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Der Fachbeitrag beleuchtet die zentrale Rolle der Werkstoffwissenschaft an der Montanuniversität Leoben, insbesondere im Kontext des neu gegründeten Exzellenzclusters Werkstoffe. Dieser Cluster fördert die interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Vernetzung von Grundlagenforschung mit industrieller Anwendung. Die Forschungsschwerpunkte umfassen Hochleistungswerkstoffe, funktionale Werkstoffe, Wasserstoffinteraktion, additive Fertigung, Polymertechnik und Recycling, Modellierung und Simulation sowie Energie, Mobilität und Medizintechnik. Der Artikel stellt herausragende Forschungsarbeiten vor, wie die Untersuchung von nanokristallinen Multikomponentenlegierungen, die Erforschung von Wasserstoffspeicherung und -versprödung sowie die Entwicklung von 3D-gedruckten Implantaten. Die Montanuniversität Leoben positioniert sich damit als führende Einrichtung für werkstoffwissenschaftliche Innovationen, die globale Herausforderungen wie Klimawandel und Ressourcenknappheit adressieren. Durch strategische Allianzen und internationale Kooperationen wird der Technologietransfer und die wissenschaftliche Sichtbarkeit gestärkt, was die Universität zu einem zentralen Akteur in der werkstoffbasierten Forschung macht.
KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
Zusammenfassung
Die Erforschung und Entwicklung innovativer Werkstoffe bilden den Schlüssel für zukunftsweisende Technologien und sichern die globale Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Österreich. Dies gilt insbesondere in Hinblick auf die Forschungsgebiete der Quantentechnologien, Mikroelektronik, Energieumwandlung und -speicherung, Mobilität, Medizintechnik und Raumfahrt. Neben experimentellen Untersuchungen wird dabei immer stärker auf die begleitende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens zurückgegriffen. Die Montanuniversität Leoben bietet mit ihrem breiten Studienangebot, internationalen Forschungskooperationen und engen Industriekontakten die idealen Voraussetzungen, um die technologischen Herausforderungen unserer Zeit zu meistern. Um zum einen die Zusammenarbeit zwischen den Forschenden an der Montanuniversität Leoben zu stärken und zum anderen die Kommunikation nach außen im Bereich Werkstoffe zu forcieren, wurde der Exzellenzcluster Werkstoffe mit Anfang des Jahres 2026 ins Leben gerufen.
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Die Montanuniversität Leoben positioniert sich in der akademischen Landschaft Europas als eine der führenden technischen Universitäten und zeichnet sich durch ein einzigartiges und umfassendes Studienangebot entlang des gesamten Wertschöpfungskreislaufes aus [1]. Von der Gewinnung der Rohstoffe, der Prozessierung, das Erschmelzen und die Verarbeitung bis hin zum fertigen Produkt werden alle technologischen Aspekte abgedeckt. Im Zuge der Neuausrichtung der Forschungs-Strategie wird im Entwicklungsplan der Universität darüber hinaus auf das Recycling und die Wiederaufbereitung kritischer Rohstoffe eingegangen und somit der Kreis zu einem nachhaltigen Circular Engineering geschlossen [2].
Globale Herausforderungen wie Klimawandel, Ressourcenknappheit, Energiewende, Gesundheit, Umwelt und Digitalisierung erfordern innovative technische Lösungen, die nur durch gezielte Werkstoffentwicklung gemeistert werden können. Innovationen in diesem Bereich sind nicht nur Mittel zum Zweck, sondern auch die wesentliche Voraussetzung, um technologische Durchbrüche zu erzielen und die Wettbewerbsfähigkeit Europas zu sichern. Dies ist insbesondere für Österreich als technologieorientiertes und exportierendes Land von elementarer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund präsentiert sich die Montanuniversität Leoben als moderne und innovative Forschungseinrichtung für Werkstoffe, welche von klassischen Metallen, metallischen Gläsern, medizinischen Werkstoffen, Raumfahrtlegierungen, technischen Hochleistungskunststoffen bis hin zu fortschrittlichen Hybridmaterialien reicht.
