Institute for Digital Materials Research

Contact: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Funding: Ministry of Science, Research and the Arts Baden-Württemberg (MWK)
Start date: 2015
End date: 2019

Funded in the funding programme "Cooperative Doctoral Colleges" of the Ministry of Science, Research and the Arts Baden-Württemberg

Karlsruhe House of Young Scientists (KHYS) Landesgraduiertenförderung

(Funding of 12 doctoral scholarships for 3 years each - cooperation between Karlsruhe University of Applied Sciences, Offenburg University of Applied Sciences and  Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Cooperative Doctoral Programme of the Karlsruhe University of Applied Sciences, the Offenburg University of Applied Sciences and the Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Topic of the doctoral college: Structural analysis and process evaluation

The Ministry of Science, Research and the Arts of Baden-Württemberg has approved the continuation of the cooperative doctoral programme "Structural Analysis and Process Evaluation" and enabled the funding of a 2nd generation of doctoral students. The first scholarship holders of the 2nd generation of doctoral students began their work on 01.11.2015. Currently, all 12 scholarships with a duration of up to three years have been awarded. The aim of the joint doctoral programme of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), the Karlsruhe University of Applied Sciences (HKA) and the Offenburg University of Applied Sciences is to conduct experimental and theoretical research into structure formation mechanisms in different material systems and for a variety of different processes. The work is carried out within the framework of 12 dissertation projects, which are supervised in tandem by professors from both types of university. The scholarships are assigned to two thematic fields. Dissertation topics with a strong experimental and strong theoretical orientation are anchored in each topic area. The processing of the research tasks provides for an intensive exchange of doctoral students within the individual subject areas, but also between the subject areas.

For the 2nd funding phase (2nd generation of doctoral students), it is planned to bundle the 12 scholarships into two topic areas (I. Microstructure-Mechanics-Interaction and II. Polycrystalline Microstructures) in order to promote an intensive exchange between the doctoral students of the research training group. In topic area I, the focus of the work is on the analysis of the bidirectional interaction of microstructural parameters and mechanical load effects. Topic II investigates the influence of material properties on the formation of polycrystalline grain structures. The physical mechanisms of the formation of grain structure anomalies and the effect of nanoparticle distributions on grain boundary mobility are investigated. The structural and process properties predicted in simulations are to be compared with the experimentally measured quantities and any necessary adjustments in the modelling or in the experimental procedure are to be discussed. The doctoral college has cross-thematic, common research content in the characterisation of microstructures, in the derivation of microstructure-property correlations and in the interaction of microstructure formation and process sequences. A cross-thematic exchange is promoted by the doctoral seminar anchored in the study programme.

The two thematic fields are each endowed with six scholarships, which complement each other in terms of content. In order to promote cooperation between the two universities of applied sciences, an equal number of dissertation projects with a work focus at the universities and at KIT are set up in each subject area. Each dissertation project is supervised by a team of 2-3 professors from both types of universities. The following table shows an overview of the topic areas, the planned scholarships and the responsible supervisors at the universities.

I. Microstructure-mechanics interaction

Fellowships HKA-1 and KIT-1: Investigation of the mechanical behaviour of tungsten at the microscopic level.

Scholarships HKA-2 and KIT-2: Modelling elastic-plastic behaviour in microstructures.

Scholarships HsOF-3 and KIT-3: Topology optimisation of mechanically stressed, multiphase load-bearing structures.

II. Polycrystalline microstructures

Grants HKA-4 and KIT-4: Experimental and simulative analysis of grain boundary anomalies in perovskites.

Fellowships HKA-5, HsKA-6, KIT-5 and KIT-6: Development of hardened ODS steels, via targeted distribution of nanoscale oxide particles.

In addition to the research programme, the doctoral college includes a dissertation-accompanying study programme consisting of compulsory and individual curriculum, summer schools, workshops and seminars. Through the connection to the funded ZAFH project "InSeL: Innovative Foam Structures for Efficient Lightweight Construction", joint events can be organised and carried out.

Unfortunately, no new scholarship holders can be admitted to this doctoral programme, as all places are already taken.

In this doctoral programme, it is no longer possible to apply for a scholarship, as all dissertation projects are already in progress.

1,468 euros/m funding rate, including flat-rate material and travel costs.

400 Euro/m family allowance for 1 child, plus 100 €/m for each additional child.

Application procedure:

Potential scholarship holders are selected by the coordinators of the respective subject areas. If you are interested in participating in this cooperative doctoral programme, please contact us at the following e-mail address

P-Kolleg.idmspam prevention@hs-karlsruhe.de

Please give us your full contact details (address, telephone number) and a few key points about yourself, and indicate which of the subject areas you are interested in. We will then forward this expression of interest to the coordinators of the respective thematic areas, who will in turn inform you about the selection process.

