Inhouseprojekte

 

SmartRollator

Optimierung des Rollators für geriatrische Patienten

  Person, die mit Rollator geht Urheberrecht: © IAM
 

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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 und 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, das 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.

 
 

FretFat

Multiskalen-Modellierung von Reibkorrosionsermüdung und Reibkorrosionsverschleiß unter nichtproportionalen Belastungen

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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 zum Beispiel Keilwellenkupplungen im Triebwerk, Rotorschaufel-Verbindungen in Turbinen und Hüftgelenk-Implantaten, et cetera Eine große Anzahl von Parametern sind verantwortlich für die Initiierung der Ermüdungsrisse und Verschleiß wie normale Belastung, tangentiale Kraft, Reibungskoeffizient, Oberflächenrauigkeit 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 inelastischen Verformungen zu verstehen. Ein phänomenologisches, konstitutives Modell wird im Rahmen der Kontinuumsschadensmechanik entwickelt, um die Lebensdauer der Rissbildung zu prognostizieren. Ein auf dem Konzept „kritische Ebenen“ basiertes 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.

 
 

MechanoCELL

Migrationsverhalten von Zellen unter mechanische Belastung

 

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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, um 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.

 
 

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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. Aufgrund der enormen Kapazität, die theoretisch um eine Größenordnung höher ist als die von traditionellen Graphitanoden, ist Silikon ein sehr vielversprechender Kandidat für das Anodenmaterial. 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.

 
 

BioWear

Multiskalenmodellierung des Verschleiß-Ermüdungsverhaltens biomimetisch hierarchischer Strukturen

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Biologische Hartkomposite 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 ihrer Schädigungstoleranz unter zyklischen, mechanischen und Umweltbelastungen korreliert. Für die Entwicklung von technischen Verbundwerkstoffen und Oberflächenbeschichtungen mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Schadenstoleranz kann die Nachahmung dieser Hartgewebe, die so entwickelt wurden, dass sie Multifunktionen erfüllen, zur innovativen Gestaltung neuartiger verschleißfester Werkstoffe führen.

In diesem Projekt wird der Zahnschmelz, der täglich während einer großen Anzahl von Kauzyklen Reibung und Verschleiß ausgesetzt ist, ausgewählt, um das Bauprinzip der hierarchischen Struktur zur Erzielung außergewöhnlicher mechanischer Eigenschaften und Funktionalitäten zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden experimentelle Studien durchgeführt, um das Verschleiß- und Ermüdungsverhalten des Zahnschmelzes zu charakterisieren. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen werden mikromechanische Simulationen durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Multiskalenstruktur und der außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit und Schadenstoleranz zu identifizieren. Zusätzlich wird ein makroskopisches Modell entwickelt, das mehrere Degradationsmechanismen der Strukturintegrität beinhaltet, um das Schädigungsverhalten unter zyklischen Belastungen zu beschreiben und die Verschleiß-Ermüdungslebensdauer vorherzusagen. Diese Lehren aus der Natur können als Inspiration für die Entwicklung von Konstruktionswerkstoffen mit den gewünschten Verschleiß-Ermüdungseigenschaften genutzt werden.

 
 

BioMag

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

  Biologisch abbaubares Magnesium-Implantat: Korrosionsbeanspruchung unter physiologischen Belastungen Urheberrecht: © IAM
 

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Songyun Ma

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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 besitzen eine hohe biologische Sicherheit und Biokompatibilität (280-300 mg erlaubte tägliche Einnahme)
3) Sie sind durch Korrosion biologisch abbaubar, somit ist keine zweite Operation zur Implantat Entnahme 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 Abbaumechanismus 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.

 
 

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 zum Beispiel Verformung und Dickenverteilung. Des Weiteren 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.

Kontakt: Dr.-Ing. Sandeep Patil