Biomimetische Formoptimierung 3D-gedruckter Glas Nanolattice Metamaterialien

Research topic/area

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

Type of thesis

Bachelor / Master

Start time

-

Application deadline

31.12.2026

Duration of the thesis

4-6 Monate

Description

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

Requirement

Requirements for students

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

Faculty departments

• Engineering sciences
  Mechanical engineering
  Material sciences & engineering
  Mechanical Engineering

Supervision

Title, first name, last name

Jun.-Prof. Dr. Jens Bauer

Organizational unit

IAM

Email address

jens.bauer@kit.edu

Link to personal homepage/personal page

Website

Application via email

Application documents

• Cover letter
• Curriculum vitae
• Grade transcript
• Certificate of enrollment

E-Mail Address for application
Senden Sie die oben genannten Bewerbungsunterlagen bitte per Mail an jens.bauer@kit.edu


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