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Mit ihrer besonderen Stellung, von der Rohstoffgewinnung über Werkstoff- und Prozessentwicklung bis zur industriellen Anwendung sowie der Wiederverwertung, bietet sie ein nahezu geschlossenes Forschungs-Ökosystem, das im europäischen Umfeld seinesgleichen sucht [2]. Die Werkstoffwissenschaft versteht sich hierbei als das zentrale Bindeglied zwischen Rohstoffversorgung und fertigen technischen Bauteilen und ermöglicht nachhaltige und zugleich hochspezialisierte Lösungen für Industrie und Gesellschaft. Die globalen Probleme können nur durch neue nachhaltige Werkstoffe gelöst werden, und diese werden in Leoben entwickelt.
Um diese hochgesteckten Ziele zu erreichen, wurde die Zusammenarbeit zwischen den Forschenden an der Montanuniversität Leoben gebündelt und die Außenwirkung im Bereich Werkstoffe weiter verstärkt, indem Anfang 2026 der Exzellenzcluster Werkstoffe ins Leben gerufen wurde. Er soll die Präsenz der Werkstoffforschung erhöhen und die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den werkstoffnahen Lehrstühlen an den verschiedenen Departments fördern.
2 Strategische Bedeutung
Die kommenden Jahrzehnte werden von rasanter Technologieentwicklung in mehreren Schlüsselbereichen geprägt, die wesentlich durch Werkstoffinnovationen ermöglicht werden. So gewährleistet etwa das Verständnis des Werkstoffverhaltens für Hochleistungsbauteile die Sicherheit in der Luft- und Raumfahrt, von Fusionsreaktoren oder von medizinischen Anwendungen. Detaillierte Kenntnis über materialphysikalische Effekte und ein intelligentes Design von Grenzflächen ermöglichen die nächste Generation von Mikroelektronik oder neuartigen Quantensensoren.
Maßgeblich unterstützt wird dies durch die Ausrichtung der Montanuniversität mit einem gezielten Mix aus Grundlagenforschung und angewandter Forschung im Rahmen von Industriekooperationen. So ermöglicht sie einerseits den wissenschaftlichen Freiraum, um unabhängige und gezielte Forschung voranzutreiben. Andererseits führt der Wissensvorsprung aus der Grundlagenforschung zusammen mit den guten Kontakten zur Industrie zu einer raschen industriellen Umsetzung. Durch diese Synergien entsteht eine messbare Wertschöpfung, die den Standort Leoben nachhaltig stärkt [3]. Die Grundlagenforschung wird primär über nationale und internationale Institutionen und Fördergeber finanziert, welche nach strengen Qualitätskriterien ausschließlich die vielversprechendsten Vorhaben unterstützen. Dank innovativer Forschungsansätze und engagierter Wissenschaftler:innen nimmt die Montanuniversität Leoben bei der Akquise dieser kompetitiven Drittmittel eine Spitzenposition ein [3].
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Ein integrales Element der modernen Werkstoffforschung ist die Berücksichtigung von Ressourceneffizienz in allen Phasen des Werkstofflebenszyklus [4]. Durch gezielte Werkstoffdesign-Strategien lassen sich Rohstoffe optimal nutzen oder teilweise substituieren. Innovatives Legierungsdesign ermöglicht völlig neue Eigenschaftsprofile ohne Einsatz von als kritische geltende Rohstoffe, während neue Herstellungsprozesse die CO2 Emissionen begrenzen [5, 6]. Gleichzeitig ermöglicht ein tieferes Verständnis von Verarbeitungsprozessen, Mikrostruktur und Schädigungsmechanismen die Entwicklung von effizienteren und langlebigeren Produkten über die gesamte Lebensdauer.
