Institut für Digitale Materialforschung
Forschungsschwerpunkte
Durch die Fördermaßnahmen aus Drittmittelprojekten und dem Mittelbauprogramm der letzten Jahre konnten am IDM die folgenden vier Schwerpunktfelder der Materialwissenschaften und datengetriebenen Analyse etabliert werden:
I: Poröse Materialien
Ia) Medizintechnik
Hochporöse Membranstrukturen aus Cellulosenitrat stellen den Hauptbestandteil medizinischer Diagnostiktests (wie z. B. COVID-Tests) dar. In dem BMBF-Projekt OptiProt - Optimierte Proteinverteilung durch Porositätsdesign wurde ein computergestütztes Design offenporiger Membranstrukturen erreicht, mit dem der Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte optimiert wird. Bei den Simulationen wurden komplexe Membranstrukturen aufgelöst und die Flüssigkeitspropagation berechnet.
Ib) Umwelttechnik
Im Rahmen des BMWi-Projekts PoroSan - Design und Modellierung eines mikrobiellen Sanierungsverfahrens für LHKW-Verunreinigungen, bestehend aus einem Grundwasserzirkulationsbrunnen in Kombination mit einem neu entwickelten Multilevel-Injektionsbrunnen zur Nährstoffzugabe wurde in Simulationsstudien eine optimale Prozessführung zur Reinigung von kontaminiertem Grundwasser durch das Auflösen der mikrostrukturellen Porositäten der zugrundeliegenden Sandstrukturen bestimmt. In dem Projekt Puls-Wasser wurden Strömungssimulationen eingesetzt, um das Einbringen oszillierender und/oder pulsierender dreidimensionaler Spülströmungen in Grundwasserzirkulationsbrunnen zu untersuchen. Ziel der Strömungsimpulse ist eine optimierte Grundwasserreinigung durch die Mobilisierung von Schadstoffen in kontaminiertem Grundwasser bzw. die Einbringung von Reaktionspartnern in geringer durchlässige Bereiche des Untergrundes. In Vorbereitung zur Anwendung von Modellierungsmethoden, bei der Vorhersage des Wärmetransports in geothermischen Anlagen, wurden im BMBF-Projekt MERID - Multiskalensimulation der Strömungsdynamik auf Poren und der Reservoirskala, unter Berücksichtigung der Sandpartikelstrukturen Strömungssimulationen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten durchgeführt, richtungsabhängige Durchströmungseigenschaften für verschiedene Sedimentstrukturen in Erdschichten ermittelt und als anisotrope Permeabilitätstensoren an makroskopische Simulationen übergeben.
Ic) Leichtbau: Innovative Schaumstrukturen
Computergestütztes Design neuartiger oberflächenreicher, offenporiger Metallschäume mit optimierten Durchström- und Aufheizungsraten war die Herausforderung des geförderten BMWi-Verbundprojekts EmiFoam - Entwicklung und Erprobung eines auf Metallschaum basierten induktiv beheizbaren Durchlauferhitzers. In Simulationsstudien wurde der konvektive Wärmeübergang während einer Durchströmung untersucht und neue gradierte Metallschaumstrukturen während der induktiven Erwärmung von Haushaltswasser als Rohrelementkomponenten entwickelt und erprobt. Das IDM erarbeitete Softwarelösungen als Grundlage für den 3D-Druck gradierter Schaummodelle und berechnete Betriebskennlinien für den Druckverlust sowie den Wärmeübergangskoeffizient.
Durch das Thema MagicMetal - Substitution toxischer Werkstoffe für thermoelektrische Anwendungen, durch die Herstellung von Magnesiumsilicid aus infiltrierten Metallschäumen wurde die simulationsgestützte Entwicklung neuer hybrider Verbundwerkstoffe gefördert. In Mikrostruktursimulationen wurden offenporige Metallschäume modelliert und die nachfolgende Infiltration mit einer gezielt einstellbaren Festkörperumwandlung behandelt.
Das Zentrum für Angewandte Forschung ZAFH - InSeL I und II - Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau ist ein vom MWK Baden-Württemberg und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderter Forschungsverbund der Hochschulen Pforzheim und Karlsruhe sowie des KIT. Für funktionsoptimierte Anwendungen mit anisotropem Lastverhalten sollen durch Experimente und Simulationen auf der Basis von offenporigen Metallschäumen neuartige zelluläre Leichtbauwerkstoffe und -komposite mit hoher Eigensteifigkeit entwickelt werden. Forschungsarbeiten umfassen die mikrostrukturelle Charakterisierung der Schaumstrukturen, umfassende Eigenschaftsanalysen, eine Topologieoptimierung unter mechanischer Belastung sowie die Entwicklung neuer Modelle zur Beschreibung der Ausbildung von Polymerschäumen.
