Forschungsgruppe "Computational Mechanics and Digital Materials"

Die konsequente Umsetzung nachhaltiger Designprinzipien sowie die Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz führen zu immer komplexeren Maschinen und Systemkomponenten, die gleichzeitig höheren Belastungen ausgesetzt sind. Traditionelle Trial-and-Error-Methoden zur Gestaltung von Fertigungsprozessen und zur Prototypenprüfung erweisen sich dabei als zeitaufwendig und kostspielig. Durch den Einsatz von fortschrittlichen Simulationstechniken und Digitalisierung lassen sich Fertigungsprozesse optimieren und Betriebslasten an virtuellen Prototypen analysieren.

Die Forschungsgruppe "Computational Mechanics and Digital Materials" entwickelt und verknüpft fortschrittliche Simulationstechniken und digitale Werkzeuge zur präzisen Abbildung von Werkstoffen und Prozessen für die Produktentwicklung. Unsere multiphysikalischen Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) – einschließlich Mechanik, Thermodynamik, chemischer Prozesse und Elektromagnetik – ermöglichen tiefgehende Einblicke in das Werkstoff- und Bauteilverhalten. Diese Modelle erfassen komplexe Wechselwirkungen wie Werkstoffnichtlinearitäten, Schädigungsmechanismen und gekoppelte Mehrfeld-Effekte, die für die Entwicklung robuster und effizienter Komponenten essenziell sind. Zur weiteren Verbesserung der Simulationen integrieren wir Künstliche Intelligenz (KI) und ein ontologiegestütztes Wissensmanagement, das Simulationsdaten mit realen Messwerten verknüpft. Dadurch entsteht eine konsistente und wiederverwendbare Datenbasis für eine Vielzahl ingenieurwissenschaftlicher Anwendungen. Dies ermöglicht automatisierte Workflows, in denen beispielsweise Optimierungsverfahren Simulationsparameter selbstständig anpassen. Durch die synergetische Verbindung von multiphysikalischen Simulationen, KI und Digitalisierung treiben wir eine werkstofforientierte, nachhaltige Produktentwicklung voran – schneller, kosteneffizienter und mit höherer Präzision.

Folgende laufenden Projekte werden von Professor Seifert in der Forschungruppe betreut:

Herstellung, Programmierung und Aktuierung von gradierten gedruckten magnetresponsiven Smart Materials (→ DFG-Projekt, gemeinsam mit Professor Dr. Stefan Junk aus der Forschungsgruppe 4D-Printing)

Projektlaufzeit: 1.11.2025 bis 31.10.2028

Soft Robots eröffnen neue Möglichkeiten für industrielle und medizinische Anwendungen, insbesondere dort, wo eine sichere Interaktion mit Menschen oder der Umgang mit empfindlichen Objekten gefragt ist. Durch den Einsatz weicher Smart Materials, die auf äußere Reize wie Magnetfelder reagieren, können Soft Robots ihre Bewegungen ohne externe Energieversorgung ausführen und gezielt ferngesteuert werden. Im Fokus des Projekts stehen magnetresponsive Elastomere (MRE), die sich durch Magnetfelder programmieren und anschließend kontrolliert aktuierten lassen. Mithilfe des 4D-Printings (3D-Druck mit zeitlicher Funktionsänderung) können komplexe, bionisch inspirierte Strukturen hergestellt werden, bei denen Geometrie, Materialeigenschaften und externer Stimulus gezielt zusammenspielen. Durch lokal variierende Füllgrade magnetischer Partikel lassen sich die mechanischen und magnetischen Eigenschaften der gedruckten Bauteile gezielt einstellen. Ziel des Projekts ist es, die bislang wenig verstandenen Mechanismen der Programmierung, Aktuierung und Reversibilität von MRE im Multi-Material-Pellet-4D-Printing zu untersuchen. Auf dieser Basis sollen reproduzierbare und reversible Aktuierungsstrategien erarbeitet und erprobt werden, die den Weg für funktional gradierte, gedruckte Komponenten zukünftiger Soft Robots ebnen.

