|
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
völlig unterschiedliche Werkstoffeigenschaften haben, je nachdem, wo
und wie es verformt wurde", erläutert Professor Peter Gumbsch, Leiter
des Fraunhofer-Instituts in Freiburg. Das aber berücksichtigen
Simulationsmodelle heute noch nicht richtig: "Die Genauigkeit ist oft
unzureichend, aber die empirischen Methoden sind ausgereizt",
beschreibt Gumbsch die Lage der Modellentwickler.
Dabei gibt es den Blick in die Tiefe des
kristallinen Verhaltens schon: Professor Dierk Raabe, Direktor am
Max-Planck-Instituts für Eisenforschung MPIE in Düsseldorf, und seine
Kollegen untersuchen das Verhalten vieler einzelner Kristallite im
Metall. Sie beschreiben zum Beispiel verformungsinduzierte
Umwandlungen und Zwillingseffekte. "Aber ein Bauteil besteht 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, etwa 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 schier
unfassbaren Umfang der rechnerischen Aufgabe für die industrielle
Anwendung.
Kein Wunder also, dass die rechnerische Voraussage
darüber, wie lange ein Vergaser dem Belastungswechsel standhält, wie
Schäden an Wolframdrähten in Glühbirnen entstehen und vermieden
werden, und wie ein Karosserieteil nach einem Zusammenstoß aussieht,
vom Fraunhofer IWM bislang ohne Einbeziehung der detaillierten
Kristallinformationen gelöst wurde. Die gemeinsame Arbeitsgruppe soll
dazu dienen, die Theorie der Vielkristallmechanik zu vertiefen und
andererseits den Transfer der Erkenntnis aus der Grundlagenforschung
in die industrielle Anwendung zu gewährleisten. "Unsere Hauptaufgabe
wird das Abspecken der kristallmechanischen Modelle an der richtigen
Stelle und das Zusammenführen von numerischen Modellen auf
unterschiedlichen Größenskalen sein. Der Gewinn für unsere
Industriepartner muss darin liegen, dass mit vertretbarem Mehraufwand
zusätzliche Informationen über das Werkstoffverhalten zugänglich
werden", beschreibt IWM-Institutsleiter Gumbsch, was sich das
Fraunhofer IWM in den kommenden drei Jahren vorgenommen hat.
Ziel ist die Entwicklung von Multiskalen-Modellen.
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.
Der Bedarf an solchen
Multiskalen-Simulationsmodellen ist groß: Das Bauteilverhalten
kristalliner Werkstoffe aus Metall ist heute in der Mikrosystemtechnik
genauso wichtig wie im Automobilsektor, in der Medizintechnik oder der
Elektrotechnik. |
