Direktorin

Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler

Anschrift:

Lehrstuhl Informatik

Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

Institut für Digitale Materialforschung (IDM)
Moltkestr. 30

76133 Karlsruhe   

Deutschland

Büro:

Steinbeis-Haus
Willy-Andreas-Allee 19

2.OG, Raum 212
76131 Karlsruhe

Telefon:
+49(0)721-608-45310  
+49(0)721-925-1504
Fax:+49(0)721-925-2348
Mail:britta.nestlerspam prevention@hs-karlsruhe.de 

Gruppenstruktur

Multiscale Materials Modelling and Data Processing

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Michael Selzer (Gruppenleiter)

Die Forschungsgruppe „Multiscale Materials Modelling and Data Processing“ um
Dr.-Ing. Michael Selzer beschäftigt sich mit dem Einfluss von
Multiphasenströmungen durch komplexe Geometrien, den Benetzungseigenschaften
von einphasigen und mehrphasigen Flüssigkeitstropfen auf chemisch und
mechanisch strukturierten Oberflächen und der Topologieoptimierung.

Ziel der Forschung ist die Reduktion des Energieverbrauchs bei der Herstellung
der Materialien und der Erhalt der Materialeigenschaften während der
Lebensdauer. Somit ist die Forschung für die Energiewende und den Klimaschutz relevant. Anwendung finden die Untersuchungen in der Automobilindustrie,
in der Luft-und Raumfahrttechnik, im Bereich des Leichtbaus und in der Baubranche.

Zur Beantwortung der Forschungsfragen verwendet die Gruppe die
Phasenfeldmethode. Die Arbeit mit effizienten Simulationsprogrammen ermöglicht
die Entwicklung kostengünstiger und innovativer Materialien ohne ein
Experiment. Im Fokus steht daher die Entwicklung des massiv parallelen Lösers
PACE3D. Für die Erweiterungen der Modelle werden numerische Algorithmen
angepasst und für das Hochleistungsrechnen optimiert.
Im Zuge der Digitalisierung stehen auch zunehmend die Datenverarbeitung, die
Datenerhaltung und die Archivierung von Forschungsdaten im Vordergrund. Die
Gruppe engagiert sich daher auch in diesem neu aufkeimenden Forschungsgebiet
in den Materialwissenschaften.

Mitarbeiter in der Gruppe

Multiphysics Materials Modelling: Microstructure-Mechanics Interactions

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Schneider (Gruppenleiter)

Die Forschungsgruppe „Multiphysics Materials Modelling: Microstructure-Mechanics Interactions“ um Dr.-Ing. Daniel Schneider untersucht die Wechselwirkungen zwischen mikrostrukturellen und mechanischen Einflussgrößen auf der mesoskopische Längenskala von Materialien. Einen entscheidenden Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften von Materialien haben sowohl die Evolution der Körner und Domänen, als auch die daraus resultierende heterogene Mikrostruktur. Daher ist das Verständnis dieser Mechanismen und möglicher möglichen Defekte für die virtuelle Entwicklung von Materialien (Virtual-Material-Design) unentbehrlich unentbehrlich zur virtuellen Entwicklung von Materialien (Virtual-Material-Design). Unter der Einbindung vornehmlich mechanischer, aber auch chemischer, thermischer und elektromagnetischer treibender Kräfte werden die physikalischen Prozesse an den Grenzflächen untersucht. Dies geschieht mittels der Phasenfeldmethode, welche die mit numerischen Algorithmen gekoppelt ist. So können die Prozessparameter optimiert und somit die Produktionskosten gesenkt, effektive Materialeigenschaften optimiert oder neue Materialien entwickelt werden. Aktuelle Forschungsfragen beziehen sich auf den Rekristallisationsprozess, die Fest-Fest-Phasenumwandlungsprozesse sowie auf die elektro-chemischen Prozesse und die Rissausbreitung. Als Materialien werden Metalle, Faserverbundwerkstoffe, Lithium-Ionen-Batterien bzw. Piezzo-Kristalle betrachtet.

Phasenfeldmodelle und numerische Methoden zur Beschreibung von Phasenumwandlungen, inklusive mechanischer Triebkräfte Modellerweiterungen auf mechanische Triebkräfte:
• Beschreibung der Elastizität des Phasenfelds für diffuse Übergangsbereiche, basierend auf mechanischen Sprungbedingungen
• Elasto-plastischer Multiphasenfeldansatz
Simulationen:
• Rissausbreitung in spröden und dehnbaren Materialien
• Einfluss der Mikrostruktur auf mechanische Eigenschaften
• Rekristallisationsprozesse
• Displazive Phasenumwandlungsprozesse


Mitarbeiter in der Gruppe

Multiphysics Materials Modelling: Microstructure- Heat- and- Mass Transfer

Ansprechpartnerin: Dr. rer. nat. Anastasia August (Gruppenleiterin)

Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter anderem unter dem Einfluss von Strömungen

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe "Multiphysics Materials Modelling: Microstructure Heat and Mass Transfer" von Dr. rer. nat. Anastasia August umfassen die Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen, unter anderem unter dem Einfluss von Strömungen. Ziel ist es, die Effizienz von Wärmetauschern, Wärmekollektoren und Wärmespeichern abhängig von der Gefügestruktur und den Materialeigenschaften zu verbessern. Bei der Modellierung der Prozessabläufe werden Phasenumwandlungsprozesse des fluiden Mediums berücksichtigt. Die Forschungsgruppe entwickelt optimale Strukturen der beteiligten porösen Stoffe, beispielsweise die Struktur eines Metallschaums.

