Wie hybride Strukturen neue Werkstoffeigenschaften ermöglichen

Additive Fertigung erlaubt es, verschiedene Metalle in einer einzigen Mikrostruktur zu kombinieren. Durch geziel- te Anpassung der Topologie können Bauteile mit neuen mechanischen, thermischen sowie elektrischen Werkstoffeigenschaften erzeugt werden. Für die gezielte Entwicklung solcher hybriden Verbundwerkstoffe sind präzise Vorhersagen des Werkstoffverhaltens essenziell. In diesem Projekt wird ein simulations- und datenbasierter Ansatz entwickelt, der durch parameterbasierte Generierung komplexer Mikrostruk- turen eine systematische Analyse dieser Werkstoffklasse mittels einer Fast Fourier Transformation Formulierung ermöglicht. Durch diesen digitalen Zwilling können die gewonnenen Erkenntnisse zukünftig auf komplexere Anwendungsfälle wie Bauteile mit funktionalen Gradienten übertragen werden.

Edelstahl ist steif, fest und widerstandsfähig, aber ein vergleichsweise schlechter Leiter. Kupfer hingegen leitet Strom und Wärme hervorragend, ist aber nicht geeignet für hohe Lasten. Seit jeher zwingt diese Entscheidung Ingenieur*innen zu Kompromissen: Bauteile sind entweder stabil oder leitfähig, aber selten beides gleichzeitig. Genau hier setzt unsere Forschung an. Gemeinsam mit der Universität Augs- burg entwickeln wir ein neuartiges additives Fertigungsverfahren, umgangssprachlich häufig als „3D-Druck“ be- zeichnet, das die Herstellung von Verbundwerkstoffen aus verschiedenen Metallen ermöglicht. Dabei wird Schicht für Schicht Material in Form eines Filaments aufgetragen und formt so ein dreidimensionales Bauteil. Ein entscheidender Vorteil dieser Herangehensweise gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren ist die Möglichkeit auch komplexe Strukturen mit Überhängen, Hinterschnitten und sogar Hohlräumen erstellen zu können. Dies eröffnet eine Vielzahl von potenziellen Anwendungsgebieten, darunter der Einsatz als widerstandsfähige Wärmetauscher oder Kühlkörper, in der Mikrosystemtechnik, oder im Bereich der Batterieforschung. Auch eine Nutzung für Verbindungsbauteile beim Schweißen oder Löten oder für Beschichtungen ist sehr vielversprechend, da durch gezielte funktionale Gradienten sowohl Zuverlässigkeit als auch Langlebigkeit der Bauteile signifikant verbessert werden könnten (vgl. Abb. 1). Zudem ist additive Fertigung gerade bei Kleinserien besonders kosteneffizient und daher in der Fertigung von Prototypen oder maßgeschneiderten Bauteilen bereits weit verbreitet.

Während sich der Druck von Bauteilen aus einzelnen Metallen bereits in der Industrie etabliert hat, birgt die Kombination mehrerer Metalle in einem Bauteil (sog. Multi-Material-Design) zusätzliche Herausforderungen. Durch unseren filamentbasierten Ansatz lassen sich bestehende pulverbasierte Verfahren, die nicht nur Gesundheitsrisiken und Gefahren im Umgang mit Metallpulver bergen, sondern auch deutlich teurer sind, ersetzen.¹ Zudem können die beim Aufschmelzen häufig entstehenden, unerwünschten intermetallischen Phasen reduziert werden. Außerdem gilt es, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, Schmelztemperaturen und das chemische Zusammenspiel der verschiedenen Materialien entlang der gesamten Materialforschung Prozesskette und im fertigen Bauteil zu berücksichtigen.² Für die erfolgreiche Auslegung ist ein tiefgreifendes Verständnis des zugrundeliegenden Werkstoffs folglich unabdingbar. Im Fall hybrider Metall-Metall-Verbundwerkstoffe stellt dies die Forschung und Entwicklung vor eine Herausforderung: Durch die Vielzahl an möglichen Materialkombinationen, Topologien und Prozessparametern ist eine ganzheitliche Untersuchung mittels experimenteller Fertigung sowohl wirtschaftlich als auch zeitlich nicht praktikabel.