Resorbierbare Molybdän-Implantate für die patientenindividuelle kraniomaxillofaziale Therapie (MOLY-IMPACT) - Simulation (→ CZS-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.1.2025 bis 31.12.2027

Molybdän ist ein vielversprechender Werkstoff zur Behandlung von Knochensubstanzverlust. Es vereint hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit mit ausgezeichneter Biokompatibilität, ohne kritische Gewebereaktionen hervorzurufen, und wird schrittweise vom Körper resorbiert. Im Projekt MOLY-IMPACT steht daher die Entwicklung resorbierbarer maxillofazialer Implantate aus Molybdän im Fokus. Dazu werden die Wechselwirkungen zwischen Implantatoberflächen und dem menschlichen Organismus in knöcherner Umgebung untersucht. Auf Basis dieser Erkenntnisse entstehen gedruckte, resorbierbare Scaffoldstrukturen mit biomimetischer Innenstruktur, die der natürlichen Knochenarchitektur nachempfunden sind. Für den sicheren Einsatz der Scaffolds ist ein präzises Verständnis der lokalen Belastungen und des Resorptionsverhaltens entscheidend. Daher ist es ein Ziel des Projekts, eine vorhersagefähige Simulationsmethodik zu entwickeln, die die Wechselwirkung zwischen mechanischer Belastung und Resorption erfasst. Hierzu wird die Phasenfeld-Methode mit der Finite-Elemente-Methode kombiniert, um die fortschreitende Oberflächenresorption im Simulationsmodell realistisch abzubilden. Basierend auf experimentellen Daten wird die Reaktionskinetik von Molybdän in die Simulation integriert und das mechanische Verhalten modelliert. Die entwickelte Simulationsmethodik soll künftig die computergestützte Auslegung patientenindividueller, resorbierbarer Implantate aus Molybdän ermöglichen.

Digitale Werkzeuge zur Verbesserung galvanischer Schichten am Beispiel Chrom(III)-basierter Prozesse (DigiChrom) - Simulationsbasierte Schichtcharakterisierung (→ BMBF-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.12.2023 bis 30.11.2026

In der technischen Anwendung werden für die Optimierung eines galvanischen Schichtsystems meist experimentelle trial and error Ansätze verfolgt. Galvanische Schichten weisen allerdings komplexe Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen auf, deren experimentelle Untersuchung sehr aufwändig ist und nur begrenzt Informationen liefert. Über Simulationen können experimentell nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zugängliche Informationen zum Werkstoffverhalten gewonnen werden, wie beispielsweise lokale Spannungs- und Dehnungsverteilungen in inhomogenen Mikrostrukturen und Grenzflächenspannungen, die für die Optimierung von Schichtsystemen relevant sind. Daher bietet die Kombination von Experimenten und Simulationen und die Anwendung von digitalen Methoden wie Maschinellem Lernen und Ontologien die Möglichkeit Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen systematisch zu untersuchen, explizit aufzuzeigen und aus bestehenden Zusammenhängen neue zu erschließen. In diesem Vorhaben zur simulationsbasierten Schichtcharakterisierung, das Teil eines Verbundvorhabens im Rahmen von → MaterialDigital ist, ist es daher das Ziel den für die Optimierung von galvanischen Schichtsystemen im Verbundvorhaben erzeugten Werkstoffdatenraum um relevante Simulationsdaten zu ergänzen. Hierfür werden die in anderen Teilvorhaben gewonnenen experimentellen Daten zu Hartchrom- und Dispersionsschichten genutzt um Daten zu den makroskopischen und mikroskopischen mechanischen Eigenschaften der Schichten, die in Experimenten nicht zugänglich sind, aus Finite-Elemente Simulationen zu ermitteln. Das Vorhaben ermöglicht so eine Verknüpfung von experimentellen und simulierten Daten mit den digitalen Methoden. Durch diese Verknüpfung kann der Mehrwert eines erweiterten Werkstoffdatenraums für die Optimierung der Schichtsystem aufgezeigt werden.

Skalenübergreifende mikrostrukturabhängige Bewertung der interkristallinen Rissbildung bei Hochtemperaturermüdung mit Haltezeiten von polykristallinen Superlegierungen (→ DFG-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.7.2023 bis 30.6.2026