3 Der Exzellenzcluster Werkstoffe – Struktur und Aufgaben
3.1 Koordination und Vernetzung
Der Exzellenzcluster Werkstoffe soll als zentrale Koordinationsplattform für die Werkstoffforschung an der Montanuniversität Leoben dienen [3]. Seine Hauptaufgaben sind die interne Vernetzung und systematische Förderung der Zusammenarbeit zwischen Forscher:innen aus den werkstoffnahen Lehrstühlen an den verschiedenen Departments. Diese Vernetzung soll Synergien schaffen, indem Grundlagenforschung direkt mit anwendungsorientierter Entwicklung verknüpft und im internationalen Kontext positioniert wird.
Um die externe Sichtbarkeit der Montanuniversität Leoben weiter zu erhöhen, setzt der Exzellenzcluster Werkstoffe auf eine gezielte Kommunikation seiner Forschungsleistungen durch hochkarätige wissenschaftliche Publikationen, internationale Konferenzbeiträge, einem Internetauftritt (siehe Abb. 1) und erfolgreiche Industriekooperationen.
Ziel ist es, die Montanuniversität als führende Forschungseinrichtung im europäischen und internationalen Kontext zu festigen. Ein wesentlicher Beitrag ist dabei die enge Partnerschaft mit Schlüsselbranchen wie der Automobilindustrie, der Luftfahrt und der Energiewirtschaft. Diese Verbindungen forcieren den Technologietransfer, ermöglichen gemeinsame Drittmittelprojekte und garantieren einen direkten Zugang zu erstklassigen Forschungsressourcen.
3.2 Forschungsschwerpunkte und Prioritäten
Im Rahmen der strategischen Ausrichtung der Montanuniversität Leoben fokussiert sich die Werkstoffforschung auf folgende prioritäre Themenbereiche (siehe Tab. 1):
TABELLE 1
Exemplarische Forschungsschwerpunkte des Exzellenzclusters Werkstoffe
Forschungsbereich
Kernthemen und Anwendungen
Hochleistungswerkstoffe
Stähle, Hochentropielegierungen, Verbundwerkstoffe, Superlegierungen, Multikomponentensysteme, Keramiken und nanostrukturierte Werkstoffe
Funktionale Werkstoffe
PVD/CVD-Beschichtungen, Funktionskeramiken und funktionale Werkstoffsysteme für Energie, Nanoelektronik, Quantentechnologien, Hochtemperatur- und Verschleißanwendungen
Verarbeitung und Prüfung von Kunst- und Verbundwerkstoffen, Kreislaufstrategien für Kunststoffe, Mikro- und Nanoplastik
Modellierung und Simulation
Skalenübergreifende Modellierung und Simulation von mechanischen und physikalischen Eigenschaften mittels DFT-, MD-, FEM- und ML-Ansätzen
Grenzflächen, Defekte und Mikrostrukturdesign
Erforschung von Versetzungen, Korngrenzen, Phasengrenzen und Oberflächendesign; Korrelation zwischen lokaler Struktur und makroskopischen Werkstoffeigenschaften
Energie, Mobilität und Medizintechnik
Batterien und Superkondensatoren, H2-Speichersysteme, Leichtbau, Implantate
Diese Themenfelder bilden den strategischen Kern der aktuellen Ausrichtung des Bereichs Werkstoffwissenschaft an der Montanuniversität Leoben. Sie werden durch die tiefgreifende Expertise und das weit darüber hinausgehende breite Forschungsspektrum aller Lehrstühle getragen, welche das wissenschaftliche Fundament der Montanuniversität Leoben in seiner Gesamtheit sicherstellen.
