Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMMaterialmodellierung am Fraunhofer IWM: Die Zukunft der Materialentwicklung
Computersimulation von atomarem Verhalten hin zu Gefügeeigenschaften
© Fraunhofer IWM
Materialmodellierung
Innovative Funktionen, maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften, Verzicht auf kritische Rohstoffe, Kompatibilität zu bestehenden Prozessen, Unabhängigkeit von Liefermonopolen, etc.
Die Anforderungen an neue Materialien sind vielfältig. Umso komplexer sind die Herausforderungen für das Materialdesign.
Hier setzen wir an. Mit unseren Simulationsrechnungen schaffen wir Einblicke und Erklärungen zur inneren Wirkungsweise von Werkstoffen und zu Ursache-Wirkung-Zusammenhängen. Wir klären die Wechselbeziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs und dessen atomistische und elektronische Strukturen auf. Wir liefern ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen und Zusammenhänge, welches Ihnen ermöglicht, die Ausgangsmaterialien Ihrer Produkte gezielt zu entwickeln und zu optimieren und sie an spezifische Einsatzbedingungen und Anforderungen anzupassen.
Unsere Expertise entfaltet ihre größte Wirkung bei Funktionswerkstoffen und Bauteilen, die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Funktionalität genügen und geringe Fehlerraten in der Produktion aufweisen müssen, sowie in Entwicklungsprojekten, wo Versuch-Irrtum-Schleifen unwirtschaftlich und nicht zielführend sind und ein grundlegendes Verständnis der Problemstellung erforderlich ist.
Wir klären Mechanismen in Werkstoffen auf und identifizieren Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge
Wir untersuchen die Ursachen von Materialversagen aufgrund von mikrostrukturellen Veränderungen und machen Vorhersagen des Einflusses von Additiven auf Funktionseigenschaften. Dadurch kann der Herstellungsprozess so gestaltet werden, dass eine optimale Mikrostruktur erzeugt wird, die die Belastbarkeit und Lebensdauer des Materials steigert.
Wir berechnen Materialeigenschaften und Materialverhalten und entwickeln physikalische Modelle dafür
- Struktureigenschaften wie atomare Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung
- thermodynamische Eigenschaften wie Bildungsenergie und Phasenstabilität
- mechanische Eigenschaften wie elastische Konstanten, mechanische Spannungen
- elektrische Eigenschaften wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, Bandstruktur, dielektrische Konstanten
- Piezoelektrizität
- magnetische Eigenschaften wie Magnetisierung und Anisotropie
- optische Eigenschaften wie Transparenz und Reflektivität
- thermische Eigenschaften wie thermischer Ausdehnungskoeffizient
- kinetische Eigenschaften wie Energiebarrieren für atomare Diffusionsprozesse
Wir designen neue Werkstoffe und entwickeln Substitutionslösungen
Wir untersuchen das Verhalten einzelner Atome in ihrer materialspezifischen Umgebung und entwickeln effiziente und schnelle Methoden, um einen Ersatz für kritische Elemente, etwa teure Rohstoffe oder gesundheitsschädliche Zusatzstoffe, zu finden oder die davon eingesetzten Mengen zu reduzieren.
Wir testen Materialeigenschaften mit Hochdurchsatz-Screening, Maschinellem Lernen und mit Data Mining
Die durch physikalisch basierte Werkstoffsimulation entstehenden Datenmengen untersuchen wir mit Data-Mining-Algorithmen. So erschließen wir in der ständig wachsenden IWM-Materialbibliothek wertvolle Zusammenhänge zwischen Kristallstrukturen (input) und Eigenschaften (output). Damit decken wir Trends auf und identifizieren neuartige Kristallstrukturen mit vielversprechenden Eigenschaften.
Warum sollte mein Unternehmen mit dem Fraunhofer IWM bei der Materialmodellierung zusammenarbeiten?
- Mit unseren Simulationsmethoden erstellen wir ein virtuelles Modell Ihres bestehenden oder gewünschten Materialsystems. Damit identifizieren wir die für Ihre geforderte Funktionalität erfolgskritischen Faktoren.
- Wir schlagen die Brücke zwischen den grundlegenden chemisch-physikalischen Mechanismen auf der atomaren Ebene und den makroskopischen Eigenschaften, die über die Funktion und Leistungsfähigkeit eines Bauteils entscheiden.
- Unsere Screening-Konzepte erlauben einen schnellen und wirtschaftlichen Vergleich unterschiedlicher Optionen, um spezifische Materialeigenschaften einzustellen.
- Unseren Auftraggebern eröffnen wir so neue Gestaltungsräume für innovative Materialsysteme. Gemeinsam erarbeiten wir Lösungswege, um diese zu erschließen.
- Wir kennen die wirtschaftlichen und wettbewerbsspezifischen Randbedingungen von großen und kleinen Unternehmen und berücksichtigen diese in der Konzeption unserer Projektvorschläge.
- Wir haben Freude daran, Sie und Ihre werkstofftechnologischen Herausforderungen kennenzulernen und diese mit Ihnen im Rahmen eines auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittenen FuE-Projekts anzugehen.
Schritt 1: Input des Auftraggebers – Beschreibung der Aufgabenstellung
- Eingesetzte Materialien
- Herstellungsprozess
- Prozessbedingungen
- Auftretendes Problem
Schritt 2: Definieren des Projekts. Z.B.
- Aufklärungsprojekt: Wir klären die Ursachen für geändertes Materialverhalten auf, welches seine Ursachen in Prozessen auf der atomaren Ebene hat, wie z.B. thermisch aktivierte Änderungen der Struktur und Zusammensetzung durch Diffusionsprozesse und Reaktionsphasenbildung.
- Eigenschaftsberechnung: Wir berechnen die Werkstoffeigenschaften eines bestehenden (zu definierenden Systems), um eine Modellvorstellung von dessen Funktion zu bekommen (z.B. Schichthaftung, Plastizität, Elastizität, Phasenstabilität)
- Optimierungskonzept: Aus unseren Simulationen leiten wir Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und wissensbasierte Maßnahmen ab, wie man vom Ausgangszustand zu einem Zielzustand kommen kann. Unter welchen Bedingungen treten welche Effekte auf?
- Entwicklungsprojekt: Wir entwickeln neue Werkstoff oder Materialkombinationen im Verbund mit Partnern
Schritt 3: Analytische Problemdiagnose
- Eingrenzung der in Frage kommenden Werkstoffmechanismen und -phänomene
- Formulierung möglicher Ursache-Wirkung-Zusammenhänge
- Priorisierung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge
- Definition erforderlicher oder ergänzender experimenteller und theoretischer Untersuchungen
- Ableiten von effizienten Strategien zur Problemlösung
Schritt 4: Überprüfung der Problemlösungsstrategie
- Durchführung von Experimenten und Simulationen
- Überprüfung der Ursache-Wirkung-Zusammenhänge anhand von prototypischen Parametervariationen in der Werkstoffentwicklung oder in Fertigungsschritten beim Auftraggeber
- Validieren von Zusammenhängen von Ausgangsstoffen und Fertigungsschritten mit Werkstoffeigenschaften und -funktionen
Schritt 5: Umsetzung der Problemlösung im Unternehmen
