Biomimetische Formoptimierung 3D-gedruckter Glas Nanolattice Metamaterialien

Forschungsthema/Bereich

Mechanische Metamaterialien, Nanolattices, FEM-Simulation, Strukturoptimierung, Additive Fertigung

Typ der Abschlussarbeit

Bachelor / Master

Startzeitpunkt

-

Bewerbungsschluss

31.12.2026

Dauer der Arbeit

4-6 Monate

Beschreibung

Hintergrund:
Metamaterialien sind künstliche Werkstoffe, die aus räumlich strukturierten Bausteinen (z. B. Fachwerkgittern) aufgebaut sind. Durch dieses rationale Design erreichen sie einzigartige Eigenschaften, die klassischerweise als unmöglich gelten. In Nanolattices (1) ermöglichen miniaturisierte Fachwerkbausteine die Ausnutzung Materialgrößeneffekten, die typischerweise fragile Materialien wie Glas eine extreme mechanische Festigkeit verleihen. Da sie jedoch spröde bleiben, reagieren Nanolattices empfindlich auf Spannungskonzentrationen an ihren Fachwerkknoten. Biologische Strukturen wie Bäume haben es geschafft, Spannungskonzentrationen durch optimiertes lokales Wachstum zu beseitigen (2). Die Anwendung solcher Formoptimierung in Nanolattices birgt ein enormes Potenzial zur weitern Steigerung ihrer mechanischen Eigenschaften.

Dein Projekt:
Entwickele einen Ansatz zur Formoptimierung der Knoten von Nanolattice Fachwerken. Dabei führst du systematische parametrische Finite-Elemente-Simulationen mit optimierten biomimetischen Knotendesigns und neuartigen technischen Formen durch, um ein Leichtbau Knotendesign zu identifizieren, das sowohl lokale Spannungskonzentrationen als auch die Gesamtmasse der Fachwerkkonstruktionen minimiert. Weiter verfeinerte Lösungen werden mit Hilfe einer impliziten Optimierungsroutine gewonnen, die dem spannungsinduzierten Wachstum von Bäumen nachempfunden ist. Mechanische Experimente mit 3D-gedruckten Glas Nanofachwerken werden die besten Optimierungsergebnisse validieren.
Werde Teil eines jungen und dynamischen Teams mit flacher Hierarchie und betreiben innovative Forschung an der Schnittstelle von Maschinenbau, Werkstoffkunde und Fertigungstechnologie. Als Mitglied des Exzellenzclusters 3D Matter Made to Order verfügt unser Labor über einen umfangreichen Pool hochmoderner Geräte und ist Teil eines erstklassigen Experten-Netzwerk auf dem Gebiet der additiven 3D-Fertigung.

(1) J. Bauer et al., Advanced Materials 29, 1701850 (2017)
(2) C. Mattheck, Design in nature: learning from trees. (1998)

Details: https://www.iam.kit.edu/zm/img/content/2025-11-06%20NanoLatticeShapeOptimization_.pdf

Voraussetzung

Voraussetzungen an Studierende

• Studium MACH, MatWerk, oder angrenzenden Fachbereichen
• Gute Mechanik Kenntnisse, erste Erfahrung mit FEM sowie der Datenanalyse mit MATLAB hilfreich
• Begeisterung für aktuelle Forschungsthemen

Studiengangsbereiche

• Ingenieurwissenschaften
  Maschinenbau
  Materialwissenschaft & Werkstofftechnik
  Mechanical Engineering

Betreuung

Titel, Vorname, Name

Jun.-Prof. Dr. Jens Bauer

Organisationseinheit

IAM

E-Mail Adresse

jens.bauer@kit.edu

Link zur eigenen Homepage/Personenseite

Website

Bewerbung per E-Mail

Bewerbungsunterlagen

• Anschreiben
• Lebenslauf
• Notenauszug
• Immatrikulationsbescheinigung

E-Mail Adresse für die Bewerbung
Senden Sie die oben genannten Bewerbungsunterlagen bitte per Mail an jens.bauer@kit.edu


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