Forschungsthema der Chemie-Talentsgruppe
 
Laborarbeit mit Klebstoffen – High-Tech-Produkt und Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts
Die Zeiten, in denen  Klebstoffe nur für „Alltagsprodukte“ verwendet wurden, sind längst vorbei. Inzwischen stellt Klebstoff eines der ausgefeiltesten High-Tech-Produkte unserer Zeit dar und die Klebtechnik gilt als eine der Schlüsseltechnologien dieses Jahrhunderts. In der industriellen Produktion ist das Kleben DIE innovative Fügetechnik und ein unverzichtbarer Bestandteil für den „Zusammenhalt“ modernster Produkte vom Handy bis zum Flugzeug. Klebstoffe revolutionieren die Elektro- und Elektronikindustrie und werden sogar im Bereich der regenerativen Energien eingesetzt – z.B. bei der Produktion von Rotorblättern von Windkraftanlagen oder bei der Herstellung von Solarmodulen.

Das Kleben bietet demnach eine Fülle interessanter Anwendungsmöglichkeiten, verlangt allerdings auch sehr fundierte Kenntnisse, um die gegebenen Möglichkeiten nutzen zu können. Werk- und Klebstoffe müssen optimal aufeinander abgestimmt und entsprechend vorbehandelt werden, um die ihnen zugedachten Aufgaben erfüllen zu können.DEN Klebstoff gibt es also gar nicht, denn sonst wären die vielfältigen Anforderungen, die ein Klebstoff in der Klebung zu erfüllen hat, in der industriellen und handwerklichen Fertigung wohl kaum abzudecken.

Inhalte der Fachworkshops:
Da es sich bei der Klebtechnik um ein systemisches Fügeverfahren handelt, das auf einer Vielzahl ineinander greifender Prozesse beruht, ist die Ausrichtung der Workshops grundsätzlich interdisziplinär. In den einzelnen Phasen werden somit neben chemischen auch physikalische oder ingenieurwissenschaftliche Themen behandelt.

Im Fokus steht die Beschäftigung mit der Vielzahl der existierenden Klebstoffe in der Theorie und Praxis. Die Teilnehmer lernen die verschiedenen Klebstoffklassen kennen, die durch Laborversuche veranschaulicht werden. Klebungen werden im fertigen Produkt bei dessen Verwendung mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, z.B. durch Schlag, Vibrationen oder lang einwirkende konstante Kräfte. Klebungen sollen diesen Beanspruchungen möglichst lange widerstehen, ohne sich negativ zu verändern oder gar zerstört zu werden. Daraus ergibt sich die im Workshop zu klärende Frage, wie ein geklebtes Bauteil konstruiert sein muss, damit es den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen standhalten kann.

Obwohl die Fügetechnik Kleben bereits vielfältig als „Problemlöser“ eingesetzt wird, ist sie bis heute naturwissenschaftlich noch nicht vollständig verstanden. Verschiedene (Adhäsions-)Modelle, die ebenfalls in den Workshops erläutert werden, beschreiben jeweils einzelne Aspekte und sind für  bestimmte Anwendungsbereiche gültig. Jedoch ist es bisher noch nicht gelungen, die verschiedenen Modelle nachhaltig zusammenzuführen. Dies und viele andere Fragestellungen der Klebtechnik und rund um die High-Tech-Klebstoffe stellen zukünftig ein interessantes und wichtiges Forschungsgebiet dar, in das ihr in den angebotenen Fachworkshops hineinschnuppern könnt.

Forschungsthema der Math-Talentsgruppe

Optimale Nutzung der Sonnenenergie - Mathematische Modellierung, Simulation, Optimierung, Chancen und Risiken
In der Gruppe Math-Talents geht es darum, einen intensiven Einblick in die Welt der Mathematischen Modellierung, Simulation und Optimierung zu vermitteln – einer Schlüsselkombination für zukünftige technische Innovationen!

1. Mathematische Modellierung
Ausgangspunkt ist eine Problemstellung aus der Praxis, die in der Regel in nicht-mathematischer Art und Weise formuliert ist und mit Standardmethoden und -werkzeugen gar nicht oder nicht zufriedenstellend zu lösen ist.

Im Modellierungsprozess wird die ursprüngliche Fragestellung unter Berücksichtigung bestimmter Annahmen in ein mathematisches Problem übersetzt. Dieser Prozess ist nicht eindeutig und erfordert die Einarbeitung des Mathematikers in das Arbeitsfeld und die Sprache des Anwenders, damit die Übersetzung möglich wird. Bereits zu Beginn muss bedacht werden, dass die aufgestellten Modelle in den nachfolgenden Schritten auch bearbeiten werden können: Das genaueste Modell nützt sehr wenig, wenn die Auswertung in der Simulation für eine geforderte Echtzeitfähigkeit nach heutigem Stand der Technik zu langsam ist.

Ist ein mathematisches Modell aufgestellt, können mathematische Operationen nötig werden. So kann es sein, dass die Existenz von Lösungen unter den gegebenen Voraussetzungen theoretisch untersucht wird. Manchmal werden sogar komplett neue mathematische Theorien oder Lösungsverfahren entwickelt. Hier gibt es eine Reihe von Fehlerquellen, wobei wir die innermathematischen zunächst ausklammern möchten. Es sind vielmehr die Modellfehler, die durch die zu treffenden Annahmen und Vereinfachungen eingebracht werden, und später Schwierigkeiten nach sich ziehen können.

2. Simulation
Für die zuvor aufgestellten mathematischen Fragestellungen werden in diesem Schritt Näherungslösungen gefunden. Im Normalfall kommt hier die numerische Mathematik ins Spiel, die mittels geeigneter Verfahren und des Computers bei der Berechnung von Näherungslösungen behilflich ist. Allerdings beinhaltet dies eine zweite Fehlerquelle, nämlich den Rechenfehler

3. Verifikation
Wenn schließlich eine Näherungslösung für das mathematische Problem gefunden ist, besteht ein wichtiger Schritt in der Verifikation: Zunächst sollte die Näherungslösung eine Lösung des mathematischen Problems darstellen. Es bedarf aber auch einer Rückübersetzung dieser Lösung und eine Interpretation im Rahmen des ursprünglichen Anwendungsproblems. Es kann vorkommen, dass zwar eine mathematisch sinnvolle Lösung berechnet wurde, diese aber aufgrund unpassender Annahmen oder zu starker Vereinfachungen für die originale Fragestellung des Anwenders  unbrauchbar ist. Somit bedeuten die ersten beiden Schritte der Modellierung und Simulation nicht selten eine Iteration, bei der das Modell so lange modifiziert wird, bis schließlich eine zufriedenstellende Lösung im Sinne des Anwenders erreicht ist.