Content issues:

If you have any questions regarding the content, we will be happy to put you in touch with the relevant contact. In this case, please also be sure to indicate which dissertation topic you are interested in: P-Kolleg.idmspam prevention@hs-karlsruhe.de.

Organisational issues:

Please address your questions either in writing to P-Kolleg.idmspam prevention@hs-karlsruhe.de or to the office of the cooperative doctoral college, Ms Claudia Hertweck-Maurer (claudia.hertweck-maurerspam prevention@hs-karlsruhe.de) or Tel. : +49(0)721-925-2395 or Fax: +49(0)721-925-2348.

Speaker team:

In the 2nd funding phase, the spokesperson team is composed of Prof. Dr. Sabine Weygand (Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics at HKA) and Prof. Dr. Britta Nestler (Institute for Applied Materials and Faculty of Mechanical Engineering at KIT, and in a dual function professor at Karlsruhe University of Applied Sciences). The scientific director is Dr Anastasia August, a junior researcher at the university and at KIT.

Organisation

The doctoral programme consists of a research programme and an accompanying study programme. The research programme contains the research projects of the individual dissertation projects and the networking of the doctoral students' work with each other. The study programme includes interdisciplinary events and consists of a compulsory curriculum and an individual curriculum specifically tailored to the individual scholarship holders. The professors involved in the doctoral college form the circle of supervisors for the doctoral students. Each scholarship holder is guided by a team of 2-3 supervisors (supervision tandem). The responsible supervisors support the research work and advise the scholarship holders individually on the design of the study programme. Within the circle of supervisors, a postdoctoral researcher from one of the participating institutes is appointed as managing director. The managing director takes on administrative tasks and coordinates the activities of the scholarship holders. This includes, in particular, the organisation of joint events, insofar as these are not organised by the fellows themselves. In addition, the managing director coordinates administrative details of the study programme and manages the quality assurance target agreements made with the scholarship holders. The doctoral students elect a spokesperson and organise a regular doctoral seminar during lecture times. In this doctoral seminar, the doctoral students exchange information about their progress and work on joint publications.

Acceptance of scholarship holders

On the basis of the application documents, the doctoral committee of the Faculty of Mechanical Engineering of KIT will examine whether an applicant fulfils the required conditions of the doctoral regulations. Only applicants who hold a university degree with which they are admitted as a doctoral candidate by the doctoral committee of the Faculty of Mechanical Engineering will be admitted to the doctoral college. Applicants who have to provide additional qualifying evidence for acceptance as a doctoral candidate are not admitted to the Kolleg. Thus, all Kolleg members are already accepted as doctoral candidates when they are admitted to the doctoral college. Qualification scholarships and other qualification measures are therefore not provided for in the doctoral college.



Care concept

Upon admission to the doctoral college, each scholarship holder receives a dissertation topic and a team of two supervising professors (supervisors), both of whom are close to the subject matter to be worked on. The work on the research tasks is supervised by the supervisors and independent scientific work by the doctoral students is encouraged. Regular work meetings take place. Within the framework of target agreements for quality assurance, each doctoral student prepares a brief report every six months (on 1 March and 1 September) on the progress of his/her research work in the past six months and a concept for the work and projects of the coming six months. In the target agreements, among other things, publication activity, upcoming stays abroad, participation in events and participation in national and international conferences are determined according to the progress of the research work. In a subsequent discussion, any deficits in the fulfilment of objectives or additional needs for further qualification are pointed out and flow into the concept for the next 6 months. In addition, the first supervisor advises the scholarship holder on taking the individual curriculum from the study programme offered. Care should be taken to ensure that complementary subject lectures are taken, taking into account the qualifications and the degree, in order to achieve an interdisciplinary education. The doctoral candidate shall have the successful participation in a lecture certified by the respective lecturer on the basis of an examination interview or through active participation in seminars and other events. Each dissertation topic is closely related to (at least) a second doctoral project, so that the doctoral students have a strong network and connection to each other. During the lecture periods in the winter and summer semesters, a doctoral seminar is held once a week, where the doctoral candidates have the opportunity to discuss their current status and open questions with the other scholarship holders and the supervisors.

