Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMWas ist unsere Vision für die programmierbaren Materialien?
Fraunhofer IWM Videoserie
Programmierbare Materialien
Programmierbare Materialien sind Materialien oder Materialverbünde, deren Struktur so aufgebaut ist, dass sich ihre Eigenschaften gezielt kontrollieren und reversibel ändern lassen. In programmierbaren Materialien können komplexe und lokal unterschiedliche Funktionen einprogrammiert werden. Je nach Anwendung und Situation nimmt das Material dann von externen Triggern initiiert verschiedene Zustände und Materialeigenschaften an. Programmierbare Materialien eröffnen ein einzigartiges Potenzial für neue Systemlösungen, da sie wesentliche Systemfunktionalitäten selber übernehmen und so zusätzliche Systemteile wie Sensoren oder Aktoren überflüssig machen.
Was sind Programmierbare Materialien?
Verformungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen und Bauteilen
Die Bewertung der Sicherheit und der Gebrauchseignung von Bauteilen mit hohen sicherheitstechnischen Anforderungen unter betriebsrelevanten Beanspruchungen stehen im Mittelpunkt unseres Aufgabenspektrums. Die Palette der Anwendungen reicht von Sicherheitsnachweisen von Kraftwerkkomponenten über den Nachweis der Fehlertoleranz von Bauteilen der Raumfahrt, der Lebensdaueranalyse von thermomechanisch beanspruchten Komponenten in Kraftwerken und Automobilen bis zur Crashanalyse von Fahrzeugkomponenten, wobei neben dem Einsatzverhalten moderner Werkstoffe auch Fügeverbindungen und Hybridbauweisen von zentraler Bedeutung sind. Wir entwickeln und nutzen mechanismenbasierte Werkstoffmodelle zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Bauteilen unter thermischer und mechanischer Beanspruchung.
Fügeverbindungen: Verformungs- und Versagensverhalten einer Werkstoff-Verbindung
Werkstoffbewertung und Lebensdauerkonzepte
Wasserstoff kann durch unterschiedliche Prozesse in die Werkstoffe gelangen – durch Beladung mit gasförmigem Wasserstoff und durch elektrochemische Prozesse wie Korrosion oder galvanische Beschichtung. Zunehmende Bedeutung gewinnt das Thema Wasserstoffversprödung von Metallen im Verkehrs- und Energiebereich, da Wasserstoff als einer der wichtigen zukünftigen Energieträger angesehen wird. Die damit verbundene Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung, Verteilung und Einsatz von Wasserstoff als Energielieferant erfordert die Qualifizierung vorhandener und neu zu entwickelnder Werkstoffe für diese Anwendungen. Darum hat das Fraunhofer IWM neuartige Prüfstände zur Wasserstoffversprödung in Metallen entwickelt – einen Hohlprobenprüfstand und einen Autoklav für Wasserstoffbeladung mit in situ-Prüfung von Proben.
Mikrostruktur und Eigenspannungen: Neue Prüfstände zur Wasserstoffversprödung in Metallen
Digitalisierung in der Werkstofftechnik
Werkstoffdaten und Werkstoffinformationen bergen ein riesiges Potenzial für Wertschöpfung und Innovation. Der Schlüssel zum Erfolg besteht darin, Werkstoffe mit ihren Eigenschaften, ihren Funktionen und ihrem Verhalten digital abzubilden. Indem Informationen zu veränderlichen Werkstoffeigenschaften im Produktlebenszyklus durchgängig verfügbar sind und die materialwissenschaftliche Bewertung Eingang in die Produktion findet, ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten bei der Zuverlässigkeit und Funktionalität von Bauteilen und der Effizienz von Fertigungsprozessen.
Das Fraunhofer IWM hat sich zum Ziel gesetzt, den Umgang mit Werkstoffinformationen zu vereinheitlichen und zu erleichtern. Gemeinsam mit strategischen Projektpartnern werden in aktuellen Leuchtturmprojekten hierfür erste Frameworks erarbeitet. Damit sollen dezentrale Materialdaten einheitlich strukturiert und zugänglich werden – natürlich unter Gewährleistung der Datensicherheit und der Datensouveränität.
Der digitale Zwilling in der Werkstofftechnik
Materialdesign
Atomistische Simulationsmethoden können dabei helfen, Werkstoffe wie seltene Erden durch die Suche nach alternativen Werkstoffen zu ersetzen. Mit Simulationen, basierend auf der Festkörperphysik, und werkstoffmechanischen Experimenten klären wir Materialverhalten auf und sagen Materialeigenschaften vorher. Dadurch können wir Materialstrukturen und -funktionen gezielt gestalten. Wir nutzen diese Erkenntnisse, um ressourcen- und energieeffiziente Kombinationen von Werkstoffen zu identifizieren, die technische Systeme nachhaltig verbessern.
