Deutsche Forschungsgemeinschaft und Bundesministerium für Bildung und Forschung

 

RePlaSys

Experimentbasierte virtuelle Evaluierung des Degradationsverhaltens von resorbierbaren Magnesiumimplantaten

 

Biologisch abbaubare Magnesiumlegierungen sind vielversprechende Materialien für den Einsatz als orthopädische Implantate. Sie verfügen über vergleichbare mechanische Eigenschaften wie Knochen, und vermeiden somit Stress-Shielding. Sie zeichnen sich durch eine hohe biologische Sicherheit und Biokompatibilität aus und sie sind durch Korrosion biologisch abbaubar, sodass eine zweite Operation zur Entnahme des Implantats überflüssig wird.

Die breite Anwendung von Magnesiumimplantaten wird zum heutigen Zeitpunkt durch eine unter physiologischen Bedingungen unkontrollierte Korrosion beschränkt. Die Entwicklung von kontrolliert abbaubaren Implantaten mit steuerbarem Festigkeitsverlust erfordert ein tiefes Verständnis der Abbaumechanismen sowie der mechanischen Integrität während dieses Prozesses. Im Rahmen dieses Projekts fokussieren wir uns auf die experimentelle Untersuchung des Korrosionsermüdungsverhaltens unter physiologischen Randbedingungen und auf die Multiskalen-Modellierung dieses biologischen Abbauprozesses. Der Phasenfeldansatz wird zur Untersuchung des Korrosionsmechanismus in der Mikroskala und zur Identifizierung der Korrelation zwischen Korrosion und der Oberflächentopologie der Beschichtung eingesetzt. Das phänomenologische Schadensmodell basiert auf experimentellen Beobachtungen und beschreibt das Korrosions-Ermüdungsverhalten der Implantate auf der Makroskala. Die Berechnungssimulationen ermöglichen die Evaluation und Optimierung der Strukturgestaltung biologisch abbaubarer Implantate für verschiedene orthopädische Anwendungen.

 

FrostHeave

Untersuchung und Berechnung der Frosthebungen für die speziellen Randbedingungen einer Baugrundvereisung

 

Konventionelle Laborversuche mit Frosthebungen werden durchgeführt, indem eine zylindrische Bodenprobe von oben nach unten eingefroren wird, beispielsweise im Straßenbau. Im Gegensatz zu diesen Versuchen erfolgt die Bodenvereisung bei innerstädtischen Bauprojekten in der Regel vom Inneren der Bodenmasse aus und wächst in entgegengesetzter Richtung zur Bodenoberfläche. Dadurch kommt es zunächst zu einer Volumenausdehnung des Porenwassers von 9 % und bei frostempfindlichen Böden zusätzlich zur Bildung von Eislinsen, was zu einer zusätzlichen Bodenhebung an der Oberfläche führt.

Bisher gibt es keine Untersuchungen, die die Gefrierrichtung nach oben berücksichtigen. Somit ist die Bildung von Eislinsen unter diesen Bedingungen unbekannt. Für die Berechnung der Frosthebungen müssen die komplexen physikalischen Vorgänge beim Gefrieren berücksichtigt werden. Ziel dieses Projektes ist es, das Frosthebungsverhalten frostempfindlicher Böden durch Bodenvereisung mit horizontalen Gefrierrohren zu bestimmen und zu beschreiben. Teil dieses Forschungsprojektes sind Frosthebungsversuche, die im Gegensatz zu konventionellen Versuchen eine Gefrierrichtung zur Bodenoberfläche hin simulieren. Die Bildung von Eislinsen erfolgt oberhalb der gefrorenen Zone, wo der Wasserfluss zur Frostgrenze nicht nur durch das entstehende Vakuum, sondern auch durch die Gravitation beeinflusst wird. Im Gegensatz zu Versuchen mit einer Gefrierrichtung nach unten erfolgt die Hebungsrichtung des gefrorenen Bodens in entgegengesetzter Richtung des Wasserflusses. In den experimentellen Versuchen wird überprüft, inwieweit dies die Bildung der Eislinsen beeinflusst. Bei diesen Versuchen wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers in der Bodenprobe untersucht. Im Rahmen einer Parameterstudie wird der Einfluss relevanter Parameter ermittelt. Zusätzlich werden standardisierte Frosthebungsversuche durchgeführt, um die resultierenden Hebungen sowie die gebildeten Eislinsen zu vergleichen, um Unterschiede aufgrund der Gefrierrichtung herauszuarbeiten. Darüber hinaus wird ein numerisches Mehrphasenmodell entwickelt, um die Frosthebungen mit den verschiedenen physikalischen Effekten und unter definierten Anfangs- und Randbedingungen zu simulieren.

Ein auf der Theorie poröser Medien basierendes Mehrphasenmodell wird formuliert und mit der Phasenfeldmethode erweitert, um die Eisbildung und den Phasenwechsel von Porenwasser zu Eis in porösen Medien zu modellieren. Das TPM-PFM-Modell berücksichtigt die infolge der Eisbildung reduzierte oder verhinderte Strömung der Porenflüssigkeit sowie die endlichen Deformationen des festen Skeletts aufgrund einer Volumenzunahme während des Phasenübergangs von Wasser zu Eis. Die Froststurz-Versuche dienen zur Kalibrierung und Validierung des numerischen Modells zur Berechnung von Gefrierprozessen mit Aufwärts- und Abwärtsfrost.