Quality Management

The target agreements reached with each doctoral student form the basis for quality assurance of the research work, for progress in the dissertation projects and for the implementation of the recommended lectures and events of the study programme. The achieved status in the research and qualification programme and the intended goals are assessed and discussed individually by the supervisors with the scholarship holders each semester on the basis of the submitted short reports and concepts. The managing director administers the specified target agreements for all doctoral students of the doctoral college and keeps statistics on publications, conference attendance, lectures attended and other activities. One measure of the success of the Research Training Group is the degree of industrial implementation of the research results in technical practice achieved, the career opportunities of the scholarship holders when they start their careers following their work in the Research Training Group, as well as their subsequent opportunities for promotion in their professional lives. In the medium and long term, the doctoral college will have an impact on the Karlsruhe House of Young Scientists, where it will be continuously evaluated together with other instruments of structured doctoral supervision and contribute to the further development of the modules located in the Karlsruhe House of Young Scientists.


Environment of the doctoral college

The Karlsruhe/Offenburg location offers outstanding opportunities for research and development in the fields of mechanical engineering and applied computer science because of the mutually complementary research fields at the KIT and the universities of Karlsruhe and Offenburg at the highest level. This is expressed in various joint research projects and in the participation of the applicant professors in ongoing major projects. The cooperative doctoral college of KIT and the universities of Karlsruhe and Offenburg has the opportunity to benefit from the structures, workflows and organisations already established. The funding of the cooperative doctoral college helps to make decisive progress and build on existing strengths by bundling research activities in the field of experimental and theoretical microstructure analysis and component evaluation. In addition, interdisciplinary engineers and computer scientists can be trained for industry, who can work on problems from mechanics, materials science and production technology with modern methods of applied computer science and with current simulation techniques. The thematic orientation of the doctoral college aims to provide targeted training for doctoral students with interdisciplinary core competences in the fields of applied computer science and mechanical engineering. Considerable future demand is seen for this interdisciplinary capability of specialists. The participating universities provide the doctoral college with the necessary premises and equipment to carry out the research work. In addition to office space and computer workstations for the scholarship holders, this includes in particular the machine capacity for the production processes available at the location, the laboratory capacity for the characterisation of the resulting component states and the computer capacity on high-performance computers. The doctoral college is seen as a pioneering institution with a role model function for further collaborations and is intended to bring about a sustainable increase in national and international visibility in the field of materials research and materials engineering.

Thema des Promotionskollegs und fachliche Zuordnung

Das Thema des beantragten kooperativen Promotionskollegs lautet Gefügestrukturanalyse und Prozessbewertung. Die fachliche Ausrichtung ist interdisziplinär und schließt Arbeitsgruppen aus den beiden Fachrichtungen Maschinenbau und Informatik in die Forschungsarbeiten ein.

Antragstellende Hochschulen

Der Antrag auf Einrichtung des kooperativen Promotionskollegs wird gemeinsam von folgenden Hochschulen gestellt:

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft (HKA), weiterhin ist die Hochschule Offenburg an dem Promotionskolleg beteiligt.

Postfach 6980, Moltkestr. 30
76049 Karlsruhe / 76133 Karlsruhe

Sprecherteam

Das Sprecherteam setzt sich in der 2. Förderphase hochschulübergreifend zusammen aus Prof. Dr. Sabine Weygand (Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik der HKA) und Frau Prof. Dr. Britta Nestler (Institut für Angewandte Materialien und Fakultät für Maschinenbau des KIT, und in Doppelfunktion Professorin der Hochschule Karlsruhe). Wissenschaftliche Geschäftsführerin ist Frau Dr. Anastasia August, Nachwuchswissenschaftlerin an der Hochschule und am KIT.


Beteiligte Professorinnen und Professoren

Im Folgenden werden die an dem geplanten Promotionskolleg beteiligten Professorinnen und Professoren der beiden Hochschulen mit Nennung der Institutszugehörigkeit aufgelistet:

KIT

- Prof. Dr. Britta Nestler, Institut für Angewandte Materialien - Computational Materials Science (IAM-CMS)
- Prof. Dr. Michael Hoffmann, Institut für Keramik im Maschinenbau (IKM)
- Prof. Dr. Oliver Kraft, Institut für Angewandte Materialien - Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM)
- Prof. Dr. Anton Möslang, Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP)
- Prof. Dr. Hans Jürgen Seifert, Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP)

HKA

- Prof. Dr. Britta Nestler, Institut für Digitale Materialforschung (IDM)
- Prof. Dr. Rainer Schwab, Institute of Materials and Processes (IMP)
- Prof. Dr.-Ing. Gerhard Kachel, Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik (M+V), Hs Offenburg
- Prof. Dr. Sabine Weygand, Institut für Angewandte Forschung (IAF)
- Prof. Dr.-Ing. Markus Stöckner, Institut für Grund- und Straßenbau (IGS)
- Prof. Dr.-Ing. Holger Vogelsang, Studiengang Informatik, Medien- und Kommunikationsinformatik

Förderdauer und Förderumfang

Das Promotionskolleg befindet sich in einer zweiten Förderperiode von drei Jahren. Zur Förderung ausgezeichneter Absolventinnen und Absolventen verschiedener Hochschularten, insbesondere von Fachhochschulen, wurden 10 Doktorandenstipendien durch das Ministerium für Wissenschaft und Kunst (MWK) bereitgestellt. Das KIT hat darüber hinaus eine zusätzliche Finanzierung von zwei weiteren Doktorandenstipendien als Unterstützung des Promotionskollegs ermöglicht.


