Die konventionelle Materialentwicklung konzentriert sich auf die Einstellung von Chemie und Gefüge von Festkörpern. Metamaterialien gehen über diese klassischen Ansätze hinaus. Sie sind künstliche Werkstoffe die aus räumlich strukturierten Bausteinen, wie Fachwerk Architekturen, gefertigt sind. Die Integration dieser rationalen Architekturen auf der Materialebene verschafft Metamaterialien einzigartige, unkonventionelle Eigenschaften, die mittels klassischem Materialdesign unzugänglich sind.

Die Vorlesung behandelt die Grundlagen der Mechanik verschiedener Metamaterial-Architekturen, diskutiert Designprinzipien und relevante Fertigungstechniken von der Makro- bis zur Nanoskala, sowie deren gegenseitige Abhängigkeit, und betrachtet neuste Anwendungsszenarien in Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Mikrosystemtechnik und Mobilität.

Die Studierenden lernen

• das Design von Balken-, Schalen- und Platten-basierten räumlichen Architekturen, für Verhalten wie extreme Festigkeit & Steifigkeit, programmierbares/adaptives Verhalten und negative effektive Eigenschaften.
• die mathematische Beschreibung und Vorhersage des mechanischen Verhaltens solcher Architekturen.
• die Grundlagen der relevanten Fertigungsprozesse, einschließlich Schäumen, Assembly und 3D-Druck, sowie deren Einfluss auf Design und Material.
• die Zusammenhänge zwischen Architektur und Größenordnung und wie mikro- und nanoskalige Architekturen extreme physikalische Größeneffekte ausnutzen können.

Vorkenntnisse in Mechanik, Physik und Werkstoffkunde empfohlen

Präsenzzeit: 22,5 Stunden

Selbststudium: 97,5 Stunden

mündliche Prüfung (ca.30 min)

keine Hilfsmittel

Gibson, L. J. & Ashby, M. F. Cellular Solids: Structure and properties. (Cambridge Univ. Pr., 2001).

Fleck, N. A., Deshpande, V. S. & Ashby, M. F. Micro-architectured materials: past, present and future. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 466, 2495–2516 (2010).

Bauer, J. et al. Nanolattices: An Emerging Class of Mechanical Metamaterials. Adv. Mater. 29, 1701850 (2017).

Jiao, P., Mueller, J., Raney, J. R., Zheng, X. (Rayne) & Alavi, A. H. Mechanical metamaterials and beyond. Nat. Commun. 2023 141 14, 1–17 (2023).