Prozessschritte, Materialmikrostruktur und Bauteilverhalten integral betrachten

Anwendungsfelder für ICME

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Blechumformung

Integrale Simulation der Prozesskette Blechumformung
(Warmwalzen – Kaltwalzen – Glühen – Tiefziehen – Crash)

Vorhersage des Werkstoffverhaltens im Herstellungsprozess inklusive der resultierenden Eigenschaften des Halbzeugs sowie die Berechnung des Umformverhaltens und der resultierenden Bauteileigenschaften

Gegenstand der Simulation

Umformgrade, thermomechanische Prozessführung, Phasenumwandlung, Fließverhalten, Texturentwicklung, Verfestigung, Schädigung

Methoden und Modelle

Verschiedene Plastizitäts-, Rekristallisations-, Phasenbildungs- und Schädigungsmodelle auf der Mikro- und Makroskala

Ansprechpartner
Dr. Dirk Helm
Telefon +49 761 5142-158
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Pulvertechnologie

Integrale Simulation der Prozesskette Pulvertechnologie
(Füllen – Pressen – Entbindern – Sintern – Nachverdichten)

Virtuelle Optimierung einzelner Prozessschritte mit dem Ziel der Herstellung rissfreier und konturgenauer Bauteile

Gegenstand der Simulation

Partikelform, Porenmorphologie, Porositätsverteilung
Prozessparameter: Füllschuhbewegung, Stempelbewegung, Temperaturprofil, Anpressdruck

Methoden und Modelle

Diskrete (DEM) und kontinuierliche (FEM) Simulationsmethoden, unterschiedliche Kontakt- und Plastizitätsmodelle (ratenunabhängige inkompressible Plastizität, ratenunabhängige poröse Plastizität, anisotrope poröse Plastizität) sowie Strömungs- und Diffusionsmodelle

Anprechpartner
Dr. Torsten Kraft
Telefon +49 761 5142-248

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Mikro- und Nanofluidik

Integrale Bewertung und Auslegung mikro- und nanofluidischer Systeme
(Oberflächenmodifikation - Benetzungsverhalten - Mischungs-/Separationsverhalten)

Vorhersage des Mischungs- und Separationsverhaltens komplexer Flüssigkeiten aufgrund maßgeschneiderter Oberflächeneigenschaften und äußerer Felder (z.B. Lab-on-a-Chip-Systeme)

Gegenstand der Simulation

Strömungsfeld, Viskosität, Partikeltrajektorien, Benetzungsverhalten aufgrund mikro- und nanostrukturierter Oberflächen, fluidische Transportprozesse auf Mikro- und Nanoskala, Entwicklung mikrofluidischer Komponenten

Methoden und Modelle

Beschreibung von flüssigen Phasen mittels Finiten Volumen Methode (FVM) im Rahmen der Computational Fluid Dynamics (CFD) oder Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), von festen Partikeln im Fluid und deren Wechselwirkung durch die Diskrete Elemente Methode (DEM), von der Oberfläche mit dem Fluid durch Molekulardynamik (MD)

Ansprechpartner
Dr. Adham Hashibon
Telefon +49 761 5142-287

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Tribologie fluidischer und granularer Systeme

Integrale numerische Bewertung und Auslegung fluidischer und granularer Systeme
(Verschleißschutz – Oberflächenbearbeitung – Trennen – Magnetorheologie – Biofluidik)

Vorhersage der Strömungseigenschaften von Schüttgütern, Suspensionen, Polymerlösungen und schaltbaren Fluiden sowie der Oberflächenentwicklung in tribologischen Anwendungen und Biosystemen

Gegenstand der Simulation

Rheologie, Reibung, Magnetismus, Plastizität, Schädigung, Erosion, Abrasion, Ablagerung

Methoden und Modelle

Beschreibung von Flüssigkeiten durch Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) oder die Finite Volumen Methode (FVM), von Schüttgütern und suspendierten Partikeln durch die Diskrete Elemente Methode (DEM) und von Festkörpern durch SPH oder DEM

Anprechpartner
Dr. Claas Bierwisch
Telefon +49 761 5142-347

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Zelluläre Werkstoffe und feste Schäume

Integrale numerische Bewertung von Bauteilen aus zellulären Werkstoffen und festen Schäumen

Vorhersage der Mikrostrukturentwicklung beim Aufschäumen und die Berechnung und Optimierung effektiver Materialdaten entsprechend den Anforderungen auf der Bauteileben.