Die Arbeitsgruppe Scale Bridging Computational Methods des Institute of Materials and Processes (IMP) der HKA befasst sich mit der Vorhersage mechanischer und physikalischer Werkstoffeigenschaften durch rechnergestützte sowie datengetriebene Verfahren.³ Ein besonderer Fokus liegt dabei auf klassischen und innovativen Homogenisierungsverfahren und einer skalenübergreifenden Betrachtung der zugrundeliegenden materialspezifischen Mechanismen.^{4 5 6} Im Folgenden stellen wir einen recheneffizienten Ansatz zur flexiblen voxelbasierten Generierung hybrider Mikrostrukturen mit anschließender numerischer Analyse basierend auf der Fast Fourier Transform (FFT) Methode vor. Durch diesen werden Einblicke in die Mikro- strukturen ermöglicht, die bislang nur sehr schwer realisierbar waren. Von besonderem Forschungsinteresse ist dabei das Zusammenspiel von mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Spannungsverteilung, thermischen Größen wie Leitfähigkeit und Wärmeausdehnung sowie elektrischer Leitfähigkeit.

Modellierung der Mikrostruktur und Numerische Analyse

Um das Potenzial additiver Fertigung voll auszuschöpfen, werden insbesondere interpenetrierende, also wechsel- seitig durchdringende, Mikrostrukturen untersucht. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf dreifach periodischen Minimalflächenstrukturen, sogenannten Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS). Durch eine Topologie ohne scharfe Kanten mit verschwindender mittlerer Krümmung eignen sie sich perfekt für die Anwendung in hybriden Werkstoffen. Der wohl bekannteste Vertreter dieser Klasse ist die Gyroid Struktur, die sich aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bereits als Füllstruktur in additiv gefertigten Bauteilen mit Fokus auf Leichtbau und Materialeinsparung etabliert hat (vgl. Abb. 2). Die Oberfläche solcher TPMS ist dabei mathematisch über eine implizite Gleichung definiert. TPMS-Strukturen eignen sich somit hervorragend für parameterbasiertes Design, da beispielsweise Topologie und Volumenverhältnis der beteiligten Komponenten präzise gesteuert werden können.

Um diese Mikrostrukturen möglichst effizient numerisch analysieren zu können, setzen wir in unserer Arbeit auf die sogenannte Fast Fourier Transformation (FFT) als deutlich schnellere Alternative zur klassischen Finite-Elemente Methode (FEM).⁷ Die Mikrostruktur wird dabei auf einem regelmäßigen, periodischen Gitter beschrieben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden ist hierfür keine Vernetzung des Bauteils notwendig. Stattdessen wird jedes Voxel (vom engl. Volume + Element, dreidimensionales Analogon zum Pixel) einer der beiden Komponenten zugeordnet (vgl. Abb. 3).

Um das Werkstoffverhalten möglichst akkurat wiedergeben zu können, muss ein Ausschnitt des Bauteils gewählt werden, der statistisch repräsentativ für die gesamte Mikrostruktur ist. Ein solcher Ausschnitt wird als repräsentatives Volumenelement (RVE) bezeichnet. Im Falle von TPMS wird dabei je eine Wiederholeinheit, eine sogenannte Einheitszelle betrachtet. Die gezielte Untersuchung verschiedener Belastungsfälle erlaubt dabei eine vollständige Charakterisierung des Werkstoffverhaltens der Mikrostrukturen. Abb. 4 zeigt ein exemplarisches Vergleichsspannungsfeld für eine Gyroid Struktur mit funktionalem Gradienten nach Zugbelastung. Es ist erkennbar, dass sich die Spannungen in beiden Materialien deutlich unterscheiden und Spannungsspitzen insbesondere in Bereichen mit starker Krümmung auftreten. Hierdurch kann ein funktionaler Übergang zwischen zwei Metallschichten mit optimierten Eigenschaften realisiert werden, die durch Reduktion von kritischer Rissbildung die Zuverlässigkeit von Schichtsystemen und Bauteilen erhöhen.

