Fact Finding Mission - Max-Planck-Gesellschaft

J AHRESBERICHT 2005
Simulation komplexer Verformungsvorgänge
unter Berüksichtigung der
Kristalltextur
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KOOPERATION WIRTSCHAFT
Zusammenarbeit mit der
Fraunhofer-Gesellschaft
Im Zuge der Umsetzung des Pakts für Forschung und Innovation wurde auf dem Gebiet der
Materialforschung eine vielversprechende Kooperation zwischen dem Max-Planck-Institut
für Eisenforschung (Düsseldorf) und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (Freiburg)
etabliert. Die Kernidee des gemeinsamen Pilotprojektes „Simulation der Mechanik
von Vielkristallen“ ist die Weiterentwicklung und Nutzung neuer theoretischer Methoden
für kristallmechanische Simulationen im Industrieumfeld (Flugzeug, Automobil, Medizintechnik).
Das Kooperationsvorhaben wird für eine Laufzeit von drei Jahren aus Mitteln des
Strategischen Innovationsfonds gefördert.
Das Simulieren, also das Vorausberechnen,
des Bauteilverhaltens ist in der Produktentwicklung
heute gang und gäbe. Simulationen
zeigen, ob ein Bauteil den Belastungen
standhält oder wo die Fertigung optimiert
werden muss, um spätere Schäden zu vermeiden.
Aber gerade Metalle sind nicht immer
gleich – ein einziges Blech kann vollkommen
unterschiedliche Werkstoffeigenschaften
haben, je nachdem, wo und wie es
verformt wurde. Heutige Simulationsmodelle
berücksichtigen aber genau das noch
nicht. „Die empirischen Methoden sind ausgereizt“,
beschreibt Prof. Peter Gumbsch,
Leiter des Fraunhofer-Instituts in Freiburg,
die Lage der Modellentwickler.
Dabei gibt es den Blick in die Tiefe des
kristallinen Verhaltens schon: Prof. Dierk
Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für
Eisenforschung in Düsseldorf, und seine
Mitarbeiter untersuchen das Verhalten vieler
einzelner Kristalle im Metall. Tatsächlich
besteht ein Bauteil aber aus mehreren Milliarden
Einzelkristallen, die unmöglich alle
einzeln verfolgt werden können. Eine gewisse
Ordnung kommt nun dadurch hinein,
dass diese Kristalle sich – je nach Belastung,
wenn ein Blech verformt oder ein Draht
gezogen wird – unterschiedlich umordnen.
„Hier gilt es intelligente Verfahren zu entwickeln,
die in der Lage sind, diese Umorientierung
zu verfolgen“, beschreibt Dierk
Raabe den Umfang der rechnerischen Aufgabe
für die industrielle Anwendung.
Die gemeinsame Arbeitsgruppe soll dazu
dienen, die Theorie der Vielkristallmechanik
zu vertiefen und den Transfer der
Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung
in die Anwendung zu gewährleisten. Der
Gewinn für die Industriepartner muss darin
liegen, dass mit vertretbarem Mehraufwand
zusätzliche Informationen über das Werkstoffverhalten
gesammelt werden. Ziel ist
die Entwicklung so genannter Multiskalen-
Modelle. Sie verbinden die mathematischen
Beschreibungen des Werkstoffverhaltens
auf völlig unterschiedlichen Ebenen.
Während übliche Finite-Elemente-Modelle
das Bauteil in millimetergroße Stücke zerteilen
und deren Verhalten berechnen, gilt
es nun, Texturmodelle für Korngrößen im
Mikrometermaßstab und Modelle auf der
Ebene einzelner Kristalle jeweils ineinander
zu verschränken, ohne den Bedarf an Rechnerleistung
zu hoch schrauben zu müssen.