Gegenstand der Simulation

Elastizität, Plastizität, Kriechen, akustische Eigenschaften und zu erwartende Streuungen.

Methoden und Modelle

Thermomechanische Modelle sowie probabilistische Ansätze für Mechanismen auf der Mikro- und Makroskala und Homogenisierungsansätze.

Ansprechpartner
Dr. Jörg Hohe
Telefon +49 761 5142-340

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Langfaserverstärkte Thermoplaste

Integrale numerische Bewertung kurz (KF)- und langfaserverstärkter (LFT) Thermoplaste

Bauteilbewertung unter Berücksichtigung der prozessbedingt ungeordneten Mikrostruktur der Werkstoffe.
Erweiterung durch prozessintegrierte Funktionalisierung mit Metallen oder endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen zur lokalen Verbesserung der hybriden Bauteileigenschaften.

Gegenstand der Simulation

Fließvorgänge bei der Formfüllung, lokale prozessbedingte Faserorientierung, Faserdichte und -längenverteilung, Verzug und Eigenspannungen.
Festigkeit/Steifigkeit, Kriechen, Plastizität, Dehnraten- und Temperaturabhängigkeit auf Bauteilebene in Abhängigkeit vom Herstellungsprozess.

Methoden und Modelle

Homogenisierungsansätze (Mikro-Makromodelle), abgestimmte Materialmodelle, Simulationstechniken, probabilistische Ansätze und Techniken zur Simulation von Anbindungen.

Ansprechpartner
Dr. Jörg Hohe
Telefon +49 761 5142-340

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© Foto Bernd Müller/Fraunhofer IWM

Wärmebehandlungsprozesse

Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen für maßgeschneiderte Bauteileigenschaften

Kopplung der Prozessparameter der Wärmebehandlung mit den mechanischen Bauteileigenschaften und der Bauteillebensdauer.

Gegenstand der Simulation

Ausscheidungsentwicklung und -verteilung mittels thermodynamischem Extremalprinzip in Abhängigkeit des Temperaturverlaufs im Wärmebehandlungsprozess.

Methoden und Modell

Thermodynamisch-kinetische Modelle, Plastizitätsmodelle, Modelle für Ausscheidungsentwicklung & Rekristallisation, RVEs für Fließflächen, Chaboche-Modell zur Beschreibung der Mechanik.

Ansprechpartner
Dr. Christoph Schweizer
Telefon +49 761 5142-382

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Crashsicherheit Gussbauteile

Optimierung von Gießprozessen für maximale Crashsicherheit von Gussbauteilen

Kopplung von Gieß- und Crashsimulation zur Verbesserung der Prognose von Crasheigenschaften.

Gegenstand der Simulation

Porositäts- und Mikrostrukturverteilung sowie Mikrodefekte.

Methoden und Modelle

Makroskopische Werkstoffmodelle und mikromechanische Versagensmodelle mit inneren Variablen zur Berücksichtigung der Mikrostruktur und Zellmodellrechnungen zur  Untersuchung stochastischer Effekte bei der Porenmorphologie.

Anprechpartner
Dr. Dong-Zhi Sun
Telefon +49 761 5142-193

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Crashsicherheit Strangpressbauteile

Optimierung des Strangpressens für maximale Bauteilsicherheit im Crashfall

Kopplung von Strangpress- und Crashsimulation zur Verbesserung der Prognose von Crasheigenschaften, Anpassung von Strangpresswerkzeugen zur Einstellung der Mikrostrukturverteilung in Halbzeugen.

Gegenstand der Simulation

Prozessparamter sowie die daraus resultierende Mikrostruktur wie verformte und rekristallisierte Körner und Ausscheidungen.