Data Science & funktionale Gradienten

Durch die hohe Recheneffizienz der FFT-Formulierung lassen sich sehr große Datenmengen in kurzer Zeit generieren. Die so aufgebaute Strukturdatenbank kann nun als Grundlage dienen, um die generierten Mikrostrukturen hinsichtlich definierter Randbedingungen wie z. B. Geometrie oder ausgewählten Belastungsfällen parameterbasiert zu optimieren. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz unter anderem durch Methoden des maschinellen Lernens und KI, physikalisch fundierte Erklärungsansätze für experimentelle Beobachtungen abzuleiten. Basierend auf diesem tiefen Verständnis der Werkstoffeigenschaften können zukünftig auch komplexere Bauteile mit funktionalem Gradienten, d. h. mit einem variablen Verhältnis der beteiligten Komponenten, systematisch generiert werden. Diese sind gerade aufgrund der Vielzahl an möglichen Anwendungsbereichen von besonderem wissenschaftlichem Interesse. So lässt sich etwa die Anisotropie, also die Richtungsabhängigkeit der mechanischen oder thermischen Eigenschaften, durch eine gezielte Parameterwahl unter Berücksichtigung von Volumenanteilen, Phasenkontinuität und Periodizität einstellen. Durch die Zusammenarbeit mit dem experimentell arbeitenden Kooperationspartner an der Universität Augsburg ist es uns möglich, die gewonnenen Ergebnisse zu validieren, sodass schlussendlich eine direkte Vergleichbarkeit zwischen numerischen Vorhersagen und tatsächlich beobachtetem Werkstoffverhalten besteht.

Danksagung

Die Autor*innen danken für die Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer SCHU 3074/9-1.

Quellen

¹ Guerra, M. G., Morfini, L., Pellegrini, A., Meng, F., Lavecchia, F., Ferraris, E., & Galantucci, L. M.: Material Extrusion-Debinding- Sintering as an Emerging Additive Manufacturing Process Chain for Metal/Ceramic Parts Construction. In: CIRP Novel Topics in Production Engineering 1 (2024). Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-031- 54034-9_5.

² Zhang, Z., Wang, Z., Zhao, Q., & Prashanth, K. G.: Metal-metal interpenetrating phase composites: A review. In: Journal of Alloys and Compounds 1009 (2024) 176951. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.176951.

³ Katzer, B., Klinder, S., & Schulz, K.: Towards an automated workflow in materials science for combining multi-modal simulation and experimental information using data mining and large language models. In: Materials Today Communications 45 (2025) 112186. DOI: 10.1016/j. mtcomm.2025.112186.

⁴ Horny, D., & Schulz, K.: Analysis of interpenetrating metal ceramic composite structures using an enhanced random sequential absorption microstructure generation algorithm. In: Journal of Materials Science 57 (2022) 8869–8889. DOI: 10.1007/s10853- 022-07180-1.

⁵ Katzer, B., Weygand, D. & Schulz, K.: Characterization of dislocation networks under varying boundary conditions in the discrete to continuum transition regime. In: International Journal of Plasticity (2026) 104744. DOI: 10.1016/j. ijplas.2026.104744.

⁶ Lee, S. H., Wieners, C., & Schulz, K.: Continuum modeling of dislocation microstructures under tribological loading. In: Tribology International 209 (2025) 110731. DOI: 10.1016/j.triboint.2025.110731.

⁷ Lucarini, S., Upadhyay, M. V., & Segurado, J.: FFT based approaches in micromechanics: fundamentals, methods and applications. In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 30 (2022) 023002. DOI: 10.1088/1361-651X/ac34e1.

Autor*innen

Steffen Klinder, M.Sc. 
Akademischer Mitarbeiter und Doktorand am Institute of Materials and Processes

Prof. PD Dr.-Ing. Katrin Schulz 
Professorin an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik