Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Digitales Materialdesign – von atomaren Mechanismen zu nachhaltigen Lösungen

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Multiskalenmodellierung und Tribosimulation

Wie lassen sich Materialien und Moleküle gezielt so designen, dass industrielle Prozesse und Produkte effizienter, leistungsfähiger und nachhaltiger werden?

Wir entwickeln simulationsbasierte Strategien, die makroskopisches Material- und Bauteilverhalten mit den zugrundeliegenden mikroskopischen Mechanismen verknüpfen. Unsere multiskaligen Methoden reichen von der Quanten- und Atomskala bis zur Kontinuumsskala, ergänzt durch datenbasierte Ansätze für schnellere und präzisere Vorhersagen.

Unser Schwerpunkt liegt auf mechanisch belasteten Grenzflächen und ihrer chemischen sowie physikalischen Wechselwirkungen mit Flüssigkeiten und der Umgebung. Unsere Arbeit adressiert konkrete industrielle Herausforderungen, wie  

  • Reib- und Verschleißreduktion in tribologischen Systemen
  • Molekulares Design von Schmierstoffen und Substitution gefährlicher, umweltschädlicher, teurer oder schlecht verfügbarer Substanzen
  • Optimierung von Materialsystemen für neuartige Energieerzeugungs- und -speichersysteme

In diesen Anwendungsfeldern können wir Sie unterstützen

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(Nahezu) reibungsfreie und reibungsarme Systeme

Minimale Reibung und Supraschmierung entsteht nur, wenn alle Komponenten eines Reibsystems perfekt aufeinander abgestimmt sind. Dafür müssen die zugrundeliegenden Mechanismen auf atomarer Ebene verstanden werden, besonders bei Grenz- und Trockenreibung. Wir liefern dieses Verständnis und entwickeln daraus gezielte Designstrategien.

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Leistungsfähige und nachhaltige Schmierung

Wer Schmierstoffe optimieren will, muss ihre Wirkmechanismen kennen. Das gilt besonders, wenn Systeme an ihren Leistungsgrenzen betrieben werden oder unter elektrischen Feldern operieren. Wir erzeugen eine digitale Repräsentation des Schmierspalts, identifizieren die entscheidenden Einflussfaktoren und ermöglichen so die gezielte Substitution kritischer Substanzen.

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Verschleißoptimierte Bearbeitungsprozesse

Ob Zerspanung, Oberflächenbearbeitung oder Umformprozesse – Ressourceneffizienz und Produktqualität hängen vom Zusammenspiel aus Materialabtrag, Schneidwerkzeugverschleiß und Schmierstoffeinsatz ab. Wir analysieren das Gesamtsystem und optimieren alle relevanten Parameter aufeinander abgestimmt.

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Effiziente Katalyse und Degradationsprozesse

Verfahrenstechnische Prozesse, Korrosion oder Schadstoffabbau beruhen auf der Kopplung chemischer Reaktionen mit mechanischer Arbeit, oft unter Einfluss elektrischer Felder. Wir simulieren diese mechanochemischen und elektrochemischen Prozesse, um Aktivierungsbarrieren, Kinetik und Elementarprozesse gezielt zu steuern.

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Verlässliche Energieerzeugung und -speicherung

Bei der elektrischen Energiespeicherung und -erzeugung entscheiden Degradation, Korrosion, Volumenänderungen, Kontakt- oder Kapazitätsverluste über die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Systeme. Wir machen die ablaufenden Mechanismen berechenbar und leiten Optimierungsstrategien auf Materialebene ab.

FuE-Leistungen zur Multiskalenmodellierung und Tribosimulation

Computergestützte Aufklärung und Steuerung mechanochemischer Prozesse

 

Industrielle Prozesse werden häufig durch chemische und mechanochemische Reaktionen gesteuert, etwa bei der Bildung reibungsarmer oder verschleißschützender Tribofilme. Mit quantenmechanischen Simulationen und darauf aufbauenden Machine-Learning-Methoden analysieren wir Reaktionspfade und die Kinetik mechanochemischer Prozesse unter Berücksichtigung mechanischer und katalytischer Effekte, mit besonderem Fokus auf Oberflächen und Grenzflächen. Die gewonnenen Erkenntnisse und Daten liefern Leitlinien für die Prozessoptimierung und beschleunigen das Screening von Molekülen und Materialien. 

 

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Molekular- und Kontinuumsmodellen für Schmierstoffe


Wir entwickeln computerbasierte Schmierstoffmodelle, die atomare und kontinuumsmechanische Methoden vereinen – von der chemischen Wechselwirkung zwischen Additiven und Oberflächen über Piezoviskosität und Scherverdünnung bis hin zur Elastohydrodynamik. Besonders leistungsfähig sind unsere Modelle dort, wo klassische Kontinuumsansätze versagen: bei extrem dünnen Schmierfilmen oder sehr hohen Drücken.

 

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Datenbasierte Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

 

Durch Analyse von Simulations- und Experimentaldaten verknüpfen wir makroskopische Eigenschaften wie Reibung, Viskosität, Schmierstoffabbau oder Oberflächenadsorption mit der chemischen und geometrischen Struktur von Oberflächen und Molekülen. Die Ableitung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen findet Anwendung in Designprozessen, bei der Suche nach Alternativen für kritische chemische Verbindungen und bei der Formulierung numerischer Vorhersagemodelle.  

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Optimierung von Tribosystemen durch die Kombination experimenteller und numerischer Ansätze

 

Selbst mit den fortschrittlichsten experimentellen Analysemethoden ist es nahezu unmöglich, Reibungs- und Verschleißprozesse in situ zu beobachten. Um diese Einschränkung zu umgehen, kombinieren wir Multiskalensimulationen, die in Reibspalten „hineinschauen” können, mit modernsten experimentellen Analysemethoden des Geschäftsfelds Tribologie oder externer Partner. Unsere „Reibspalt-Sonde“ liefert Antworten auf wichtige tribologische Fragen wie die strukturelle Veränderung von Werkstoffen und Schmierstoffen unter Belastung oder die Bildung, Zusammensetzung und Struktur von Tribofilmen.

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Softwareentwicklung, Datenanalyse und Beratung

 

Wir unterstützen Unternehmen bei industriellen Fragestellungen rund um Tribologie, Modellierung und chemisch-mechanische Prozesse, von der Entwicklung maßgeschneiderter Simulationssoftware über Datenanalyselösungen bis hin zur strategischen Beratung beim Aufbau eigener Kompetenzen. 

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Warum sollte mein Unternehmen bei Fragen der Funktionalität, Effizienz und Nachhaltigkeit von Materialien und Molekülen in industriellen Prozessen und Produkten mit dem Fraunhofer IWM zusammenarbeiten?

 

  • Über 20 Jahre Erfahrung in der multiskaligen Modellierung von Werkstoffen und Flüssigkeiten mit bewährten und innovativen Methoden für Ihr spezifisches Problem.
  • Vollständige Methodenabdeckung von der Elektronenebene bis zum Kontinuum. Mikroskopische Ursachen und makroskopische Wirkungen werden in einem integrierten Modell erfasst.
  • Enge Verzahnung von Simulation und Experiment durch die Zusammenarbeit mit führenden experimentellen Gruppen innerhalb und außerhalb unseres Instituts für validierte Ergebnisse und kombinierte Dienstleistungen aus einer Hand.
  • Fundierte Erfahrung mit industriellen Problemen durch zahlreiche Kooperationen mit nationalen und internationalen Unternehmen verschiedener Branchen für einen anwendungsorientierten Ansatz.
  • Höchste wissenschaftliche Standards durch Universitätsanbindung und internationale Vernetzung damit Sie stets von modernsten Methoden profitieren. 

Publikationen zum Thema Multiskalenmodellierung und Tribosimulation

 

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Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...

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