3.3 Perspektiven und Zukunftsausbau
Der Exzellenzcluster Werkstoffe adressiert aktuelle werkstoffwissenschaftliche Anforderungen durch die gezielte Erforschung und Erweiterung technologischer Leistungsgrenzen. Im Zentrum steht die methodische Überführung von Erkenntnissen der Grundlagenforschung in anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsprozesse, um den Wissens- und Technologietransfer effizient zu gestalten. Zur Umsetzung dieser Zielvorgaben setzt der Exzellenzcluster Werkstoffe auf strukturierte Maßnahmen, darunter spezifische vernetzte thematische Doktoratsprogramme. Diese dienen dem strategischen Ausbau der Forschungskapazitäten sowie der Erweiterung bestehender Kompetenzfelder.
Die Intensivierung internationaler Forschungsnetzwerke und der Aufbau strategischer Allianzen ermöglichen den systematischen Zugang zu komplementären Expertisen und spezialisierten Infrastrukturen. Durch die Kooperation mit führenden europäischen und internationalen Institutionen wird ein wissenschaftlicher Wissensaustausch etabliert, der die Nutzung von Synergieeffekten ermöglicht. Diese Zusammenarbeit bildet die Grundlage für die erfolgreiche Bearbeitung hochkomplexer werkstoffwissenschaftlicher Fragestellungen, welche ohne eine internationale Koordination sowie die Nutzung von Großforschungsanlagen nicht adressierbar wären.
Die Stärkung der internen wissenschaftlichen Vernetzung innerhalb des Clusters zielt darauf ab, Synergien für die Akquise kompetitiver Drittmittel effizient zu nutzen. Durch die disziplinen-übergreifende Zusammenarbeit wird die Beteiligung an hochkompetitiven Förderprogrammen wie Horizon Europe oder dem Exzellenz-Programm des österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) intensiviert. Der Erfolg in diesen Auswahlverfahren fungiert als Gradmesser und Multiplikator für die internationale Forschungsqualität. Parallel dazu wird die Kooperation mit der Industrie verstärkt, um den Transfer von Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung in die technologische Anwendung sowie die innovative Bearbeitung industrieller Fragestellungen sicherzustellen.
Die strukturierte Nachwuchsförderung im Rahmen des Clusters umfasst die Initiierung von drei interdisziplinären Dissertationen, die über die verschiedenen werkstoffwissenschaftlichen Teilbereiche verteilt sind. Ziel dieser breit gestreuten Positionierung ist eine verstärkte methodische und inhaltliche Vernetzung der beteiligten Forschungsgruppe zur Eröffnung neuer Forschungsfelder. Über die Qualifizierungsphase hinaus ist vorgesehen, dass die Promovenden im Anschluss eigenständig Drittmittel akquirieren, um ihre Forschungsaktivitäten nachhaltig weiterzuführen. Dieser Ansatz fungiert als Multiplikator, indem er den Ausbau der Forschungsinitiativen über die initiale Projektlaufzeit hinaus sicherstellt.
Eine gezielte Wissenschaftskommunikation soll der Darstellung der gesellschaftlichen und industriellen Relevanz von werkstoffwissenschaftlicher Forschung dienen. Dabei wird die zentrale Rolle innovativer Materialien für den technologischen Fortschritt und die Nachhaltigkeitstransformation verdeutlicht. Ziel ist es, die Sichtbarkeit und Reichweite der am Standort Leoben entwickelten Lösungen zu erhöhen und das öffentliche Verständnis für werkstoffbasierte Innovationen zu stärken.
Die implementierten Maßnahmen bilden die strukturelle Basis für die strategische Weiterentwicklung des Standorts. Der Exzellenzcluster Werkstoffe zielt darauf ab, die internationale Forschungslandschaft durch technologische Innovationen und die Definition neuer wissenschaftlicher Standards maßgeblich mitzugestalten.
4 Herausragende Forschungsarbeiten
Um die exzellente Forschung im Bereich Werkstoffwissenschaft an der Montanuniversität hervorzuheben, werden im Folgenden drei exemplarisch ausgewählte Forschungsthemen aus werkstoffnahen Departments vorgestellt.
