Schon heute gibt es beispielsweise elektrisch leitfähige Wundauflagen, mit denen sich Körperfunktionen von Patienten 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 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 Kollegen 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.