Kurzfassung

Ziel des kooperativen Promotionskollegs des KIT und der Hochschule Karlsruhe und Offenburg ist die experimentelle und theoretische Erforschung von Strukturbildungsmechanismen in unterschiedlichen Materialsystemen und für eine Vielzahl verschiedener Prozessabläufe. Die einzelnen Promotionsprojekte besitzen in der Gefügecharakterisierung, in der Analyse des Einflusses der Prozessrandbedingungen auf die Gefügestrukturen und auf die Eigenschaften, in der Bewertung von Prozessen und in der Herleitung von Mechanismen zur Verbesserung der Prozessführung gemeinsame, kollegübergreifende Forschungsbereiche. Das Promotionskolleg umfasst 12 Dissertationsprojekte, die von Professorinnen und Professoren der beiden Hochschularten betreut werden. Im Themenfeld I steht die Analyse der bidirektionalen Wechselwirkung mikrostruktureller Kenngrößen und mechanischer Lasteinwirkung im Fokus der Arbeiten. Themenfeld II erforscht den Einfluss von Materialeigenschaften auf die Ausbildung polykristalliner Kornstrukturen. Es werden die physikalischen Mechanismen der Entstehung von Anomalien der Korngefüge und die Auswirkung von Nanopartikelverteilungen auf die Pinning-Kraft von Korngrenzen untersucht. In jedem Themenfeld sind Dissertationsthemen mit starker experimenteller und starker theoretischer Ausrichtung vorgesehen. Die in Simulationen vorhergesagten Struktur- bzw. Prozesseigenschaften sollen mit den experimentell gemessenen Größen verglichen und evtl. erforderliche Anpassungen in der Modellierung bzw. im Versuchsablauf diskutiert werden. Die Bearbeitung der Forschungsaufgaben sieht einen intensiven Austausch der Doktorandinnen und Doktoranden innerhalb der einzelnen Themenfelder vor. Das Promotionskolleg besitzt darüber hinaus in der Charakterisierung von Gefügestrukturen, in der Herleitung von Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen und in der Wechselwirkung der Gefügeausbildung und der Prozessabläufe themenfeldübergreifende, gemeinsame Forschungsinhalte. Ein themenfeldübergreifender Austausch wird durch das im Studienprogramm verankerte Doktorandenseminar gefördert.

Das beantragte kooperative Promotionskolleg orientiert sich an dem durchgeführten Studienprogramm des Graduiertenkollegs 1483 der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Begleitend zu ihrer Forschungstätigkeit belegen die Stipendiatinnen und Stipendiaten Veranstaltungen eines sechssemestrigen Doktorandenstudiums namens „CAMP - Computer Applicaton in Materials Processing“, mit dem Ziel einer interdisziplinären Weiterqualifizierung. Die Inhalte der angebotenen Vorlesungen und Veranstaltungen konzentrieren sich auf die Bereiche Fertigungsprozesse, Bauteilfestigkeit, Materialmodelle und numerische Simulationsmethoden zu Werkstoffeigenschaften und zur Regelung von Fertigungsprozessen. Das Studienprogramm „CAMP“ enthält ein Vorlesungsprogramm mit einem Pflicht- und Individualcurriculum, eine Seminarveranstaltung, eine jährliche Sommerschule, ein Symposium und evtl. Gastaufenthalte bei Kooperationspartnern im In- und Ausland. Darüber hinaus sollen die Doktorandinnen und Doktoranden kontinuierlich Erfahrung in der Erstellung von Publikationen, in der Präsentation von Ergebnissen auf Konferenzen und in der Bearbeitung und Berichterstellung von Projekten bekommen. Bei der Gestaltung des Studienprogramms wurde besonders darauf geachtet, dass der Umfang genügend Zeit für die eigentliche wissenschaftliche Arbeit lässt und es dadurch nicht zu einer promotionsverlängernden Wirkung kommt. Eine Übersicht ist in Tabelle 1 zusammengestellt.