4.1 Versagen von nanokristallinen Multikomponentenlegierungen
Eine wichtige Größe in der Bruchmechanik stellt das J-Integral dar. Dieses quantifiziert die Energie pro Flächeneinheit, welche ein Material für die Rissausbreitung aufwenden muss. Traditionell galt dieses universelle Maß als pfadunabhängig von der gewählten Kontur um die Rissspitze [7]. Michael Meindlhumer und weitere Forscher des Departments Werkstoffwissenschaft der Montanuniversität Leoben haben erstmals experimentell nachgewiesen, dass dieses Prinzip in hochfesten nanokristallinen Multikomponentenlegierungen (wie FeCrMnNiCo-Systemen) nicht gültig ist [8]. Durch in situ nanomechanische Rasterelektronenmikroskopie mit digitaler Bildkorrelation in Kombination mit Synchrotron-Röntgenbeugung (CSnanoXRD an der ESRF ID13) wurden Spannungs- und Verformungsfelder (siehe Abb. 2) direkt am Riss während der Belastung aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Entfestigung des nanostrukturierten Materials (abnehmende Festigkeit unter wahrer Dehnung bei Korngrößen < 100 nm) das J-Integral stark pfadabhängig variiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Werte um einen Faktor 2 zwischen engen (8 µm) Konturen schwanken und bei weiten (24 µm) sogar negativ werden können [8]. Diese Paradigmenverschiebung hat maßgebliche Konsequenzen für das Design risskritischer Mikrobauteile in der Elektronik, Luftfahrt und Nanotechnik, wo etablierte klassische Modelle versagen. Eine Lösung hierfür wäre die Messung lokaler Spannungs- und Dehnungsfelder (Abb. 2b, c) sowie angepasster Simulationen. Dieses grundlegende Verständnis bildet die Voraussetzung für künftige zuverlässige Bruchvorhersagen in nanostrukturierten Bauteilen [8].
Abb. 2
a Schematische Darstellung des in situ Bruchaufbaus im Synchrotron und b,c Ergebnisse der in situ Experimente des FeCrMnNiCo-Systems [8]
4.2 Wasserstoff in Werkstoffen: von der Speicherung bis zur Versprödung
Ein Schwerpunkt am Department Physik, Mechanik und Elektrotechnik der Montanuniversität Leoben ist die Herstellung und Untersuchung nanoporöser Kohlenstoffe für die Energie- und insbesondere Wasserstoff-Speicherung. Sebastian Stock revolutioniert das Verständnis der Wasserstoffspeicherforschung mit grundlegenden Arbeiten zu superkritischer H2-Adsorption in nanoporösen Kohlenstoffen. Durch in situ Neutronenstreuung (SANS) bei kryogenen Temperaturen offenbarte er eine porengrößenabhängige Dichtekondensation. In Ultramikroporen (< 0,7 nm) erreicht H2 Dichten der festen Phase oder sogar darüber hinaus. Dies bedeutet potentiell einen Quantensprung für Speicherkapazitäten [9]. In seiner Arbeit wurden unter anderem „Frühstücksabfall“ wie Kaffeesatz, Teesud und Orangenschalen in nanoporöse Kohlenstoffe mit > 2100 m2/g Oberfläche transformiert. Die erreichten Speicherkapazitäten von über 5 wt% H2 bei 77 K und Drücken von etwa 30 bar sind weltweite Spitzenwerte [10]. Das Flussdiagramm zur Herstellung des nanoporösen Kohlenstoffs ist in Abb. 3a dargestellt.
