Forschungskompetenzen

 

Die Herstellung von fast jedem künstlich hergestellten Objekt und Material erfordert irgendwann auch die Erstarrung. Metallische Legierungen gehören zu der Materialgruppe, die in industriellen Anwendungen, z.B. in der Gießereiindustrie, am häufigsten eingesetzt wird. Während der Herstellung von Gussteilen kommt es zur Erstarrung von metallischen Legierungssystemen, die viele verschiedene Phasen und folglich unterschiedliche Phasenübergänge einschließt. Die Erstarrung wird von einer komplexen Gefügeausbildung begleitet. In Abhängigkeit von den Prozessbedingungen und den Materialparametern können in diesen Mikrostrukturen beim Wachstum unterschiedliche Morphologien beobachtet werden. Der spezifische Erstarrungsprozess hat einen starken Einfluss auf die Materialeigenschaften und die Qualität der Gussteile. Um die materiellen Eigenschaften in der Industrieproduktion zu verbessern, ist das detaillierte Verständnis der dynamischen Entwicklung von Korn- und Phasengrenzen während des Erstarrungsprozesses für die praktischen Bedürfnisse von großer Wichtigkeit. In echten Metalllegierungen kann der Erstarrungsprozess nicht an Ort und Stelle beobachtet werden, sodass mathematische Modellierungen und numerische Simulationen wertvolle Informationen über die Bildung der Mikrostruktur liefern und es möglich machen können, Vorhersagen über die Eigenschaften der sich entwickelnden Morphologie zu treffen. Die computergestützte Modellierung hat generell die Absicht, Material mit spezifischen Eigenschaften zu entwerfen und die Produktionsprozesse zu verbessern.

 

Aus diesem Grund konzentrieren sich die grundlegenden Forschungsaktivitäten unserer Forschergruppe auf die Modellierung und auf numerische Simulationen der Erstarrung und der Gefügeausbildung für echte metallische Legierungen und andere Materialien. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Beschreibung der Phasenumwandlungsprozesse in mehrkomponentigen Mehrphasensystemen, unter der Berücksichtigung von Massen- und Wärmediffusion, Konvektion, Anisotropie und Elastizität. Ein weiteres Ziel ist die analytische und numerische Untersuchung mehrskaliger Erstarrungsphänomene, die auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen auftreten. Unsere Forschergruppe ist äußerst interdisziplinär und schließt die Materialwissenschaft, die Mathematik, die Physik und computergestützte Wissenschaften ein.

 

Kreditpunkte sowie Informationen über den parallelen 3D-Simulations-Solver können hier gefunden werden: PACE3D (Parallel Algorithms for Crystal Evolution in 3D).

 

Modellierungs- und Simulationstechniken in der Materialwissenschaft:

  • Thermodynamisch konsistente Phasenfeldmodellierung (PFM)

  • Asymptotische Analyse von scharfen Grenzflächen

  • Numerische Strömungsmechanik: Navier-Stokes- und Lattice-Boltzmann-Löser

  • Kopplung von thermodynamischen Datenbanken mit PFM

  • Numerik von partiellen Differentialgleichungen: Finite-Differenzen- und Finite-Elemente-Methoden

  • Explizite und implizite Zeitdiskretisierungen

  • 3D-Visualisierung von Mikrostrukturen (OpenGL)

 


 Mehrskalige Modellierung und Simulation:

  • Kopplung von MD- und PF-Simulationen: von einer atomistischen Keimzelle zu einer mesoskopischen Mikrostruktur

  • Übertragung von thermodynamischen Daten aus MD-Simulationen als Input für PFM

  • Verwendung von freien Energien und strukturellen Parametern aus DFT-Berechnungen als Input für PFM

  • Kopplung von mesoskopischen PF-Simulationen und makroskopischen Berechnungen: Ableitung von Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen, abhängig von Prozessparametern

  • Formulierung von Hybridmodellen und Homogenisierungsmethoden

  • Adaptive Modellierung

  • Adaptive numerische Methoden in Bezug auf Zeit- und Längenskalen

  • Parallelisierung mit MPI auf Hochleistungsrechnern

  • Optimierung der Rechenzeit und des Speicherverbrauchs

 


 Anwendungen in der Materialwissenschaft:

  • Gefügeausbildung und Phasenübergänge in mehrphasigen Legierungssystemen

  • Kühlungsprozesse: dendritische, eutektische, peritektische und monotektische Erstarrung

  • Kinetik von Phasengrenzen

  • Diffusion in mehrkomponentigen Materialsystemen

  • Simulation von charakteristischen Morphologien und Quantitäten der Mikrostruktur

  • Polykristalline Kornstrukturen, Kornwachstum, Kornvergröberung und Korngrößenverteilungen

  • Dynamik von Grenzflächen, mehrfachen Knotenpunkten und Untersuchung des Einflusses auf Materialeigenschaften

  • Anisotropie der Kinetik und der Oberflächenenergien

  • Modellierung der Elastizität und der Plastizität

  • Mikromagnetismus

  • Mehrskalige Simulationen

  • Einfluss der Fluidströmung auf die Gefügeausbildung

  • Mechanismen der Nukleation

  • Optimierung der Materialeigenschaften durch Computersimulationen für unterschiedliche Prozessbedingungen und Legierungszusammensetzungen

 


 Experimentelle Themen: Metallurgie 

  • Charakterisierung von Mikrostrukturen und deren Eigenschaften

  • Metallographische Analyse

  • Messung der Mikrohärte, der Oberflächenrauheit usw.

  • Bestimmung von Dendritenarmabständen, Phasenanteilen, Größen und Formen, Konzentrationsprofilen usw.

 


 Weitere Themen: 

  • Installation einer dreidimensionalen Simulations- und Visualisierungsumgebung (CAVE)

  • Entwicklung einer Fahrsimulationssoftware

  • Konstruktion von Aktoren mit haptischem Feedback für Automobil-Cockpits und für klinische Tests von Sensor-Aktor-Systemen

 

Veröffentlichungen