Werkstoffe Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
Selbst wenn es darum geht, ein großes Blech zu einem Autodach zu formen, spielen Prozesse auf der Ebene weniger Mikrometer eine Rolle.
Wie die Mikrostruktur eines Werkstoffs dessen makroskopische Eigenschaften bestimmt, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitätsallianz (UA) Ruhr. Das Team aus Bochum, Dortmund und Duisburg-Essen hat unter anderem ein Modell entwickelt, mit dem sich basierend auf der Mikrostruktur voraussagen lässt, wie sich ein Material bei Verformung verhalten wird, etwa ob es besonders biegsam ist oder ob es sich an allen Stellen gleich stark verformt. Über das Projekt berichtet das Wissenschaftsmagazin Rubin der Ruhr-Universität Bochum.
Umformprozesse sind in der Industrie Alltag. In bislang existierenden Modellen, die die Vorgänge dabei beschreiben, wird die Mikrostruktur eines Werkstoffs nicht beachtet. Solche Modelle müssen für jeden Werkstoff aufwendig mit Parametern gefüttert werden. Anders soll es mit dem neuen Modell werden, das das Team des Forschungsverbundes „Materials Chain“ in der UA Ruhr entwickelt.
Für das Projekt kooperieren Prof. Dr. Alexander Hartmaier vom Bochumer Interdisciplinary Center for Advanced Materials Simulation, Prof. Dr. Jörg Schröder vom Duisburg-Essener Institut für Mechanik der Bauwissenschaft und Prof. Dr. Dr. Erman Tekkaya vom Dortmunder Institut für Umformtechnik und Leichtbau, gefördert vom Mercator Research Center Ruhr.
Auf Mikrometerebene
Die Wissenschaftler betrachten Werkstoffe, zum Beispiel Stahl, auf der Skala weniger Millimeter. Er ist nicht gleichförmig aufgebaut, sondern setzt sich aus Körnern unterschiedlicher Größe zusammen. Diese Körner können sich außerdem in ihrer Kristallstruktur unterscheiden. Zunächst erfassen die Forscher die Mikrostruktur eines Werkstoffs experimentell und erstellen dann eine virtuelle Repräsentation davon im Computer. „Das geht mittlerweile mit einem Klick“, sagt der Bochumer Ingenieur Dr. Napat Vajragupta.
Basierend auf der virtuellen Mikrostruktur kann das Modell vorhersagen, wie sich der Werkstoff verhalten wird, wenn verschiedene Kräfte auf ihn wirken, wenn er etwa gestaucht oder auseinandergezogen wird. Beim Simulieren des Umformprozesses legen die Ingenieure besonderes Augenmerk darauf, wie sich das Material in verschiedene Raumrichtungen verformt und wo es zur Rückfederung kommt. Je nachdem von welcher Seite man auf die Kristallstruktur drückt, kann sich das Material unterschiedlich stark verbiegen.
Werkstoffe maßschneidern
Ziel ist es nun, dass das Modell auch in die andere Richtung funktioniert: Ausgehend von einer bestimmten Anwendung wollen die Ingenieure einen passenden Werkstoff maßschneidern können. Denn wenn man weiß, welche Eigenschaften das Material haben muss, kann man voraussagen, wie die Mikrostruktur dafür beschaffen sein sollte.