Abb. 3
a Flussdiagramm zur Herstellung von aktiviertem nanoporösem Kohlenstoff [12], b Gefügestruktur von FeTi im Transmissionselektronenmikroskop [13]
Im Zuge eines weiteren Projektes synthetisierte Lukas Schweiger vom Lehrstuhl für Materialphysik nanoporöse FeTi-Metallhydride mit einstellbarer Porengröße (10–500 nm, siehe Abb. 3b), um Aktivierungsbarrieren zu überwinden und Kapazitätsverluste durch Zyklisierung zu minimieren. Metallhydride weisen allgemein die höchsten volumetrischen Speicherdichten für Wasserstoff auf. Bei dieser Arbeit zeigten sich insbesondere die Grenzen der Wasserstoffabsorption in nanoskaligen Systemen unter realen Bedingungen – wichtiges Know-How für das Design von Hochleistungsspeichern. Seine Arbeiten wurden 2024 mit dem Best Poster Award beim 18th International Symposium on Metal-Hydrogen Systems ausgezeichnet [11].
Diese synergetischen Arbeiten, von Aktivierungsbarrieren bis hin zu Speicherinnovation, sichern eine nachhaltige H2-Infrastruktur in Europa. Gefördert durch das SCoRe A+ Hydrogen and Carbon Center und kooperierende EU-Projekte wie EUH2STARS, positioniert sich Leoben als führendes Zentrum für Werkstoffforschung im Kontext der Wasserstoff- und Kohlenstofftechnologien [14].
4.3 Innovative 3D-gedruckte Implantate
Am Department Kunststofftechnik der Montanuniversität Leoben wurden patient:innenspezifische 3D-gedruckte Implantate für die kraniomaxillofaziale Chirurgie entwickelt. Im Zuge des COMET-Projekts CAMed wurden glykolmodifiziertes PET (PETG) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) als optimale Materialien identifiziert, da sie hohe Zellakzeptanz, Druckbarkeit und mechanische Stabilität vereinen [15, 16]. Dynamische Fallbolzenversuche (siehe Abb. 4), Messungen zur Passgenauigkeit an ex vivo Modellen und Zelltests zur Oberflächenadhäsion zur Erfassung der Implantatqualität wurden umfassend durchgeführt [17]. Hybrid-Implantate aus TPU-Schale und PETG-Kern mit bioaktivierten Compounds erreichen über 95 % Passgenauigkeit für Schädeldefekte, eine hohe Bruchzähigkeit und exzellente Zellverträglichkeit bei Druckzeiten von unter drei Stunden [15, 16]. Diese Lösungen reduzieren Risiken metallischer Implantate wie Allergien und Revisionen, fördern Osteointegration, ebnen den Weg für personalisierte intraoperative Medizin und bieten so einen direkten Nutzen für Patient:innen [9].
Abb. 4
In a ist der Versuchsaufbau zur mechanischen Prüfung von gedruckten Implantaten und in b zwei getestete Implantate gezeigt [17]
Der Bereich Werkstoffwissenschaft stellt eine der zentralen Säulen technologischer Innovation in Leoben dar. In einer Zeit, in der Ressourcenknappheit, Klimawandel und digitale Transformation unser Handeln prägen, werden intelligente Werkstofflösungen zum Schlüssel für wettbewerbsfähige und nachhaltige Technologien.
Die Montanuniversität Leoben nimmt in diesem Kontext eine einzigartige Position ein. Mit ihrer breiten Kompetenz von der klassischen Metallurgie bis hin zu moderner Materialphysik, Polymertechnik, Computational Materials Science und ihrer Verankerung in der regionalen, nationalen und internationalen Industrie bietet sie ideale Voraussetzungen für den technologischen Strukturwandel.
Der neu gegründete Exzellenzcluster Werkstoffe konzentriert die vorhandenen Forschungskompetenzen zur Steigerung der wissenschaftlichen Sichtbarkeit und der Forschungsrelevanz. Durch die systematische Verknüpfung von Grundlagenforschung mit industriellem Transfer bildet der Cluster die Basis für die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen für extreme Einsatzbedingungen sowie für kreislauffähige Materiallösungen. Damit fungiert die Werkstoffforschung an der Montanuniversität Leoben als technologisches Fundament für industrielle Innovationen und nachhaltige technische Standards.
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Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
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Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.
