Prof. Dr.-Ing. Frank Balle

Walter-und-Ingeborg-Herrmann-Professur für Leistungsultraschall und Technische Funktionswerkstoffe

Frank Balle erforscht und entwickelt nachhaltige multifunktionale Werkstoffkonzepte sowie deren ingenieurwissenschaftliche Prüf- und Prozesstechnik.

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Vision: Erneuerbare Werkstoffsysteme mit unendlicher Nutzungsdauer

Der Weg zum technischen Metabolismus

Stellen Sie sich vor, es gäbe nahezu keine Abfälle mehr, sondern in Analogie zur Natur nur noch Nährstoffe und somit einen technischen Stoffwechsel. Auf dem Weg zu diesem großen Ziel, spielen die initiale Werkstoffauswahl sowie verfügbare Verarbeitungstechnologien eine entscheidende Rolle.

Nach dem Erreichen einer anwendungsbezogenen Nutzungsdauer (End-of-Life) technischer Werkstoffsysteme wird durch materialspezifische Bewertungsmethoden die Leistungsfähigkeit der Systemkomponenten überprüft. Eine sichere Wiederverwendung oder alternativ eine hochwertige Wiederverwertung aller Komponenten ist das Ziel. Schlüsseltechnologien zur Umsetzung geschlossener technischer Materialkreisläufe stellen Verbindungs-, Trenn- und Reparaturverfahren für technische Funktionswerkstoffe dar. Das materialwissenschaftliche Credo lautet daher: Nach der Nutzung ist vor der Nutzung!

Die INATECH Gruppe um Frank Balle verfolgt diese Vision mit folgenden Ansätzen in Forschung und Lehre:

  • Hybride Werkstoffsysteme: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde der nächsten Generation

    Leichtere und effizientere Strukturen bei gleichzeitiger Erhöhung von Funktionalität sowie kostenneutraler Fertigung herzustellen, sind kaum noch durch monolithische Werkstoffkonzepte erreichbar. Hybride Werkstoffsysteme hingegen eröffnen neue maßgeschneiderte Lösungswege. Ein hybrides Werkstoffsystem entsteht durch die geschickte Kombination von verschiedenen Werkstoffen oder gar Werkstoffklassen mit Hilfe neuer Herstellungsverfahren zu einem Verbundwerkstoff oder alternativ zu einem Werkstoffverbund durch einen materialspezifischen Fügeprozess.

  • Ultra + X: Pionieranwendungen von Leistungsultraschall

    Im Forschungsschwerpunkt »Ultra + X« werden alle Themen zusammengeführt, die Leistungsultraschall zur Charakterisierung oder Herstellung von zumeist hybriden Werkstoffsystemen nutzen. So werden Schwingungen bei Frequenzen von 20.000 Hz zum Verbinden stark unterschiedlicher Werkstoffe, wie insbesondere Leichtmetalle (Al, Ti, Stähle) mit polymeren Faserverbundwerkstoffen (CFK, GFK) oder auch Gläsern bzw. Keramiken genutzt. Ein längerfristiges Ziel ist die Weiterentwicklung von Leistungsultraschall zu einer Nachhaltigkeitstechnologie, die ein Fügen, Trennen und Reparieren »auf Knopfdruck« erlaubt und somit einen technischen Metabolismus ermöglicht. Darüber hinaus nutzen wir die Technologie zur patentierten beschleunigten Lebensdauerermittlung von Faserverbundwerkstoffen, um anwendungsrelevante Fragestellungen zur Robustheit und Langlebigkeit von Materialsystemen grundlagenorientiert zu untersuchen.

  • Multi + X: Multifunktionale Werkstoffkonzepte und Multi-Material-Systeme der Zukunft

    Neben der Herstellung von hybriden Leichtbaustrukturen werden aktuell insbesondere intrinsisch hergestellte Verbundwerkstoffe grundlagenorientiert untersucht. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bewertung mechanisch-funktioneller Eigenschaften von Verbundwerkstoffen wie z.B. C-Faser- oder Metallfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK, MCFK) mit Blick auf Lebensdauer bzw. Langlebigkeit und digitaler Schädigungsüberwachung. Ferner werden Grundlagen zur Übertragung von Schweißverbindungen im Labormaßstab auf bauteilnahe Strukturen (Multi-Spot-Joints) betrachtet.

Forschung

Im Mittelpunkt der Forschung stehen hybride Werkstoffsysteme:
das Verbinden von Materialien sowie die Erforschung von Verbundwerkstoffen

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Ultra + X: Entwicklung und Anwendung von Leistungsultraschall für Ingenieuranwendungen


Verbinden stark unterschiedlicher Werkstoffe (z.B. Al, Ti, Stähle) mit Faserverbundwerkstoffen (CFK, GFK) oder auch Gläsern und Keramiken; Lebensdauerermittlung von Faserverbundwerkstoffen.