Das Vorlesungsprogramm von „CAMP“ umfasst ein für alle Doktorandinnen und Doktoranden gleiches Pflichtcurriculum, das für die Themenfelder des Promotionskollegs übergreifende methodische Kenntnisse vermittelt und die Entwicklung von Schlüsselqualifikationen einbezieht. Innerhalb des Individualcurriculums werden den Doktorandinnen und Doktoranden zu ihrer Vorausbildung komplementäre Lehrinhalte vermittelt, sodass sie nach Abschluss der Promotion über strukturiert erlernte interdisziplinäre Kenntnisse verfügen. Die Kursbelegung für das Individualcurriculum wird gemeinsam mit der jeweiligen Betreuerin oder dem jeweiligen Betreuer festgelegt. Eine frühe wissenschaftliche Selbständigkeit der Doktorandinnen und Doktoranden wird dadurch gefördert, dass einige Veranstaltungen wie das Seminar, die Sommerschule etc. von den Doktorandinnen und Doktoranden selbständig gestaltet und durchgeführt werden. Das Seminar dient zu einem kontinuierlichen Austausch der Doktorandinnen und Doktoranden, die sich durch Vortragsbeiträge regelmäßig über ihren Fortschritt in der Dissertation informieren. Intensive Diskussionen über den einzelnen Stand der Arbeit sollen die Möglichkeit der Unterstützung geben und zur Erarbeitung von Themen führen, die sich für gemeinsame Publikationen eignen. An der Sommerschule und an dem Symposium nehmen Doktorandinnen und Doktoranden, Betreuerinnen und Betreuer und Gastwissenschaftlerinnen und Gastwissenschaftler teil. Die Stipendiatinnen und Stipendiaten stellen ihren aktuellen Stand der Arbeit vor, die Betreuerinnen und Betreuer und Gastwissenschaftlerinnen und Gastwissenschaftler bringen sich mit Übersichtsbeiträgen zu ausgewählten, übergeordneten Themen im Zusammenhang mit der Thematik des Promotionskollegs ein und geben einen Einblick in den aktuellen Stand der Forschung.

Den Doktorandinnen und Doktoranden stehen alle Einrichtungen und Fortbildungsmaßnahmen des Karlsruher Instituts für Technologie, wie z. B. das Karlsruhe House of Young Scientists (KHYS), zur Verfügung. Innerhalb des KHYS können die Doktorandinnen und Doktoranden bei der Organisation von Gastaufenthalten bei Kooperationspartnern im In- und Ausland unterstützt werden. Die Doktorandinnen und Doktoranden werden von den Betreuerinnen und Betreuern zur aktiven Teilnahme an Konferenzen aufgefordert, um Erfahrungen in der Präsentation von Ergebnissen zu erhalten. Außerdem werden die Stipendiatinnen und Stipendiaten bei der Erstellung von Publikationen angeleitet. Von den Stipendiatinnen und Stipendiaten sollen während der Promotion insgesamt ca. drei bis vier Veröffentlichungen angefertigt und jährlich ca. zwei Vorträge gehalten werden. Jede Kollegiatin / jeder Kollegiat soll im Laufe seiner Promotion in eine kurzzeitige (ca. dreimonatige) Projektarbeit eingebunden werden und an der Erstellung eines Berichtes mitwirken. Die Thematik der Projektarbeit soll an die Inhalte des Promotionskollegs angrenzen. Durch diese Maßnahme des Studienprogramms soll die von promovierten Ingenieurwissenschaftlerinnen und Ingenieurwissenschaftlern erwartete Erfahrung im Projektmanagement sichergestellt werden. Im letzten Studienjahr (3. Jahr) sind in CAMP keine Vorlesungen vorgesehen, damit die Doktorandinnen und Doktoranden sich weitestgehend auf die Zusammenfassung ihrer wissenschaftlichen Arbeiten konzentrieren können. Mit dem begleitenden individuellen und strukturierten Studienprogramm werden Nachwuchskräfte interdisziplinär ausgebildet, die in der Industrie Schlüsselpositionen in der Materialforschung sowie in der fertigungs- und werkstoffbezogenen Produktentwicklung einnehmen können. In der industriellen Anwendung finden die im Promotionskolleg vermittelten Kompetenzen und Methoden zunehmend an Bedeutung, um neue Werkstoffe zu entwickeln und neue Prozessabläufe mit optimierten Eigenschaften auszulegen. Daher wird in den Bereichen experimentelle und theoretische Gefügestrukturanalyse und Bauteilbewertung für die Absolventinnen und Absolventen in den nächsten Jahren ein erhebliches Entwicklungspotential erwartet.