Ansprechpartner

Ivanova, Elvira M.Sc.
Leiterin der Feingussgruppe
Lehrstuhl für Gießereiwesen

Tel.: +49 (0) 241 80 - 98152
e.ivanova@gi.rwth-aachen.de

Bionik

In Anlehnung an natürliche Konstruktionsprinzipien werden am Gießerei-Institut neben den im Exzellenzcluster behandelten mikrostrukturierten Oberflächen auch „strukturoptimierte Schwämme“ als Forschungsgebiet verfolgt.

Im interdisziplinären Forschungsvorhaben „Design und Herstellung gradierter zellularer Endoprothesen und Leichtbaustrukturen“ werden belastungsgerechte schwammartige Strukturen gefertigt, die auf die Dichteverteilung, Makro- und Mikrostruktur sowie auf die Gestaltung optimiert werden.

Mg-Ca-Zn als biodegradierbarer Implantatwerkstoff

Die Degradation von Magnesium in wässrigen Elektrolyten wird genutzt, um Implantate zu generieren, die sich in vivo in einem definierten Zeitraum möglichst rückstandslos auflösen. Anders als bei permanenten Implantaten, entfällt somit die Folgeoperation, bei der das Implantat entnommen wird. Magnesium besitzt zudem ähnliche physikalische und mechanische Eigenschaften zu denen des menschlichen Knochens, ist ein essentielles Element des menschlichen Metabolismus und ein entsprechend vielversprechender Kandidat für exzellente Biokompatibilität und Integrität. Durch gezieltes Legierungsdesign unter ausschließlicher Verwendung nicht-toxischer Elemente und durch geeignete Wahl des Herstellungsverfahrens und somit der generierten Mikrostruktur können somit spezifische Degradationsraten eingestellt werden.

Bionik – metallische Schwämme

Zellulare offenporige metallische Strukturen stellen einen Verbundwerkstoff mit einzigartigen Eigenschaften dar. Das geringe Gewicht, die gute Wärmeleitfähigkeit, die Durchström- und Infiltrierbarkeit, die hohe Porosität von bis zu 98 % und das gute Energieabsorptionsvermögen machen diese Strukturen äußerst interessant für Leichtbaukonstruktionen. Gerade die Energiedämpfungseigenschaften versprechen interessante Anwendungen als Sicherheitselemente, zum Beispiel im Automobilbereich oder Transportwesen.  Die Auslegung der im Feingussprozess hergestellten Strukturen erfolgt im Rahmen des SSP1420 nach natürlichem Vorbild. Die zellularen Strukturen der Pomelo-Fruchtschale weisen in Falltests eine überragende  Energiedissipation beim Aufprall der Frucht auf. Wie Untersuchungen zeigen liegt es nahe, dass diese Eigenschaft durch eine spezielle hierarchische Anordnung der vorliegenden Bausubstanz realisiert wird. So weist die Schale der Pomelofrucht mindestens sieben hierarchische Ebenen auf. Eine Übertragung einzelner Hierarchieebenen oder Hierarchiekombinationen auf technische offenporige Metallschäume verheißt einen Verbundwerkstoff mit exzellenter Energiedämpfung bei gleichzeitig geringem Materialeinsatz und den damit einhergehenden Leichtbaueigenschaften.

Gießen mikrostrukturierter Oberflächen

Ein weiterer gießtechnisch interessanter Bereich der Bionik ist der Transfer bionischer Oberflächenstrukturen wie dem selbstreinigenden Lotusblatt oder der Haifischhaut auf technische Bauteile wie etwa ein am Gießerei-Institut entwickelter Luftmengenbegrenzer für den Rennsportbereich.

Ferner beschäftigt sich derzeit ein von der DFG gefördertes Projekt mit der gusstechnischen Mikrostrukturierung bioaktiver Gläser. Ziel der interdisziplinären Arbeiten ist der direkte Erhalt der Oberflächenstrukturen ohne Energie einbringende Nachbearbeitung, die eine unerwünschte Rekristallisation des Glases provozieren würde.