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Multi + X: Multifunktionale Werkstoffkonzepte und Multi-Material-Systeme


Grundlagenorientierte Untersuchung intrinsisch hergestellter Verbundwerkstoffe – Schwerpunkt: mechanisch-funktionelle Eigenschaften von Verbundwerkstoffen (CFK, MCFK); Herstellung von Hybridstrukturen.

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Hybride Werkstoffsysteme: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde


Leichtere und effizientere Strukturen erstellen und trotzdem Funktionalität erhöhen und Herstellungskosten neutral halten: mit monolithischen Werkstoffkonzepten ist das kaum noch möglich. Neue Herstellungsverfahren und die geschickte Kombination verschieder Werkstoffe eröffnen innovative Möglichkeiten.

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Projekte

Die Professur »Leistungsultraschall und Technische Funktionswerkstoffe« (EFM) forscht aktuell in den Bereichen:

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Alterungsbeständige Metall/CFK-Verbindungen für Luftfahrtanwendungen (USS-Transfer)

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Beschleunigte Lebensdauerermittlung von Faserverbundwerkstoffen durch Ultraschallermüdung (VHCFK)

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Aktivierung und Einbringung lebensdauerbestimmender Defekte in hybriden Materialsystemen durch Leistungsultraschall (SCHARF)
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Nachhaltige Sonotrodenkonzepte und Zustandsüberwachung beim Ultraschallschweißen (NaSoKo)

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Schadenstolerante, elektrisch leitfähige und überwachbare Faserverbundwerkstoffe für Flugzeuganwendungen (MCFK)
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Ultraschallfügen von Multi-Material-Strukturen für Automobilapplikationen (Multi-Spot)

Vita

Frank Balle ist Universitätsprofessor für Leistungsultraschall und Technische Funktionswerkstoffe (Engineering of Functional Materials) an der Technischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Nach dem Diplomstudium mit Schwerpunkten zur Konstruktions- und Werkstofftechnik widmete sich Frank Balle der erstmaligen Verbindung von Leichtmetallen und Faserverbundwerkstoffen durch Leistungsultraschall. Nach der Promotion zum Dr.-Ing. baute er u. a. mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eine Gruppe zum Ultraschallfügen von Multi-Material-Strukturen auf. Nach postdoktoralen Aufenthalten am Oak Ridge National Laboratory (USA) und der Etablierung einer eigenen Gruppe am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern übernahm er die Leitung und den Aufbau des neuen Fachgebietes »Hybride Werkstoffsysteme« im Rahmen einer Juniorprofessur. 2018 erhielt er mehrere Rufe auf Universitätsprofessuren und folgte schließlich dem Ruf der Albert-Ludwigs-Universität ans INATECH.

Prof. Balle widmet sich am INATECH ingenieurwissenschaftlichen Forschungsfragen zu hybriden, z.T. multifunktionalen Werkstoffsystemen. Hierzu werden nachhaltige ultraschallbasierte Verfahren zur Verbindung unterschiedlicher Ingenieurmaterialien sowie zur beschleunigten Lebensdauerermittlung von Verbundwerkstoffen entwickelt. Die stark anwendungsorientierten Forschungsvorhaben werden durch grundlagenorientierte Untersuchungen zur Mikrostruktur, den Bindungs- und Schädigungsmechanismen sowie den korrespondierenden Eigenschaften ausgewählter Ingenieurwerkstoffe vervollständigt. Neben etablierten metallischen Leichtbauwerkstoffen, wie Aluminium- und Titanbasislegierungen, werden derzeit insbesondere polymere Faserverbundwerkstoffe wie CFK und GFK erforscht, die zum Teil durch geschickte Kombination neue multifunktionale Konzepte für Rumpf- bzw. Karosserieanwendungen in der Flugzeug- oder Automobilindustrie ermöglichen. Auf Basis der Forschungsvision zu erneuerbaren Werkstoffsystemen beschäftigt sich die Gruppe um Frank Balle zudem mit neuartigen Konzepten zur Reparatur sowie Trennung und Wiederverwendung von hybriden Materialsystemen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Internetseite seiner Professur.

Kontakt

Prof. Dr. Frank Balle
frank.balle@inatech.uni-freiburg.de
Tel.: +49 761 203-54200

INATECH EFM
Walter-und-Ingeborg-Herrmann-Professur für Leistungsultraschall und Technische Funktionswerkstoffe

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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Aufgang West / 4.OG (rechts)
Emmy-Noether-Straße 2
D-79110 Freiburg

Sekretariat

Christine Höher
christine.hoeher@inatech.uni-freiburg.de
Tel.: +49 761 203-54226

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