Methoden und Modelle

Temperatur- und dehnratenabhängige Stoffgesetze mit Berücksichtigung des Spannungszustandes und Reibmodelle bei hohen hydrostatischen Spannungen.

Ansprechpartner
Dr. Dong-Zhi Sun
Telefon +49 761 5142-193

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Fügeverbindungen

Bewertung und Optimierung von Fügeverbindungen

Kopplung von Fügeprozesssimulation und Tragfähigkeitssimulation unter Crashbelastung zur Parametrierung von Ersatzmodellen; Schweißsimulationen von verschiedenen Schweißprozessen zur Minimierung von Eigenspannungen und Verzug

Gegenstand der Simulation

Tragfähigkeitsvorhersage, Verzugs- und Eigenspannungsberechnung

Methoden und Modelle

Makroskopische Werkstoffmodelle und mikromechanische/empirische Versagensmodelle, Fließ- und Versagensmodelle für Kleber, Ersatzmodellierung von flächigen, linien- und punktförmigen Verbindungen

Anprechpartnerin
Dr. Silke Sommer
Telefon +49 761 5142-266

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Neue Werkstofffunktionen und Substitutionswerkstoffe

Design neuer Werkstofffunktionen und Suche nach Substitutionswerkstoffen
(Hartmagnete, transparente und leitende Oxide, Piezo- und Thermoelektrika)

Berechnung makroskopischer Materialfunktionen (magnetisch, elektrisch, optisch,mechanisch) aus mikroskopischen Materialdaten.

Gegenstand der Simulation

Zusammenhänge zwischen Kristallstruktur, Kristallzusammensetzung und lokalen Magnetmomenten, Beziehungen zwischen der Dimensionalität von Kristallfehlstellen und elektronischen Zuständen in den Bandlücken oxidischer Halbleiter oder Einflüsse von Kristallsymmetrien, von atomaren Defekten und Dotanden, sowie von Korn- und Phasengrenzen auf die ferroelektrische Polarisation.

Methoden und Modelle

First-principles- und semi-empirische Elektronenstruktur-Berechnungsmethoden (Dichtefunktionaltheorie und Tight-Binding-Theorie), Spin-Modelle und Mikromagnetismus für Hartmagnete, Bänderstruktur- und Effektive-Masse-Modelle für Oxid(halb)leiter und Thermoelektrika sowie Phasenfeldtheorie und Mikromechanik für Piezoelektrika.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Christian Elsässer
Telefon +49 761 5142-286

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© Foto Fraunhofer IWM

Beschichtungsprozesse

Optimierung von Beschichtungsprozessen für maßgeschneiderte tribologische Schichten

Kopplung von Beschichtungsparametern (Spezies, Energien, Auftreffwinkel, Schichttemperatur), Schichtstruktur und mechanischen/tribologischen Schichteigenschaften (Glättung, Verschleißfestigkeit, Reibung).

Gegenstand der Simulation

Schichtperformance als Resultat der Wachstumsbedingungen, der Nachbearbeitung und des Einlaufs.

Methoden und Modelle

Molekulardynamik des Depositionsprozesses gekoppelt an topographische Kontinuumsmodelle, Plastzitätsmodelle für die Schicht und Kontinuumsmodelle für den Verschleiß.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Michael Moseler
Telefon +49 761 5142-286

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© Foto S.K.U.B/Fraunhofer IWM

Skalenübergreifende Experimente

Parallel zu numerischen Experimenten werden skalenübergreifende Experimente durchgeführt:

Extraktion kleiner Materialvolumen (z.B. Beschichtungsmaterialien, aufgehärtete Schichten).

Statische und dynamische mechanische Untersuchung (z.B. Zug-, Druck- und Biegeversuche zur Untersuchung der Festigkeit, Ermüdungslebensdauer oder Bruchzähigkeit).

Statische und dynamische Versuche unter verschiedenen Atmosphären und Temperaturen.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Chris Eberl
Telefon +49 761 5142-495

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