Wichtigste Forschungsprojekte

Metallschäume

Metallschäume sind Materialien mit ausgezeichneten Eigenschaften. Sie sehen aus wie Bierschäume, nur ohne Bier und im Wesentlichen ohne die Zwischenwände zwischen den einzelnen Bläschen. Nur wo drei oder mehr Bläschen zusammentreffen, ist noch Material. Diese sogenannten Stege bilden ein unregelmäßiges, festes Netz, das viele Eigenschaften des Grundmaterials – Metall – nach wie vor weitgehend besitzt: Wärmeleitfähigkeit, Stabilität und elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus bieten sie noch viel mehr: Die Leichtigkeit, der geringere Grundmaterialbedarf und – ganz besonders – die große Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Über diese Oberfläche kann zum Beispiel die Wärme mit der Luft, die sich um die Stege herum befindet, ausgetauscht werden. Diese Eigenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung, im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.

Link: http://www.emr.kit.edu/ 

Solarthermie

Die Sonnenenergie kann von schwarzen Gegenständen besonders gut absorbiert werden. So ist die Haut eines Polarbären schwarz, damit er aus dem Sonnenlicht am Nordpol so viel Energie wie möglich raus holen kann. Die weißen Fellhaare, die das Sonnenlicht durch lassen, dienen der Isolation der eigenen Körperwärme. Nach diesem Prinzip werden im Projekt Solarthermie – zusammen mit unserem Projektpartner, dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (→ www.uni-stuttgart.de/forschung/orp/inst_profile/we/itv.html), Wärmekollektoren aus textilem Abstandsgewirk entwickelt. Neben der Energiegewinnung spielt natürlich auch ihre Speicherung eine große Rolle. Im zweiten Projektschritt werden neue Speicheranlagen geprüft: Etwa kleine, mit Paraffin gefüllte fingerhutgroße Eimerchen, die unmittelbar unter den textilen Kollektor platziert werden sollen. Paraffin speichert latente Wärme beim Aufschmelzen und setzt sie beim Erstarren wieder frei. Am CMS prüfen wir verschiedene Systeme mit Hilfe von Computersimulationen und machen Verbesserungsvorschläge für ihre Geometrie.

Poröse Wasserrohre

Der möglichst effiziente Umgang mit Energieressourcen ist eine wichtige Herausforderung der Zukunft. Daraus ergibt sich die Suche nach effizienten, günstigen und praktischen Stoffen zur Wärmeleitung und -Speicherung speicherung in den Materialwissenschaften. Metallische Schäume stellen einen vielversprechenden Lösungsansatz für Probleme der Energieübertragung und -Speicherung speicherung dar, da sie sowohl die Eigenschaft der Durchlässigkeit für Fluide als auch die der großen Oberfläche besitzen. Das Dies ermöglicht das effizientere Erwärmen von Flüssigkeiten und anderen möglichen Füllungen. Ziel ist hierbei eine möglichst große Wärmeübertragung bei einem gleichzeitig möglichst geringem geringen Druckverlust. Die Herstellung dieser Schäume geschieht zunächst in Computersimulationen, in denen der Werkstoff auf verschiedene Bedingungen, wie Temperatur- oder Druckveränderungen, und den Einfluss verschiedener Porengrößen getestet wird. Anschließend wird mithilfe eines 3D 3D-Druckers ein Modell für den Feinguss des optimalen Schaums hergestellt.
Anwendung finden Metallschäume beispielsweise in der Konzeption von Wasserrohren, die ihre Energie effizienter an das Wasser abgeben.

InSel: Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau

 

InSeL: Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau


Das Forschungsprojekt InSeL (Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau) ist eine Forschungsinitiative zur Leichtbauforschung in Baden-Württemberg, bestehend aus dem Zusammenschluss verschiedener Universitäten, außeruniversitären Einrichtungen und Unternehmen, an denen das IAM des KIT beteiligt ist. Es beinhaltet die gemeinsame Forschung, aber auch die Wissenskommunikation der Forschungsergebnisse an Unternehmen sowie die Vernetzung der InSeL-Mitglieder zu weiteren Forschungsprojekten. Dabei stehen drei Aspekte für die InSeL-Mitglieder im Vordergrund:

Innovationsaspekt:

Durch die immer weiter fortschreitende Technologie sind poröse Strukturen sehr gefragte Werkstoffe, deren Entwicklung jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden ist, wie beispielsweise die Entwicklung von Kompositen.

Wirtschaftlicher Aspekt:

Das InSeL-Projekt soll die wirtschaftliche Erschließung bisher nicht ausreichend nutzbar gemachter poröser Materialien ermöglichen. Damit wird die Wettbewerbsfähigkeit vor allem mittelständischer Unternehmen gesteigert.