Neustarts und Weiterführungen
Neustart des BMBF-Projekts MultiPore, ab 01.01.2022: Fortsetzung der Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Sartorius GmbH, zur multiskaligen Modellierung der physikalischen Vorgänge der Flüssigkeitspropagation und Adsorption in Diagnostikmembranen von Lateral Flow Tests.
Neustart des BMBF-Projekts BioSorb - Computergestütztes Design von Strömungs- und Adsorptionsvorgängen in Bioreaktoren, ab 01.01.2022. Ziel ist ein validiertes Lösungsverfahren für die Auslegung und Entwicklung von in situ-Bioreaktoren, für den Einsatz in Grundwassersanierungsanlagen. Die Simulationsmodelle sollen hierbei die Adsorption endokriner Disruptoren erfassen und vorhersagen.
II: Mikrostrukturgetriebene Materialentwicklung
Im Rahmen eines durch das MWK Baden-Württemberg geförderten kooperativen Promotionskollegs mit dem Titel Gefügestrukturanalyse und Prozessbewertung gestaltete die HKA in Sprecherfunktion gemeinsam mit dem KIT und der HAW Offenburg eine gemeinsame Doktorandenausbildung. Insgesamt wurden im Bereich der Material- und Prozessentwicklung Forschungsarbeiten von zwei Doktorandengenerationen mit jeweils 12 Doktorandinnen und Doktoranden gemeinsam erfolgreich betreut. Die thematische Ausrichtung umfasste die Themenbereiche: (i) Analyse der Wechselwirkung zwischen Mikrostruktur und mechanischer/strömungsmechanischer Krafteinwirkung und (ii) Erforschung der Korrelationen zwischen Materialeigenschaften und Prozessbedingungen.
Eine systematische Beschreibung der Wirkzusammenhänge zwischen der Morphologie, dem Reaktionsverlauf und den daraus resultierenden mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften in reaktiven Multischichtsystemen ist der Forschungsgegenstand des laufenden DFG-SFB-Verbundprojekts PAK 983/1. Aus den Ergebnissen soll das Potenzial selbstfortpflanzender Umwandlungen in intermetallischen reaktiven Systemen für Anwendungen erfasst werden.
Das IDM ist mit dem Projekt Mikrostruktursimulation der Erstarrung in der Schweißnaht an einer neu eingerichteten DFG-Forschergruppe FOR-5134 - Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse beteiligt. Unter Einbindung makroskopischer Prozessbedingungen werden in Mikrostruktursimulationen die Einflussgrößen der mikrostrukturellen Heißrissbildung bestimmt. Hierzu wird das Erstarrungs- und Seigerungsverhalten berechnet und die Rissbildungswahrscheinlichkeit in metallischen Schweißnähten ermittelt.
Im Bereich der additiven Fertigung wird ebenfalls das ZIM-Projekt PST - Prozesssteuerungstool für die Additive Fertigung des BMWI durchgeführt. Das zu entwickelnde PST soll eine konstante Qualität in der additiven Fertigung von PLA-basierten Bauteilen ermöglichen, indem der Druckvorgang digitalisiert und vorab für jeden einzelnen Druckvorgang simuliert wird. Am IDM der HKA liegt der Fokus hierbei auf der Modellierung des Kristallisationsprozesses des aufgeschmolzenen Filaments sowie auf der Vorhersage von effektiven Materialeigenschaften nach dem Aushärtevorgang.
Neustarts und Weiterführungen
Neustart des DFG-Projekts NanoBain - Mechanismenbasiertes Mikrostrukturdesign von kohlenstoffarmen Giga-NANOBAIN-Stählen, zum 01.07.2022. Ziel ist es, mit Hilfe einer "Bottom-up"-Mikrostruktur-Design-Strategie kohlenstoffarme Giga-NANOBAIN-Stähle zu entwickeln, die den mechanischen Kompromiss zu Stählen überwinden. Der Fokus des IDM-Projektteils liegt in der Optimierung der Prozessierungsschritte der Wärmebehandlung, durch die Modellierung chemo-thermo-mechanischer, mikrostruktureller Umwandlungsprozesse, und in der Vorhersage der resultierenden Morphologie sowie der effektiven mechanischen Eigenschaften.
