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J. Hüsing:
"Numerische Simulation des Relaxationsverhaltens von viskoelastischen zellulären Strukturen";
Betreuer/in(nen): H. E. Pettermann; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien; TU Dresden, 2011.

Obwohl uns zelluläre Materialien im alltäglichen Leben in vielfältigen Anwendungen immer wieder begegnen, ist ihre Erforschung als eigenständige Materialgruppe noch lange nicht erschöpfend behandelt oder verstanden. Dabei sind es gerade die Eigenschaften, die aus dem speziellen strukturellen Aufbau dieser Materialien hervorgehen, die es ermöglichen, zelluläre Materialien so vielseitig einzusetzen. Ob in der Natur als Holz, Knochen oder Kork oder bei technischen Anwendungen als Dämpfer, Isolation, Verpackung oder im Leichtbau, immer sind es Anwendungen, deren spezifische Anforderungen zelluläre Materialien in besonderem Maße erfüllen. Und gerade bei den technischen Anwendungen kommt eine weitere Besonderheit zu tragen, die sie von allen anderen Materialien unterscheidet: Die Möglichkeit mechanische Eigenschaften gezielt auf bestimmte Anforderungen anzupassen. Dadurch können zelluläre Materialien auf Anwendungsgebiete maßgeschneidert werden, für die bisher kein passender Werkstoff zur Verfügung steht, störende Eigenschaften existierender Werkstoffe verringert oder wünschenswerte Eigenschaften hervorgehoben werden. Ein potentielles Beispiel wären hier zukünftige Knochenimplantate im Rahmen der Krebsforschung.

Um dieses Potential voll auszunutzen, ist allerdings ein fundiertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften und ein Beherrschen exakter Herstellungsverfahren notwendig. In diesen Zusammenhang ist ein Projekt einzuordnen, in dem unter Beteiligung der Technischen Universität Wien neue zelluläre
Strukturen entwickelt, mit den Mitteln der Finiten Elemente Methode simuliert, Proben per Rapid Prototyping hergestellt und getestet werden [1]. Die Rapid Prototyping Verfahren ermöglichen hierbei die Herstellung zellulärer Strukturen mit exakt definierter Mikrostruktur in hoher räumlicher Auflösung.

Bei der Herstellung und Simulation der zellulären Materialien wurde größtenteils ein polymeres Grundmaterial verwendet, das auch viskoelastische Eigenschaften aufweist. Dies warf die Frage auf, in wie weit die Mikroarchitektur zellulärer Materialien Einfluss auf das viskoelastische Verhalten hat. Werden die Eigenschaften übernommen oder beeinflusst und verändert die Mikroarchitektur das viskoelastische Verhalten noch?

Die Aufgabe dieser Arbeit ist es, geeignete Modelle zur Ermittlung und rechnerischen Charakterisierung des viskoelastischen Verhaltens verschiedener zellulärer Strukturen zu entwerfen und zu simulieren, sowie die Vergleichbarkeit mit realen Proben zu untersuchen und mögliche Einflüsse auf Abweichungen in den Ergebnissen zu identifozieren. Dazu werden fünf verschiedene Zelltypen verwendet, deren Modelle im Rahmen des Projektes zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften zellulärer Materialien am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik (ILSB) der TU Wien entwickelt wurden.

Eingangs wird eine kurze Einführung und ein Überblick über zelluläre Materialien gegeben, die untersuchten Zelltypen vorgestellt und auf die in diesem Fall wichtigsten mechanischen Eigenschaften lineare Viskoelastizität und kubische Anisotropie eingegangen. Danach soll die numerische Modellierung beschrieben werden: Der Ansatz für die
generelle Charakterisierung des homogenisierten Materials und die Umsetzung als endliche Proben. Nach einer Erläuterung der grundlegenden Konzepte, wird im Folgenden auf die konkreten numerischen Modelle eingegangen. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Simulationen präsentiert und ausgewertet und zum Schluss eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben.