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tiskalige Beschreibung von Werkstoffen
von vornherein verinnerlicht haben. Sie
studieren ein neues Fach namens Materials
Science and Simulation.
Beispiele: Umformverhalten,
Wasserstoffdiffusion,
Gefügeumwandlung
Was man auf dem Wege der Multiskalenmodellierung
untersuchen, simulieren
und vorhersagen kann, ist unter anderem
die Bewegung der Atome in einzelnen
Kristallen, wenn auf die Metalle Druck
ausgeübt wird. Mit den Ergebnissen lässt
sich das Umformverhalten von Metallen
besser verstehen und vor allem der unterschiedliche
Einfluss, den verschiedene
Gefügebestandteile dabei ausüben. Dieser
Frage am realen Material nachzugehen,
ist auch möglich, aber vergleichsweise
umständlich: Man benutzt dazu einen so
genannten Nanoindenter, das ist ein Prüfgerät
mit einer Diamantspitze, das man
an einzelne der nur Mikrometer großen
Kristalle ansetzen kann. Allerdings liefert
das Verfahren weniger detaillierte Daten
als die Computersimulation, für die das
ICAMS unter anderem einen mehrere
Tonnen schweren Großrechner mit einigen
tausend Prozessorkernen und fast
vier Terabyte Arbeitsspeicher betreibt.
METALL | 65. Jahrgang | 1-2/2011
Ein weiteres Beispiel der Arbeit am ICAMS
betrifft die Diffusion von Wasserstoff in
Eisen. Das chemische Element ist bei der
Stahlherstellung ausgesprochen ungern
gesehen, weil es den Werkstoff spröde
und brüchig machen kann. Am ICAMS
kann man unterschiedliche Positionen
von Wasserstoffatomen im Kristallgitter
durchspielen und dokumentieren, welche
Energie sie an den Positionen jeweils
haben. Aus den Ergebnissen lassen sich
Erkenntnisse darüber ableiten, wie Legierungselemente
das Verhalten von Wasserstoff
beeinflussen oder wie man den
Fertigungsprozess so steuern kann, dass
kein Wasserstoff innerhalb des Materials
freigesetzt wird.
Auch die Beschichtung von Stahl lässt
sich simulieren, so dass sich unter anderem
vorhersagen lässt, wie rau eine
Stahloberfläche sein muss, damit ein
bestimmter Lack optimal haftet. Nicht
auf atomarer, aber auf Mikrometer-Ebene
simuliert das ICAMS, mit welcher
Geschwindigkeit sich bestimmte Gefügebestandteile
von Stahl unter Temperatureinfluss
in andere Gefügebestandteile
umwandeln. In der herkömmlichen
Stahlentwicklung müsste man hierfür
einen hohen experimentellen Aufwand
mit vielen Wiederholungen und zahlreichen
Proben treiben.
Übersicht über laufende/zukünftige Arbeiten im Bereich der Werkstoffmodellierung von
Warmband
Grün: Komplette metallkundliche Beschreibung möglich, Eigenschaftsmodellierung
Orange: Unterstützung der Werkstoffentwicklung, Modelle in Entwicklung
Blau: Berechnung einzelner Effekte
Grafik: ThyssenKrupp Steel Europe/ICAMS
Weniger Versuch und Irrtum
METALL VOR ORT
Oberfl ächenprüfung Lotus Effekt bei ThyssenKrupp
Steel Europe. Am ICAMS lassen sich solche Tests
am Computer simulieren.
Präzisere Prognosen, weniger Versuch
und Irrtum, so lässt sich das Ziel der
Arbeit am ICAMS zusammenfassen.
Auch Stahlhersteller wie ThyssenKrupp
Steel Europe setzen bei der Werkstoffentwicklung
auf Simulation, allerdings
in ganz anderen Größenskalen als das
am ICAMS möglich ist. Hinzu kommen
Laboruntersuchungen von Materialproben,
Probedurchläufe in der Pilotfertigung
und schließlich Betriebsversuche
auf den Produktionslagen. Diese Entwicklungsstufen
soll es auch weiterhin geben,
denn die Ergebnisse aus dem ICAMS
müssen am realen Werkstoff und in der
Praxis verifiziert werden, bis hin zur Herstellung
von Demonstratorbauteilen.
Eine wesentliche Ergänzung ist die Arbeit
am ICAMS, weil sie den Aufwand für die
Entwicklung neuer Werkstoffe nachhaltig
verringert. Wenn man das Spektrum der
Möglichkeiten durch Modellierung und
Simulation von vornherein auf die viel
versprechendsten Varianten einengen
kann, dann spart das Zeit und Geld für
Messungen, für Experimente, für Proben
und Probedurchläufe. ICAMS trägt dazu
bei, möglichst rasch aus der Vielzahl der
Möglichkeiten die richtige Wahl zu treffen:
bei Stahl und anderen Metallen.
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Foto: ThyssenKrupp Steel Europe