Veränderungen von Materialeigenschaften in Fertigung und Einsatz verfolgen

Integrated Computational Materials Engineering ICME

ICME ist die computergestützte Verknüpfung von Materialentwicklung, Produktentwicklung und Fertigungsprozessen mit den Zielen bestmöglicher Bauteilperformance, effizienter Entwicklungsprozesse sowie wirtschaftlicher Fertigungsprozesse.

  • Verbesserte Bauteilperformance durch maßgeschneiderte Eigenschaften und Funktionen
  • Höhere Ausbeute und Wirtschaftlichkeit in der Fertigung durch rechnergestützte Prozessoptimierung
  • Verkürzte Produktentwicklungszeiten durch weniger Trial&Error-Schleifen

Mit ICME werden die für die Bauteilfunktion relevanten fertigungs- und einsatzbedingten Mechanismen, die in Werkstoffen auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufen, durchgängig miteinander verknüpft. Damit kann die Veränderung der Werkstoffeigenschaften während des gesamten Bauteilentstehungsprozesses und während des Betriebs verfolgt und numerisch beschrieben werden. Auf dieser Basis können Schwachstellen in der Prozesskette und während der Lebensdauer ermittelt und beseitigt werden.
 

Beispielhafte Fragestellungen, die mit ICME gelöst werden können, sind:

  • Die Berechnung der Mikrostrukturentwicklung
  • Die virtuelle Ermittlung von Materialdaten und die Entwicklung geeigneter Materialmodelle
  • Die virtuelle Vorhersage und reale Voreinstellung von Bauteileigenschaften wie Rissfreiheit, Konturgenauigkeit, Lebensdauer oder Crashfestigkeit
  • Die Optimierung von Werkzeugen und Prozessschritten zur Steigerung der Fertigungsausbeute
     

ICME@Fraunhofer IWM

Methodisch und wissenschaftlich liegt ICME im Kern des Selbstverständnisses des Fraunhofer IWM, denn darin werden Werkstoffmodellierung, Prozess- und Bauteilsimulation, Werkstoffcharakterisierung und Prozessoptimierung auf integrative Weise eingesetzt.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM bewertet Werkstoffe und Bauteile bezüglich ihrer mechanischen und funktionalen Eignung. Der Schlüssel hierzu ist eine enge Kopplung zwischen der experimentellen Aufklärung von Mechanismen und der modellhafte Beschreibung des Werkstoffverhaltens auf atomistischer, mikrostruktureller und makroskopischer Ebene.

Entscheidend für signifikante Verbesserungen und Innovationen bei Funktionalität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer oder Wirtschaftlichkeit ist die integrale Betrachtungsweise, d.h. die Kopplung von Informationen aus verschiedenen Skalen und das Verfolgen der Veränderung von Werkstoffeigenschaften über mehrere Prozessschritte hinweg. Denn an der Antwort der Werkstoffs bzw. Bauteils auf Belastungen sind eine Vielzahl von Mechanismen beteiligt. Integrated Computational Materials Engineering ICME / Integrierte Computergestützte Materialentwicklung ist das Werkzeug zur quantitativen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Prozessschritten, Materialmikrostruktur, Materialeigenschaften und Bauteilverhalten.

Mit ICME werden die für die Bauteilfunktion relevanten fertigungs- und einsatzbedingten Mechanismen, die in Werkstoffen auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufen, durchgängig miteinander verknüpft. Damit kann die Veränderung der Werkstoffeigenschaften während des gesamten Bauteilentstehungsprozesses und während des Betriebs verfolgt und numerisch beschrieben werden. Auf dieser Basis können Schwachstellen in der Prozesskette und während der Lebensdauer ermittelt und beseitigt werden.

Konkrete IWM-Projekte liegen in den Bereichen der Prozesskettensimulation, der Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe, dem atomistischen Werkstoffdesign für Substitutionswerkstoffe, einem virtuellen Test-Labor für neue Hochtemperaturwerkstoffe und der Entwicklung von korrelativen Mikrostrukturaufklärungsmethoden. Dabei ist die Validierung der Ergebnisse in prototypischen Bauteilen für die industrielle Akzeptanz dieses neuen Ansatzes essentiell.

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