Kommunikationsaspekt:

Dieser Aspekt beinhaltet die Wissenskommunikation an Unternehmen. Durch den interdisziplinären Ansatz soll zudem die Kommunikation der Forschenden untereinander gestärkt werden.

Unser Teilprojekt:

Hier am CMS beteiligen wir uns durch Computersimulationen im Bereich der Polymerschäume an diesem Projekt, die beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen als Vorform dienen.

Link: https://www.hs-pforzheim.de/insel External Link

Populärwissenschaftliche Vorträge

TitelTagungAutoren
Science SlamMetallschaum Teil1: YoutubeDr. Anastasia August
Metallschaum Teil2: Youtube
Wärmeleitfähigkeit: Youtube
Nebelfänger Teil 1: Youtube
Nebelfänger Teil 2: Youtube
Eisbär Teil 1: Youtube
Eisbär Teil 2: Youtube
Talking Science: Karlsruhe-Blog
Famelab: clickit-magazin
Famelab Metallschaum und Paraffin: Youtube
Stetigkeit: Youtube
Eisbär: Feeds Video Uni-Erlangen
PodcastPodcast: Math KIT External Link

Mitarbeiter in der Gruppe

Multiphysics Materials Modelling: Microstructure - Fluid Dynamics

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Fei Wang (Gruppenleiter)

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe von Dr.-Ing. Fei Wang fokussieren sich auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Phasen, in Verbindung mit einer fluiden Dynamik und der Phasentransformation in unvermischbaren Flüssigkeiten und nanoporösen Strukturen. Die Gruppe forscht an der spinodalen Zersetzung in Legierungen oder Membranen, an der Formation intermetallischer Phasen, an der reaktiven Benetzung und an der Brechung von Flüssigkeitsstrahlen. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf die monotektische Erstarrung. Das Forschungsziel ist es, Eindrücke über die Kinetik mikrostruktureller Evolutionen und Muster, die sich im Gleichgewicht oder Ungleichgewicht befinden, zu erhalten. Dabei bleibt die Herausforderung, theoretische Berechnungen mit numerischen Simulationen oder experimentellen Ergebnissen zu verbinden, da die Korrektheit der Simulation von den gegebenen thermodynamischen und kinetischen Daten abhängt. Anwendung findet die Forschung in der industriellen Produktion, wie beispielsweise beim Tintenstrahldrucker oder der Herstellung von Nanopartikeln.
Phasenfeldsimulation der durch reaktive Benetzung ermöglichten Kopplung mit der Kapillarströmung im Al-Au-System

Mitarbeiter in der Gruppe

High Performance Materials Simulation and Data Science

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Johannes Hötzer (Gruppenleiter)

Großskalige Simulationen von Legierungen und Sinterprozessen mit der Phasenfeldmethode

Die Forschungsgruppe „High Performance Materials Simulation and Data Science“ um Dr.-Ing. Johannes Hötzer beschäftigt sich mit der großskaligen Simulation von Legierungen und Sinterprozessen mit der Phasenfeldmethode.

Die Anforderungen an innovative Bauteile erfordern Materialien mit definierten Eigenschaften. Diese hängen von den chemischen Elementen sowie von der beim Herstellungsprozess entwickelten Mikrostruktur ab. Deshalb ermöglicht ein besseres Verständnis der Mikrostrukturentwicklung die Herstellung maßgeschneiderter Bauteile.

Um das HPC-System möglichst effizient zu nutzen, werden hochoptimierte und vektorisierte Codes der Modelle in der Gruppe entwickelt. Die Simulationen laufen auf Hochleistungscomputern, wie sie am Höchstleistungsrechenzentrum (HLRS) Stuttgart zu finden sind. Mit Hilfe der am Institut entwickelten, massiv parallelen Löser PACE3D und waLBerla werden die Simulationen mit mehreren zehntausend Rechenkernen berechnet.

Im Bereich der Legierungen steht vor allem die Mikrostrukturentwicklung durch unterschiedliche Prozessparameter bei der gerichtete Erstarrung binärer (Al-Ag-Cu, Ni-Al-Cr, Ni-Al-Mo) und tenärer (Al-Ag-Cu, Ni-Al-Cr, Ni-Al-Moi, Ni-Zr) Eutektika sowie das gekoppelte eutektisch-dendritische Wachstum im Fokus. Weiterhin beschäftigt sich die Gruppe mit dem Wachstum eutektischer Kolonien. Der Bereich Keramiken beschäftigt sich mit der Simulation des Festphasensinterns im initalen und mittleren Zustand sowie mit der Mikrostrukturentwicklung im Endstadium des Sinterns, unter dem Einfluss von Poren.

Zur Generierung von realistischen Mikrostrukturen (zum Beispiel: Grünkörper mit definierter Dichte, Partikelgrößenverteilung und Partikelform) und zur Auswertung der großskaligen Simulationsergebnisse, beispielsweise bei der Entwicklung der Fasern bei der gerichteten Erstarrung, werden zudem verschiedene Werkzeuge in der Gruppe entwickelt.

Mitarbeiter in der Gruppe