Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMAnwendungsfelder für ICME
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
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
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. Dirk Helm
Telefon +49 761 5142-158
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
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 Bauteilebene.
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
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
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
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.
Anprechpartnerin
Dr. Silke Sommer
Telefon +49 761 5142-266
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.
Anprechpartnerin
Dr. Silke Sommer
Telefon +49 761 5142-266
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
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
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, Plastizitätsmodelle für die Schicht und Kontinuumsmodelle für den Verschleiß.
Ansprechpartner
Prof. Dr. Michael Moseler
Telefon +49 761 5142-286
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. Christian Elsässer
Telefon +49 761 5142-286