Dehnbare Elektronik wird immer nachgefragter und prägt den technischen
Fortschritt unserer Zeit mit. Ob in der Robotik, Unterhaltungselektronik,
Sportwissenschaft oder Biomedizin – mit flexiblen elektronischen Systemen
lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen. Wissenschaftler*innen der
Bergischen Universität Wuppertal ist es nun gelungen, einen neuartigen
Designansatz für die dafür benötigten Bauelemente zu entwickeln.
Schon heute gibt es beispielsweise elektrisch leitfähige Wundauflagen, mit
denen sich Körperfunktionen von Patient*innen überwachen lassen – ohne
deren Bewegungsfreiheit einzuschränken – und die so dazu beitragen, die
Heilung von Verletzungen zu beschleunigen. Das Potenzial dehnbarer
Elektronik ist noch längst nicht ausgeschöpft. Die Herausforderung bei der
Entwicklung solcher Systeme besteht darin, dass konventionelle
elektronische Bauelemente und Leitermaterialien unter den großen Dehnungen
in der Anwendung versagen würden. Wissenschaftler*innen forschen daher an
immer neuen, ausgeklügelten Designs für die Dehnbarkeit der in den
Systemen verbauten Verbundwerkstoffe.
Auch an der Bergischen Universität Wuppertal beschäftigen sich Forschende
mit dem Thema. In einem jüngst abgeschlossenen Projekt arbeiteten
fakultätsübergreifend Mitarbeitende aus den Fachgebieten für Großflächige
Optoelektronik und für Computergestützte Modellierung in der
Produktentwicklung zusammen.
Risse sorgen für Entlastung
Unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Patrick Görrn entwickelte das Team der
Optoelektronik einen neuartigen Designansatz für dehnbare
Verbundwerkstoffe, der darauf basiert, ein Muster von stabilisierten
Oberflächenrissen auszunutzen: Wenn die Struktur verformt wird, weiten
sich die Risse und entlasten so einen Teil des Materials, damit die
empfindlichen leitfähigen Metallschichten und Bauteile vor großen
Verformungen geschützt werden.
Wie genau die Rissausbildung und die Dehnungsentlastung in diesen
Strukturen funktioniert und wie zuverlässig diese Mechanismen sind wurde
wiederum mit Hilfe numerischer Simulationen von den Wuppertaler
Kolleg*innen aus dem Bereich der Computergestützten Modellierung unter
Leitung von Dr.-Ing. Jana Wilmers untersucht. Die Erforschung des
mechanischen Verhaltens und der jeweiligen Struktureigenschaften der
Materialien in den Verbundwerkstoffen macht die Entwicklung von Strukturen
mit maßgeschneiderten Eigenschaften möglich.
Grenzen ausgelotet
„Wir haben digitale Repräsentationen der Strukturen geschaffen, die es uns
erlauben, verschiedene Werkstoff-Kombinationen und geometrische Designs
effizient und ressourcensparend zu untersuchen und die Grenzen der extrem
belastbaren und hoch dehnbaren Strukturen auszuloten“, erklärt Dr.
Wilmers. Die fakultätsübergreifende Zusammenarbeit von Forschenden der
Bergischen Universität ebnet so den Weg für die Entwicklung
hochfunktioneller dehnbarer elektronischer Systeme mit anpassbaren
Eigenschaften und großer funktionaler Oberfläche. Auf den Punkt gebracht:
beste Voraussetzung dafür, flexible Elektronik zukünftig noch besser zu
machen und neue innovative Anwendungsbereiche zu erschließen.
Das Forschungsprojekt „Modellierung und Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften von grenzflächen-strukturierten Mehrschichtkompositen unter
großen Deformationen“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
über knapp zweinhalb Jahre mit 200.645 Euro gefördert.
Infobox: Zusammenarbeit
Das Fachgebiet für Computergestützte Modellierung in der
Produktentwicklung gehört zur Fakultät für Maschinenbau und
Sicherheitstechnik. Der Bereich der Großflächigen Optoelektronik ist in
der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik
angesiedelt.
