Werkstoffe 27.06.2008, 19:35 Uhr

Innovative Materialentwicklung findet am Computer statt  

VDI nachrichten, Bochum, 27. 06. 08, Si – Maßgeschneiderte Hightech-Materialien in kürzester Zeit für die Industrie entwickeln ist das Ziel des Materialforschungszentrums Icams (Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation), das am 6. Juni in Bochum eröffnet worden ist. Mit komplexen Simulationswerkzeugen wollen Forscher in interdisziplinärer Zusammenarbeit die strukturellen Werkstoffvorgänge von der atomaren Skala bis auf die Ebene von Walzwerken abbilden.

Crashresistente leichte Autokarossen aus korrosionsbeständigem Stahl, der zugleich hochfest und extrem dehnbar ist. Fluoreszenzfarbstoffe, die den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen. Materialien zur effektiven Speicherung von Wasserstoff. Legierungen, die sich von selbst den Bedingungen im menschlichen Körper anpassen. So unterschiedlich diese Anwendungsaufgaben der Materialentwicklung auch sind, eines werden die dafür maßgeschneiderten Werkstoffinnovationen künftig gemeinsam haben: Statt im Labor werden sie am Computer mit Hilfe von komplexen Simulationsmodellen entwickelt.

„Designed Materials“ sind das Ziel, das sich das am 6. Juni an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) eröffnete Materialforschungszentrum Icams (Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation) gesetzt hat. Die hohen Erwartungen schlagen sich in einer üppigen Anschubfinanzierung nieder. Rund 24 Mio. € haben je zur Hälfte das Land Nordrhein-Westfalen und ein Industriekonsortium unter Führung von ThyssenKrupp Steel, Duisburg, und der Beteiligung von Salzgitter Mannesmann Forschung, Salzgitter, Bosch, Stuttgart, sowie der Unternehmenssparten MaterialSciences und Technology Services des Chemiekonzerns Bayer, Leverkusen, gegeben.

Statt in langwierigen Versuchsreihen werden Werkstoffe für die industrielle Praxis nun gezielt vor allem am Rechner entwickelt. Denn mit Hilfe von Simulationsmodellen lassen sich deren technologischen Eigenschaften vorhersagen. Für Karl-Ulrich Köhler, Vorstandsvorsitzender von ThyssenKrupp Steel, liegen die Vorteile auf der Hand: „Innovative Materialien kommen noch schneller auf den Markt, Kundenbedürfnisse lassen sich präziser erfüllen, es müssen weniger Ressourcen eingesetzt werden. Das sichert uns im Wettbewerb einen Zeitvorsprung von fünf bis zehn Jahren.“

Zu den Schwerpunkten der Arbeit am Icams gehören nicht nur neuartige Stähle für die Automobilindustrie, sondern beispielsweise auch Werkstoffe mit selbstheilenden Oberflächen, wie sie für kratzfeste Lacke benötigt werden. Alternative Materialien für Katalysatoren stehen ebenfalls im umfangreichen Programm der Forscher.

Das mit drei Stiftungsprofessuren startende Bochumer Materialforschungszentrum vereint deshalb unter seinem Dach auch Kompetenzen aus dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, sowie der RWTH Aachen. „Dabei werden die verschiedenen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen mit Mathematikern zusammenarbeiten“, sagte Ralf Drautz, der geschäftsführende Direktor des Bochumer Icams. Der Professor für Materialforschung hat diesen Entwicklungsansatz bereits während seiner Forschungstätigkeit am Materials Modelling Laboratory der Universität von Oxford kennengelernt. „In die Simulationen werden alle für Werkstoffe relevanten Dimensionen wie die atomare Struktur, die Mikrostruktur sowie die makroskopischen Eigenschaften des Materials einbezogen“, erläuterte der Icams-Direktor. Dabei kämen Methoden aus der Quantenphysik, der angewandten Mathematik und Informatik zum Einsatz.

Multiskalenmodellierung heißt laut Drautz das Konzept, das bisherige Ansätze zur Erklärung des Materialverhaltens buchstäblich auf den Kopf stellt. „Nicht die gröbste Längenskala wird zuerst analysiert, sondern die feinste Struktur eines Werkstoffs auf der elektronischen Längenskala. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Mikrostruktur eines Materials ziehen. Mit deren Hilfe kann dann das makroskopische Verhalten vorhergesagt werden“, erklärte Drautz.

Möglich wird die auf grundlegenden physikalischen Ansätzen gestützte Prognose komplexer Materialeigenschaften durch die stark gestiegene Leistung moderner Supercomputer. Diese Höchstleistungsrechner seien heute in der Lage, selbst auf atomarer Ebene Strukturen vorherzusagen, die sich in der Praxis verifizieren lassen. Dafür stellt das Forschungszentrum Jülich dem Icams einen der leistungsfähigsten Großrechner seiner Art zur Verfügung. Das Bochumer Materialforschungszentrum wird vor allem die Simulations- und Modellierungsverfahren weiterentwickeln, mit denen der Rechner arbeiten kann. Diese müssen alle Grund- und Rahmenbedingungen der Werkzeugentwicklung abbilden – von der atomaren Skala bis auf die Ebene der Walzwerke und Umformpressen.

Weil Experten, die solche modernen Simulationswerkzeuge nicht nur bedienen, sondern auch weiterentwickeln können, in Deutschland rar sind, soll auch die Ausbildung des Nachwuchses gefördert werden. „Aufbauend auf der interdisziplinären Struktur von Icams werden wir einen neuartigen Master- und Promotionsstudiengang aufbauen, der nicht nur Maschinenbau mit seinem Werkstoffschwerpunkt beinhaltet, sondern auch die anderen Ingenieurbereiche, die Chemie, Physik und Mathematik einbeziehen“, sagte der Rektor der Ruhr-Universität Bochum, Prof. Elmar Weiler, und hat damit genau den Nerv der Wirtschaft getroffen. „In diese jungen Fachkräfte“, so hob Köhler bei der offiziellen Eröffnung hervor, „setzen wir große Hoffnungen um die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen zu stärken.“ SILVIA VON DER WEIDEN/Si

  • Jürgen Siebenlist

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