druck wurden. Desweiteren wurden Simulationen mit zyklischer Druckbelastung mit Modellen verschiedener Dichte durchgeführt. Unter großen Dehnungen wurde fast keine Erhohlung der zusammengebrochenen Struktur beobachtet. Das Verhalten ist charakterisiert durch Inelastizitätsphenomene wie zurückbleibende Deformation, Hysterese und den Mullins-Effekt.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

HGU: Hochgeschwindigkeitsumformung unter Stoßwellenbelastung


Mithilfe der Hochgeschwindigkeitsumformungmethode wie „Detonationumformungen“ werden metallische Bleche plastisch durch hohe kinetische Energien geformt. Die Stoßwelle breitet sich nach dem Platzen der Membran vom HDT (Hochdruckteil) zum NDT (Niederdruckteil) aus. Es kommt zu einem Kontakt mit dem Blech und nach der Ablenkung an der Probe zu Reflektionen. Durch die Anwendung der Kurzzeitmesstechnik werden die unterschiedlichen Eigenschaften wie Druckverlauf und die Verformung der Probe während des Experiments gemessen. Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung des Deformationsverhaltens und der Schwingung des Bleches, sowie die Entwicklung einer empirischen Methode zur Umformung besonderer Verbundwerkstoffbleche. Außerdem wird die Nutzung von festen bzw. flexiblen Matrizen zum Erreichen unterschiedlicher Formen untersucht. Wegen der höheren Dehnungsraten während dieser inelastischen Deformation wird ein Viskoplastisches Modell verwendet und die numerische Simulation mithilfe von Konstitutivgleichungen. Zusätzlich wird der Einfluss von Schädigungen untersucht und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und bewertet.

Fördergeber: Institut für Allgemeine Mechanik (IAM)

Ansprechpartner: M.Sc. N. Shirafkan

IMU-GA: Bewegungsanalyse basierend auf Inertialsensoren


In diesem Projekt wird ein System entwickelt, das mit Hilfe von IMUs und intelligenten Algorithmen in der Lage ist, kinematisch und kinetische Bewegungsparameter zu quantifizieren. Die meisten derzeitigen Systeme zur Ganganalyse sind auf Laborbedingungen beschränkt. Kostengünstige, vielseitig einsetzbare Inertialsensoren bieten in Kombination mit einem Smartphone die Möglichkeit, Gangparameter in Alltagssituationen aufzuzeichnen. In der Zukunft, sollen Bewegungspathologien entdeckt und direkt an den Nutzer weitergegeben werden. Dadurch entsteht ein wertvolles Tool, um unter anderem die Selbstständigkeit der alternden Bevölkerung zu erhalten, Operationsergebnisse auszuwerten oder Patienten bei der Erlernung neuer Gangstrategien zu unterstützen, z.B. um den Fortschritt von Kniearthrose zu minimieren.

Ansprechpartner: M.Sc. M. Mundt

MechanoBIO: Mechanobiologie von regenerativem Gewebeersatz


Beim regenerativem Gewebeersatz ist die Implantation zellfreier Scaffolds ein vielversprechender Therapieansatz. Ziel des Forschungsprojekts ist es daher, die in-vivo stattfindenden Remodelling-Effekte in-vitro nachzubilden. Zentrale Einflussfaktoren sind hierbei das Kolonisationspotential der Scaffolds, das Immigrations- und Migrationsverhalten der Zellen, die zelluläre Syntheseleistung und die mechanische Stimulation. Gleichzeitig wird die experimentelle Charakterisierung als Basis für eine numerische Simulation der mechanobiologischen Zusammenhänge genutzt um variierende Kultivierungs- und Belastungsbedingungen simulativ abzubilden.

Fördergeber: Institut für Allgemeine Mechanik (IAM)