III: Neue Energiematerialien
Die Vorhersage der durch eine Mikrostrukturänderung hervorgerufenen Degradation in neuartigen vollkeramischen SOFC-Brennstoffzellen wurde im BMBF-Verbundprojekt KerSOLife100 analysiert. In Simulationen mit dreiphasigen Kornstrukturen wurde die elektrochemisch induzierte Änderung der Mikrostruktur berechnet und im Abgleich mit dem Experiment Optimierungsvorschläge der Elektrodenmikrostruktur erarbeitet.
Als direktes Anschlussprojekt wurde das BMBF-Projekt WirLebenSOFC - Verständnis der Wirkzusammenhänge der Alterungsmechanismen zur Lebensdauervorhersage von SOFCs genehmigt. Hauptziel ist es, Degradationsmechanismen von Festoxidbrennstoffzell-(SOFC)-Systemen zur Rückverstromung von insbesondere klimaneutral erzeugtem „grünen“ Wasserstoff im Betrieb mit H2 bzw. H2-angereichertem Brenngas zu untersuchen und Modelle für deren Lebensdauervorhersage zu entwickeln. Am IDM werden die mikrostrukturellen Alterungsprozesse von SOFC-Anoden unter Betriebsbedingungen modelliert, um ein tieferes Verständnis der mikrostrukturellen Degradationsmechanismen zu erlangen und die Erkenntnisse an physikalische Simulationsmethoden sowie an ML-Methoden zur Alterungsvorhersage weiterzugeben.
Neustarts und Weiterführungen
Neustart des BMBF-Projekts ElChFest - Elektro-chemo-mechanische Modellierung von Ceroxid-basierten Festoxidelektrolysezellen: Das Gesamtziel des Verbunds ist die modellgestützte Optimierung Ceroxid-basierter Elektrolysezellen. Über eine dreidimensionale elektro-chemo-mechanische Modellierung sollen die Zusammenhänge zwischen der chemischen Dehnung des Ceroxids im Schichtverbund der Zelle, den Betriebsparametern und einer resultierenden Rissbildung im Elektrolyten vorhersagbar werden. Über Simulationen werden optimale Designparameter für die Zelle und sichere Betriebsfelder ermittelt sowie eine wissensbasierte Optimierung der Zelle ermöglicht. Der Fokus am IDM liegt in der Modellierung der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen in den porösen polykristallinen Elektrodenmikrostrukturen unter Prozessbedingungen.
IV: Forschungsdateninfrastruktur Kadi4Mat und nachhaltige Softwareentwicklung von Pace3D
Im Verbund mit der Universität Erlangen und dem KIT wurde durch eine Kombination und Integration der beiden HPC-Software-Frameworks waLBerla und Pace3D im Rahmen des BMBF-Projekts SKAMPY - Ultra-Skalierbare Multiphysiksimulationen für Erstarrungsprozesse in Metallen eine HPC-Software für komplexe anwendungsorientierte Probleme in den Materialwissenschaften geschaffen und eine hohe Performanz auf nationalen Hochleistungsrechnersystemen nachgewiesen.
Das IDM ist an dem international führenden Science Data Center (SDC) MoMaF - Molekulare Materialforschung beteiligt, das durch das MWK Baden-Württemberg gefördert wird. Die Arbeiten am IDM integrieren repräsentative Prototypen für praxisnahes Datenmanagement und praxisnahe Datenworkflows materialwissenschaftlicher Anwendungen in die neu geschaffene Forschungsdateninfrastruktur Kadi4Mat.
Mit dem Projekt Nachhaltiges Daten- und Softwaremanagement für Forschungssoftware zur Simulation von Erstarrungsrissen beim Laserstrahlschweißen übernimmt das IDM innerhalb der DFG-Forschergruppe FOR-5134 die übergreifende Aufgabe der Definition gemeinsamer Datenstandards, die Entwicklung von Daten- und Softwareschnittstellen sowie die Umsetzung von Datenanalysemethoden zur einheitlichen Auswertung experimenteller und simulierter Daten mit großen Volumina.
Das durch das BMWi geförderte Projekt ProStroM - Produktions- und Strukturoptimiertes Metall-Strömungsfeld für Bipolarplatten: Simulative Topologieoptimierung (SimTop) ist thematisch ebenfalls der Optimierung von Brennstoffzellsystemen gewidmet. Durch die exakte Vorbereitung von Geometrie-, Material- und Prozessführungsdaten wird mittels Phasenfeldsimulationen der gekoppelten O2-Diffusion und der Strömungsvorgänge eine Topologieoptimierung der gasdurchströmten Strukturen angestrebt.
