Integrative Werkstoffentwicklung

 

ICME – Ein historischer Überblick

Sonnenaufgang über RWTH Aachen Campus Martin Braun

Die integrative Werkstoffmodellierung (engl. Integrative Computational Materials Engineering, ICME) zielt auf die Beschreibung der Gefügeentwicklung auf allen relevanten Längenskalen sowie die Gefüge-Eigenschafts-Korrelation entlang der gesamten Prozesskette bis hin zum Werkstoffeinsatz ab. Um den Begriff besser erfassen zu können, bedarf es eines geschichtlichen Abrisses der Entwicklung dieser noch recht jungen Disziplin.

Die enorme Rechenleistung heutiger Computer trägt dazu bei, dass in Forschung und Entwicklung neuartige, mächtige Methoden Anwendung finden. Durch die enorm gewachsene Leistungsfähigkeit von Computern ist es heute beispielsweise möglich, reale Prozesse in der virtuellen Realität nachzubilden. Um physische Prozesse mit einem Computer abbilden zu können, ist Modellbildung unerlässlich. Die bekanntesten Verfahren sind Finite-Differenzen-Verfahren (FDM) und Finite-Elemente-Verfahren sowie verwandte Methoden, mit deren Hilfe kontinuierliche Phänomene der realen Welt diskretisiert mit Hilfe eines numerischen Gitters beschrieben werden können. Diese haben inzwischen einen so hohen Reifegrad entwickelt, dass sie bereits für die Zertifizierung von Produkten eingesetzt werden können.

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Aktivitäten zur Etablierung von ICME

Eines der Hauptziele von ICME ist die Beschreibung und die Vorhersage von Material- und Bauteileigenschaften. Diese Eigenschaften werden maßgeblich von der Mikrostruktur des Bauteils bestimmt.

Die Standardisierung von Datenformaten für den Austausch von Simulationsergebnissen wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu den ICME-Anwendungen der Zukunft. Sie würde den Informationsaustausch der verschiedenen Softwarewerkzeuge für zahlreiche Prozesse auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen ermöglichen, die Einfluss auf die Eigenschaften und Lebensdauer eines Bauteils haben. Mithilfe geeigneter Standards könnten dann beispielsweise die im Maschinenbau und in der numerischen Strömungssimulation (CFD) erfolgreich genutzten FEM-Modelle mit Mikrostrukturmodellen wie der Phasenmfeldmethode, einer Art künftiger „FEM für Metallurgen“, kombiniert werden.

Ein gemeinsames strukturelles Rahmenwerk für ICME würde es erlauben, bisher unverbundene Disziplinen entlang der Produktionskette in einen engen Austausch zu bringen, was in mittelfristig in verbesserten Prozess- und Produktionsszenarien resultieren und das Maßschneidern spezifischer Material- und Bauteileigenschaften ermöglichen würde.

 

Vorteile von ICME

Eingang zum RWTH Aachen Super C Gebäude Martin Braun

Die zentrale Bedeutung eines Integrativen, computergestützten Werkstoffingenieurwesens für die wirtschaftliche Entwicklung und die Wettbewerbsfähigkeit wurde kürzlich in einer Studie des National Research Council der Vereinigten Staaten von Amerika herausgearbeitet. Eine Reihe von Unternehmen und Joint Ventures setzen ICME-Methoden inzwischen erfolgreich ein. Hierbei verwendete Materialien sind zum Beispiel Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Superlegierungen, Titanlegierungen sowie Lötmetalle und moderne hochfeste Stähle. Die hier erzielten Fortschritte betreffen in erster Linie die Entwicklung, Herstellung, und Nutzungsszenarien von Produkten:

Vorteile in Planung und Entwicklung

  • Verkürzte Entwicklungszeiten
  • Verbesserte Materialeigenschaften, zum Beispiel in Bezug auf Festigkeit und Sprödigkeit
  • Schnellere Materialzertifizierung
  • Verkürzte Produktentwicklungszeit (15 – 25 %, in einigen Fällen bis hin zu 50 %)
  • Reduzierter Aufwand für experimentelle Prüfung von Materialien (Zeit, Kosten)
  • Gewichtsreduktion bestimmter Bauteile bei Aufrechterhaltung ihrer Funktion
  • Verbesserte Bauteileigenschaften

Vorteile bei der Herstellung (Auswahl)

  • Niedrigere Herstellungskosten
  • Optimierte Schmiedeverfahren
  • Schnelle, kostengünstige Wälzverfahren
  • Optimierte Kontrolle der Mikrostruktur im Feinguss

Vorteile in Betrieb und Wartung (exemplarisch)

  • Kosteneinsparungen im Betrieb und insbesondere bei der Wartung
  • Prognose der Lebensdauer von Lötverbindungen

Sowohl in den USA als auch in Europa gibt es inzwischen diverse Forschungsprojekte im Bereich ICME, so zum Beispiel das US-Konsortium „Virtual Aluminum Castings“ oder das Europäische Projekt „Integrated Materials Simulation“.

Des Weiteren bemühen sich kommerzielle Softwarehersteller, einen großen Funktionsumfang in ihren Softwarepaketen zu integrieren – hier seien beispielhaft die Anwendungen ESI Virtual Try Out Space (VTOS) sowie die ANSYS-Plattform genannt. Mächtig sind diese auf dem Gebiet der Modellierung gekoppelter Prozesse, so zum Beispiel in den Bereichen Schmieden und Wärmebehandlung. Die im Sinne eines ICME vielversprechenden Materialmodelle sind aber typischerweise empirisch und berücksichtigen den Werdegang des Materials bzw. Bauteils in aller Regel nicht.