Ansprechpartner: M.Sc. Gözde Dursun, Dipl.-Ing. J. Nachtsheim

Thermographic Computer-Aided Monitoring


Brustkrebs ist weltweit der häufigste Krebs bei Frauen und die Anzahl der Todesfälle durch Brustkrebs ist steigend. Da die frühzeitige Diagnose und Behandlung die Überlebensrate signifikant erhöht, ist eine der breiten Öffentlichkeit zugängliche Detektierungsmethode benötigt. Die momentan standardmäßig eingesetzte Methode der Mammographie ist in den letzten Jahren in Kritik geraten. Ziel dieses Forschunsprojektes ist es daher, Brustkrebserkennung durch eine neue Methode basierend auf Infrarot-Thermographie (IRT) zu verbessern, die kostengünstig und gefährdungsfrei ist. Hierbei wird die erhöhte Temperatur von Krebsgewebe zu Nutze gemacht. Die Anwendung von IRT zur Erkennung von Hautkrebs ist erfolgsversprechend, die Anwendung auf Brustkrebs hingegen birgt Herausforderungen. Der komplexe Aufbau von Brustgewebe und der resultierende komplexe Wärmetransport erschweren die erfolgreiche Anwendung von IRT. Die interne Krebs-Wärmequelle kann einen messbaren Einfluss auf die Hauttemperatur haben, abhängig von verschiedenen Faktoren wie Abstand zur Hautoberfläche und Gewebezusammensetzung. Die Herausforderung liegt in der exakten Bestimmung der Position und Intensität der Wärmequelle aus dem gemessenen Oberflächentemperaturfeld, also der Lösung des inversen Problems. Der Ansatz dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines thermo-poromechanischen Modells für die weibliche Brust, dessen Daten im nächsten Schritt zum Trainieren eines neuronalen Netztes zur Brustkrebserkennung genutzt werden.

Fördergeber: Institut für Allgemeine Mechanik (IAM)

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Markert

USW-Verbindung: Ultraschallschweißen von Metallen


Ultraschallschweißen ist eine Fügetechnik, welche in vielen Industriebranchen z.B. der Automobilindustrie, Lebensmittelindustrie, Medizintechnik, sowie der Elektrotechnik eingesetzt wird. Ultraschallschweißen von Metallen wird zu den schnellsten Herstellungsprozessen gerechnet, welches eine robuste Verbindung zwischen den gleichen bzw. den unterschiedlichen Materialien als Paarungsteile erzeugt. Der Energiebedarf dieses Prozesses ist im Vergleich zu den anderen üblichen Schweißprozessen wie beispielweise dem Autogenschweißen und Lichtbogenschweißen gering. Aktuelles Forschungsthema ist das Ultraschallschweißen von Aluminium auf Messing und behandelt als Schwerpunkt den Einfluss von Schweißparametern z.B. Pressdruck und Schwingungsamplitude auf die Qualität der geschweißten Stelle.

Fördergeber: Institut für Allgemeine Mechanik (IAM)

Ansprechpartner: M.Sc. S. Mostafavi

PMFracture: Diffusiver Bruch in porösen Medien


Das Ziel des Forschungsprojektes ist die numerische Modellierung eines hydraulischen Bruchs in fluidgesättigten porösen Materialien, welches im Rahmen der erweiterten Mehrphasen-Kontinuumsmechanik-Theorien durchgeführt werden kann. Dies beinhaltet die Betrachtung von Rissentstehung und Ausbreitung, Verformung des Festkörpers und Änderung der Strömung der interstitiellen Flüssigkeit. Präziser formuliert repräsentieren fluidgefüllte, poröse Werkstoffe ein volumengekoppeltes Festkörper-Fluid-Problem. Mithilfe der ”Theorie Poröser Medien“ (TPM) können die Bewegung des Porenfluids und die Deformation der Festkörpermatrix beschrieben werden. Der hydraulisch- oder spannungsinduzierte Bruch tritt im festen Körper des Mehrphasenmaterialen auf und wird mittels Phasenfeldmethoden simuliert.

Fördergeber: Institut für Allgemeine Mechanik (IAM)

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Y. Heider

VRSHM&DD: SHM (Structural Health Monitoring) und Schadensdiagnose auf Basis der Schwingungsanalyse


Die Schadensdiagnose von Strukturen stellt in der heutigen Zeit ein attraktives Forschungsfeld dar. Vor allem unter Berücksichtigung des Schwingungsverhalten im Zeitbereich bringt es den Vorteil einfacher Berechnungen, welche keine Finiten-Element-Modelle benötigen. In diesem Projekt werden unterschiedliche Techniken aus der Schwingungsanalyse hinsichtlich eines Einsatzes in der Online-Zustandsüberwachung analysiert und mittels numerischer Simulationen und unterschiedlichsten Experimenten validiert.

