Nachhaltige Materialien und Sensor-Technologien: Die interdisziplinäre Forschungsreise von Philipp Baron

Vom Bachelor zum durch die Carl-Zeiss-Stiftung geförderten Projekt "Intelligente Naturfaserwerkstoffe"

Philipp Baron begann seine akademische Reise mit einem Bachelor-Abschluss imWirtschaftsingenieurwesen der Hochschule Trier mit Schwerpunkt Fahrzeugtechnik. Durch seine Bachelorarbeit lernte er Prof. Dr. Armin Wittmann kennen und arbeitete bei ihm als wissenschaftliche Hilfskraft im Labor für angewandte Produktionstechnik (LAP). Prof. Dr. Armin Wittmann betreute auch seine Masterarbeit und später die Promotion.

Seine kooperative Promotion begann einige Monate nach dem Ausbruch der Corona-Pandemie in Zusammenarbeit mit der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) in Erlangen. Dort wurde er von Prof. Dr. Georg Fischer vom Lehrstuhl für Technische Elektronik betreut. „Meine Doktorarbeit war ein integraler Bestandteil des Projekts ‘Intelligente Naturfaserwerkstoffe‘, das von der Carl-Zeiss-Stiftung mit einer Million Euro über drei Jahre gefördert wurde.“, erklärt er.

Das Projekt hatte das Ziel, einen intelligenten und nachhaltigen Naturfaserverbundwerkstoff zu entwickeln, der in verschiedenen Anwendungen, insbesondere im Automobilbereich, für tragende Strukturen eingesetzt werden kann. Es war in drei Hauptteile gegliedert: Erstens die eingehende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des Naturfaserverbundwerkstoffs. Zweitens die Durchführung einer Simulation von Verbundwerkstoffen, um ihr Verhalten unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen. Drittens – und darauf konzentrierte sich Philipp Barons Forschung - die Entwicklung eines elektromechanischen Sensorelements zur strukturellen Bauteilüberwachung für diese Naturfaserverbundwerkstoffe.

Ein Arbeits- und Forschungsumfeld im interdisziplinären Team

Über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren widmete sich Philipp Baron der Entwicklung eines elektromechanischen Sensorelements, welches gezielt auf die besonderen Herausforderungen des mechanischen Verschleißverhaltens von Naturfaserverbundwerkstoffen abzielen. Eines der Hauptziele von Barons Forschung war die Erkennung von Defekten durch mechanische Belastungen innerhalb der Verbundwerkstoffstruktur, um so eine proaktive Warnung vor plötzlichem Materialversagen zu geben und somit die strukturelle Integrität sicherzustellen – ein entscheidender Aspekt für sicherheitskritische Anwendungen wie Automobilkomponenten.

Seine Arbeitsweise war geprägt durch die interdisziplinäre Teamarbeit im Labor für angewandte Produktionstechnik (LAP). Dort arbeiteten Maschinenbauer, Wirtschaftsingenieure, Elektrotechniker, Automatisierungstechniker und auch Informatiker mit ihm an dem Projekt. Dazu gehörten sowohl Promovierende und Professoren als auch Studierende im Rahmen von Hiwi-Tätigkeiten, Bachelor- und Masterarbeiten. „Wir haben im Projekt praktisch immer zusammengearbeitet. Das war sehr motivierend, weil Prof. Dr. Wittmann zunächst im Labor eine gute Forschungsumgebung zur Verfügung gestellt hat, aber auch das Team sehr gut geführt hat, wodurch ein entspanntes, lehrreiches und angenehmes Arbeits- und Forschungsumfeld entstanden ist. Wir konnten enorm viel voneinander lernen“, erzählt er.

Dank der finanziellen Unterstützung durch die Carl-Zeiss-Stiftung konnten zahlreiche Positionen geschaffen werden. Philipp Baron war verantwortlich für die Betreuung studentischer Hilfskräfte, die an dem Projekt arbeiteten und nicht nur reine Aufgaben wie Messungen und die Entwicklung von Prüfständen übernahmen, sondern nach einiger Zeit auch für die Entwicklung ganzer Teile des Projekts zuständig sein konnten. „Es bereitete mir große Freude, zusammen mit den Studierenden an ihren Projekten zu arbeiten“, berichtet er.

Anwendungen der Forschung in der Automobilindustrie

Naturfaserverbundwerkstoffe finden in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen Verwendung. Sie können für die Herstellung von Gegenständen wie z.B. Koffern genutzt werden, jedoch entfalten sie ihr volles Potenzial besonders bei Objekten, die normalerweise schwer sind und ständig mechanischer Belastung ausgesetzt sind. Ein herausragendes Beispiel hierfür ist das Automobil, dessen Energieverbrauch mit steigendem Gewicht zunimmt. Durch den Einsatz von Naturfaserverbundwerkstoffen kann das Gewicht reduziert werden, was wiederum zu einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und des CO2-Fußabdrucks führt. Aktuell ist jedoch ein gegenteiliger Trend zu beobachten, da Autos immer größer und schwerer werden.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen bietet daher einen klaren Vorteil für die Gewichtsreduzierung von beispielsweise Autos. Jedoch birgt dies das Problem, dass ihr mechanisches Versagensverhalten sich von herkömmlichen Materialien unterscheidet. In einem Auto aus herkömmlichen Metallen ist Rost ein deutlicher Indikator für Alterung und Verschleiß. Er ist sofort sichtbar und signalisiert die Notwendigkeit eines Austauschs. Im Gegensatz dazu ist bei Verbundwerkstoffen aufgrund ihrer Faserstruktur ein innerer Faserriss nicht sichtbar. Somit kann das Bauteil plötzlich und unerwartet ohne Vorwarnung versagen. Hier setzt Philipp Barons Forschungsarbeit an: die Entwicklung eines integrierten Sensorelements, welches rechtzeitig vor einem Defekt im Inneren des Bauteils warnt und einen Austausch empfiehlt.

„Für mich war der schönste Moment meiner Promotion die erste erfolgreiche Erprobung meines Sensors. Nach zweieinhalb Jahren Arbeit war die Konkretisierung ein Anlass zum Korkenknallen.“, erzählt er.

Ausblick in die Zukunft

Nach seiner Promotion hat Philipp Baron in Stuttgart eine Stelle als Entwicklungsingenieur in der Vorentwicklung gefunden, wo er neue Technologien im Bereich der Verbindungstechnik erforscht. Seine Vision ist, dass zukünftig intelligente Sensoren nahtlos mit umweltfreundlichen Materialien integriert und die Herstellungsprozesse und Nachhaltigkeitspraktiken verschiedener Branchen verbessert werden. Er hofft auf vielversprechende Aussichten für Technologien.

Louise Gubanski