Hightech-Strategie

Werkstoffsimulation - neue Werkstoffe aus dem Computer

Computer, Autos, Flugzeuge - unsere Sicherheit vertrauen wir immer komplizierteren Systemen an. Mit zunehmender Komplexität der Maschinen, die unseren Alltag erleichtern, steigen auch die Anforderungen an die Werkstoffe. Simulationstechniken bieten hier eine innovative Möglichkeit, die Werkstoffeigenschaften von Bauteilen schneller, einfacher und damit kostengünstiger vorherzusagen.

Bei der Suche nach verbesserten und neuen Werkstoffen und deren Prozesstechnologien ist die Simulationstechnik unstrittig zu einem leistungsstarken und unentbehrlichen Werkzeug geworden. Prinzipiell reicht ein Tastendruck aus, um Daten zu erhalten, die sonst teure und zeitaufwendige Experimente erfordern würden. Es lassen sich zum Beispiel Vorhersagen zum Verhalten von Werkstoffen auf mechanische Belastungen und Lebensdauerprognosen von Werkstücken oder Bauteilen treffen oder gar technisch nicht ausführbare Versuche am Computer durchführen.
Die Verringerung von Entwicklungs- und Produktionskosten und die Beschleunigung von Entwicklungsabläufen sind aus der Sicht der Industrie häufig treibende Kräfte für den Einsatz von Simulationen. Die dafür benötigte Computertechnik hat sich überdies in den letzten Jahren bei drastisch gesunkenen Kosten für Rechenleistung stetig verbessert.

Voraussetzung für einen nutzbringenden Einsatz der rechnergestützten Werkzeuge ist allerdings ein auf das zu lösende Problem angepasstes Modell.
In den letzten Jahren konnten erhebliche Fortschritte bei Theorien und Methoden erzielt werden, die eine gute Beschreibung und Vorhersage der Eigenschaften realer Materialsysteme ermöglichen. Dennoch können mit heutigen computerbasierten Methoden nur Ausschnitte der Realität beschrieben werden. Das Verständnis der vielfältigen Phänomene komplexer Werkstoffe ist noch lückenhaft. Dies liegt im Wesentlichen an den viele Größenordnungen überspannenden Zeit- und Längenskalen, auf denen sich die entsprechenden Materialeigenschaften herausbilden und die damit die Materialfunktionalitäten bestimmen. So spielen sich Umlagerungen von Atomen im Werkstoff in wenigen Mikrosekunden ab (z.B. Kettenwachstum von Polymeren), während sich die Bildung von Rissen über Monate und Jahre hinziehen kann und die Simulation von z. B. ganzen Flugzeugtragflügeln erforderlich macht.

Die Kopplung der Simulationsmodelle auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen ist ein langwieriger, aufwendiger und komplexer Prozess, der neben einer weiteren Erhöhung der Rechnerkapazitäten nach exzellenten und kreativen Köpfen aus Industrie und Forschung verlangt, die interdisziplinär Simulationstechniken mit experimenteller Werkstoffentwicklung verbinden.

Virtuelle Werkstoffentwicklung

"Materialdesign per Computer" ist noch eine Vision! Auf dem Weg zu einer rechnergestützten Entwicklung von Werkstoffen und einer verlässlichen und schnellen Vorhersage von Materialeigenschaften sind unverkennbar noch erhebliche Anstrengungen zu unternehmen.
Ziel der Fördermaßnahme "Virtuelle Werkstoffentwicklung" ist es daher, neue Impulse für die Entwicklung verbesserter werkstoffspezifischer Simulationsmethoden und -werkzeuge zu setzen. So soll das bisher teilweise grundlagenorientierte Know-how der Forschungsinstitute auf diesem Gebiet für industrielle Lösungen erschlossen werden.

51 Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft werden bis 2010 in 14 interdisziplinär angelegten Verbundprojekten neue Ansätze für eine breite Anwendung numerischer Verfahren in einer Vielzahl praxisrelevanter Fragestellungen schaffen. Dabei wird u. a. den folgenden Forschungsfragen nachgegangen werden:

  • Crash- und Impactverhalten von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen und Textilverbundwerkstoffen (u. a. Fanschaufeln für Flugzeuge, Crashelemente für Lkw, Industrieroboterarme)
  • Fügen von Keramiken, z.B. bei Abgassensoren oder chemische Mikroreaktoren
  • Multiskalenmodellierung ferroelektrischer Materialien, u. a. im Bereich der Kraftstoff-Einspritzsysteme und Beschleunigungssensoren für Pkw
  • Umformverhalten von Stählblechen für Karosserien
  • Vorhersage des Betriebsverhaltens von thermisch und mechanisch hoch belasteten Komponenten, wie z. B. Gussteile für Flugzeuggasturbinen