Ansprechpartner: M.Sc. M. Zhang

 

COORETEC: Laserstrahlbohren von Wärmedämmschichtsystemen


Turbinenschaufeln können zur Kühlung mit Laserstrahlbohrungen versehen werden, die wiederum einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Struktur haben. Ziel des Teilprojektes über die quantitative Analyse der lokalen Belastungsparameter ist es daher, die Schädigungsinitiierung und –evolution unter zyklischer thermo-mechanischer Belastung im Bereich der Bohrungen zu verstehen und zu modellieren. Dieses Projekt wird mit zwei Hochschul- und drei Industriepartnern durchgeführt.
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. M. Stoffel, Dr.-Ing. A. D. Nguyen

SpineImplants: Messung von Wirbelkörperbewegungen mit einem 6 DOF Wirbelsäulenprüfstand unter Körpertemperatur zur Prüfung von dynamischen Wirbelsäuleninstrumentierungen.


In dieser Studie wird der Einfluss von Wirbelsäuleninstrumentierungen auf den Bewegungsumfang von lumbalen Wirbelsäulensegmenten getestet. Dafür wurde ein 6 DOF Wirbelsäulenprüfstand entwickelt, mit dem unter physiologischen Bedingungeneinem in einem Bioreaktor gestestet wird. Der Gebrauch des Bioreaktors behindert mechanische und optische Messverfahren, weswegen ein magnetisches Trackingsystem mit implantierbaren Mikrosensoren verwendet wird. Des Weiteren wird die Kinematik von instrumentierten Wirbelsäulen mittels FE Simulationen untersucht.

Fördergeber:


  • Unfall- und Wiederherstellungschirurgie (UCH RWTH)
  • RWTH Start Nachwuchsförderprogramm
  • Orthopädie und Unfallchirurgie Uniklinikum Köln
  • Orthopädie und Unfallchirurgie Medizinisches Zentrum Würselen

Ansprechpartner: M.Sc. A. Beckmann

IVDHerniation: Entwicklung innovativer biomechanischer Verfahren zur Modellierung der Charakteristik und des Verhaltens einer Bandscheibe


Das   Hauptziel     des   Forschungsvorhabens   ist   es,   neue   Simulationswerkzeuge   so leistungsfähig zu machen, dass diese das mechanisches Verhalten der Bandscheibe für bestimmte Anforderungskombinationen ohne zusätzliche experimentelle Untersuchungen erlauben.  Der   Untersuchungsschwerpunkt   liegt   auf   der   Entwicklung   eines   neuen anisotropen viskoelastischen Materialmodells, das nicht nur das mechsnisches Verhalten
des Festkörperanteils sondern auch das Fließverhalten des Fluides mitberücksichtigt. Das mittelfristige Ziel ist die Untersuchung des Schädigungsmechanismus. Die Untersuchung beruht   auf   der   Phasenfeldmethode,   welche   die   realistische   Eigenschaften   des Bandscheibenvorfalles   und   auch   die   Wechselwirkungen   zwischen     Festkörper   und Flüssigkeit mit Hilfe der kontinuumsmechanische Theorie Poröser Medien aufgreifen kann.
Das dritte Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuer experimenteller Methode zur realistischen   Untersuchung   des   Verhaltens   menschlicher     Bandscheiben   in   einem Bioreaktor. Hierfür wurde einen Bioreaktor zur Untersuchung der Zellaktivitäten und des Austausches   löslicher  Substanzen   zwischen   Zellen  in   verschiedenen   Stufen  des Schaedigungsmechanismuses   entwickelt.   Dieser   neue   Entwicklung   ermöglicht   die
Degenerationsstudie gesunder und verletzter Bandscheiben.

Ansprechpartner: M.Sc. M. Azarnoosh

CellCultivation: Entwicklung eines Zellkultivierungssystems zur Untersuchung und Kultivierung von Zellen


Das Verhalten von Zellen unter mechanischer Belastung ist für die Entwicklung neuer Therapieansätze, z. B. bei der Kultivierung autologer Spenderzellen, oftmals von großem Interesse. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer neuartigen Kultivierungsumgebung für Zellen, welche neben den wichtigsten biologischen Randbedingungen, wie z. B. der richtigen Umgebungstemperatur oder dem Vorhandensein von Nährstoffen, auch mechanische Randbedingung an Zellen simuliert und gleichzeitig die mechanische Zellenantwort dokumentiert. Wichtige Aspekte bei der Entwicklung sind neben einer reproduzierbar arbeitenden Einspannvorrichtung und Krafteinleitung auch die neu entwickelte elektronische Steuerung des Kultivierungssystems, welche über eine ebenfalls im IAM entwickelte GUI Software gesteuert wird. Neben dem Online-Monitoring der Zellkultivierung ist die numerische Analyse des Zell-Trägermaterials eine weitere wichtige Möglichkeit, noch mehr Informationen zur Entwicklung der kultivierten Zellen zu erlangen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. W. Willenberg

PFMFracture: Schädigung und Bruch Duktile Materiallen


Das Ziel des Forschungsprojektes ist die numerische Modellierung eines duktiles Bruchs in verschiedene Stahlgraden, Aluminium und Superlegierungen, welches im Rahmen der erweiterten Thermodynamik- und Kontinuumsmechanik-Theorien durchgeführt werden kann. Dies beinhaltet die Betrachtung von Rissentstehung und Ausbreitung, Verformung des Festkörpers und Änderung der Materialeingenschaften. Mit hilfe der ”Phasen-Feld Modelle“ (PFM) könnte der Rissentstehung und Ausbreitung unter ein phänomenologisches-mesoskaligen Annäherung beschrieben werden. Schädigung, Verfestigung und plastische Deformation ist durch ein konventionelles Model der Kristallplastizität zu berechnen.

Ansprechpartner:  M.Sc. C. Hernández

DETFORM: Ultra-high Speed forming and surface treatment


Das Ziel des Forschungsprojekts ist die numerische Modellierung sowie die experimentelle Validierung der Umformung und Oberflächenverarbeitung von Metallkomponenten durch verschiedene Detonation Methoden. Dies beinhaltet die Betrachtung von Schädigung, Bruch, Verformung des Festkörpers und Änderung der Materialeingenschaften. Mit Hilfe des Molekulardynamik sowie Superplastizität könnte der Materialverhältnis beschrieben werden. Experimentelle versuchen könnten die Durchführbarkeit der industrielle Anwendungen dieses Verfahren bestimmen.

Ansprechpartner: M.Sc. C. Hernández

ciFEM: Entwicklung von intelligenten Finiten Elementen


Die Parameterwahl der Finiten Elemente Methode (FEM) unterliegt, besonders im Bereich der Bruchmechanik mit Verbundwerkstoffen, hohen Unsicherheiten.
Das Ziel von ciFEM ist die Entwicklung von Finiten Elementen, die mit Hilfe von Computational Intelligence das nichtlineare mechanische Verhalten von Strukturbauteilen über deren gesamten Lebenszyklus exakt beschreiben.
Das intelligente Finite Element entwickelt dabei selbstständig und adaptiv sowohl das Materialmodell, die zugehörigen Materialparameter und die Integrationsmethode auf Grundlage von Experimenten.  Unsicherheiten  und Zwangsbedingungen, wie die thermodynamische Konsistenz des Materialmodells und die numerische Stabilität der Lösung, werden ebenfalls berücksichtigt.


Ansprechpartner: Dipl.-Ing. A. Koeppe

Smart-SHM: Smarte Zustandsüberwachung von Strukturen


Die Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring - SHM) von Strukturen bietet ein weitgefächertes Anwendungsfeld, beispielsweise die Strukturüberwachung von Brücken oder Offshore-Windparks. Das Forschungsprojekt „Smart-SHM“ beschäftigt sich in diesem Zusammenhang vor allem mit der Analyse von Smarten Strukturen hinsichtlich des Aufbaus und der Optimierung von SHM-Systemen. Es sollen Fragen zur Messdatenerfassung und Dateninterpretation beantwortet und in Form von Experimenten validiert werden. Ergänzend wird im Rahmen von „Smart-SHM“ ein Demonstrator zur Abbildung der Forschungsergebnisse aufgebaut.

Ansprechpartner: M.Sc. D. Hesser

Abgeschlossene Studienarbeiten im Rahmen des Smart-SHM Projektes:

Smarte CFK-Struktur am Beispiel eines Flug-Modelltragflügels, 2018, Bachelorarbeit (In Zusammenarbeit mit dem ISF, RWTH Aachen University)

Aufbau und Durchführung eines Experiments zur Qualifizierung faseroptischer Dehnungsmessung in der Faserverbundstruktur des Tragflügels eines Leichtflugzeuges zur Untersuchung der Auswirkung von Turbulenzen
, 2017, Bachelorarbeit

Numerical Analysis of Low-velocity Impact Localization on Sandwich Structures, 2017, Bachelorarbeit

Automated wave signal data collection method for PWAS-based structural health monitoring applications, 2017, Bachelorarbeit

Konstruktion und Inbetriebnahme einer Versuchseinrichtung zur Schadensdetektierung von Schraubenverbindungen, 2016, Projektarbeit

SpiderSilk: Multiskalenmodellierung von Spinnenabseilfäden


Ein Spinnenabseilfaden besitzt die ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit, Dehnbarkeit und Zähigkeit, die einige der besten künstlichen Materialien im Hinblick auf ihre mechanische Leistung übertrifft. Ein Abseilfaden hat eine halbkristalline Struktur bestehend aus einem kristallinen Bereich kurzer Polyalanin-Segmente, die steife β-Faltblatt-Nanokristalle bilden und von einem amorphem glycinreichen Bereich umgeben sind, der die Dehnbarkeit der Faser bereitstellt. Ein 3D Finite-Elemente-Modell der Seide wird aufgestellt, das auf der Sekundärstruktur der Seidenfaser der Gartenkreuzspinne  basiert und die Plastizität der β-Faltblatt-Kristalle sowie das viskose Verhalten der amorphen Matrix berücksichtigt. Das Seidenfasermodell zeigt, dass die vorhergesagten mechanischen Eigenschaften mit dem verfügbaren experimentellen Beweis hervorragendend übereinstimmen. Anfangs zufällig in der Seidenfaser verteilte Kristalle ordnen sich selbst während der Verformung neu an und bilden eine lamellenartige Anordnung der Phasen, wodurch sich eine anfängliche Steifheit aufgrund der anfänglichen zufälligen Anordnung und eine hohe Zähigkeit aufgrund der lamellenartigen Anordnung ergibt. Das vorgeschlagene kontinuumsmechanische makroskopische Seidenfasermodell benötigt keine empirischen Parameter und trägt dazu bei, ein besseres Verständnis über die Mechanik der Seidenfaser während der Verformung und über die Quelle der Zähigkeit dieser außergewöhnlichen Faser zu erlangen. Daher ist es ein effizientes Modell für die Konstruktion von Kunstseidenfasern als auch anwendbar auf andere Verbundwerkstoffe.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

Nacre: Mechanische Eigenschaften von Perlmutt und seine Bestandteile


Perlmutt, auch als Mutter der Perle bekannt, ist ein organisch-anorganisches Verbundmaterial, dass von einigen Weichtieren als eine innere Mantelschicht produziert wird . In den letzten drei Jahrzehnten waren die Struktur und der Zähigkeitsmechanismus von Perlmutt Gegenstand intensiver Forschung. Dieses Interesse begründet sich in der exzellenten Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit. Perlmutt besteht aus hexagonalen Plättchen aus Aragonit, die in kontinuierlichen parallelen dünnen Schichten angeordnet sind. Die Schichten werden durch Platten einer organischen Matrix getrennt, die aus elastischen Biopolymeren zusammengesetzt sind. Diese Mischung aus spröden Plättchen und der dünnen Schichten aus elastischen Biopolymeren machen das Material stark und widerstandsfähig.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

Bremsenprüfstand: Konstruktion eines Bremsenprüfstands


In diesem Projekt soll ein Bremsenprüstand konstruiert und die Betriebsfestigkeit nachgewiesen werden; dabei soll auf die EN-und DIN-Normen zurückgegriffen werden. Die Rotationsenergie wird über einen Elektromotor realisiert. Die Dissipation der gespeicherten Rotationsenergie wird über Schwungräder aufgebracht. Die variable Anbringung von Bremsscheiben und Kupplungen muss gewährleistet werden.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. M. Stoffel

PDTribometer: Konstruktion eines Prüfstands zur Untersuchung von Feinstaubpartikel


Pin on Disc-Tribometer (PDTribometer): In diesem Projekt soll ein Pin on Disc-Tribometer konstruiert werden, mit dem eine Untersuchung hinsichtlich Feinstaub realisiert werden kann. In dieser Untersuchung soll das Verschleißverhalten unter idealen Bedingungen untersucht werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es lungengängige Partikel zu messen und den Einfluss auf das menschliche Immunsystem zu untersuchen.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. M. Stoffel

HGPrüfstand: Untersuchungen von Verformungs- und Temperaturverhalten Bremscheiben und Bremsbelägen


In diesem Projekt werden Verformungs- und Temperaturprofile von Bremsscheiben für Hochgeschwindigkeitszügen untersucht. Die Detektierung von Hot Spots, welche das Verhalten der Reibpaarung beeinflussen wird über eine Infrarot Kamera realisiert.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. M. Stoffel