Der zuverlässige Betrieb von Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen, die heute unter stark variierenden Betriebsbedingungen eingesetzt werden, erfordert Superlegierungen, die eine hohe Ermüdungs- und Kriechfestigkeit mit einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit verbinden. Bei steigenden Belastungen kann jedoch eine "dynamische Versprödung (dynamic embrittlement, DE)" bei Superlegierungen eintreten, wobei die Grenzflächenkohäsion durch spannungsunterstützte Diffusion eines versprödenden Elements in die Korngrenze verringert wird. DE von polykristallinen Superlegierungen hängt stark von der Mikrostruktur des Werkstoffs ab, insbesondere vom Korngrenztyp, der die Diffusionsraten und damit die lokale Konzentration des versprödenden Elements in der Korngrenze bestimmt. Allerdings sind die Zusammenhänge von Mikrostruktur und DE bis heute nicht gut verstanden. Daher ist es das Ziel dieses Vorhabens einen mikrostrukturabhängigen Modellierungsansatz für diffusionskontrolliertes interkristallines Ermüdungsrisswachstum bei erhöhter Temperatur aufgrund von DE zu entwickeln. Dieser Modellierungsansatz kombiniert mikrostrukturbasierte Finite-Elemente-Modelle mit einer Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der spannungsunterstützten Grenzflächendiffusion und ab-initio-Berechnungen in Bezug auf die Eigenschaften der Korngrenzen. Die mikrostrukturbasierte Finite-Elemente Simulation erfolgt dabei an der Hochschule Offenburg und die ab-initio Berechnungen werden am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM durchgeführt. Die RWTH Aachen University bringt skalenübergreifende experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung und Validierung des Modellierungsansatzes in das Vorhaben ein. Über den Modellierungsansatz soll es zukünftig möglich sein computergestützt die Mikrostruktur von polykristallinen Superlegierungen zu optimieren.

Experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Einfluss von Wasserstoff und Mikrostruktur auf das Ermüdungsverhalten von Duplex-Stählen (→ DFG-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.1.2023 bis 30.6.2026

Im Kontext der Energiewende werden Duplex-Stähle zunehmend im Bereich der Offshore-Technik eingesetzt, wo sie durch kathodische Polarisation dem Einfluss von Wasserstoff ausgesetzt sind. Dies kann bei Duplex-Stählen zur Rissbildung infolge von Wasserstoffversprödung führen. Aufgrund der unterschiedlichen elastisch-plastischen Eigenschaften beider Phasen kommt es zu inneren Spannungen an den Phasengrenzen, welche die Wasserstoffdiffusion beeinflussen. Es ist davon auszugehen, dass die transiente inhomogene Spannungsverteilung bei zyklischer Belastung die Wasserstoffdiffusion im zweiphasigen Duplex Gefüge beeinflusst und zu einer von der Zykluszeit sowie der globalen und lokalen Wasserstoffkonzentration abhängigen Ermüdungsschädigungsentwicklung führt. Daher ist es das Ziel dieses Vorhabens ein Verständnis des Zusammenwirkens von Werkstoff und Belastungsgeschichte auf die Wasserstoffversprödung von Duplex-Stählen zu gewinnen. Die notwendigen experimentelle Untersuchungen werden an der RWTH Aachen University durchgeführt, während an der Hochschule Offenburg mikrostruktursensitive Simulationsmodelle zur Aufklärung von Wirkzusammenhängen zwischen Mechanik und Diffusion entwickelt werden. Mit dem Verständnis über das Zusammenwirken lassen sich Materialeigenschaften gezielt durch die Optimierung der zweiphasigen Mikrostruktur an die Anwendungsbedingungen anpassen und Lebensdauererhöhungen der Bauteile erreichen.

Folgende Projekte wurden bereits abgeschlossen:

Lebensdauerbewertung von ferritisch-martensitischen Stählen für Kraftwerke, Wärmespeicher und thermische Solaranlagen unter Berücksichtigung von Kriech-Ermüdungsverformungsinteraktion und Streubandlage (AiF-Projekt), Projektlaufzeit: 1.9.2021 bis 28.2.2024

Entwicklung einer Methodik zur Bewertung  der Ermüdungslebensdauer von hoch belasteten Warmumformwerkzeugen auf Basis fortschrittlicher Werkstoffmodelle (→ DFG-Projekt), Projektlaufzeit: 1.1.2015 bis 18.2.2017 und 1.6.2019 bis 30.6.2023

Einfluss der zyklischen thermischen und mechanischen Belastungsgeschichte auf das Rissschließen, das Risswachstum und die Lebensdauer von Nickelbasis-Gusslegierungen (→ DFG-Projekt), Projektlaufzeit: 1.10.2018 bis 30.6.2022

Simulation des thermomechanischen Ermüdungsrisswachstums in hoch beanspruchten Komponenten von effizienten Verbrennungsmotoren (TMF-CraX) (→ BMBF-Projekt), Projektlaufzeit: 1.9.2018 bis 30.4.2022

Bauteilversuche zur Validierung von Berechnungsmethoden zur Lebensdauervorhersage von Aluminiumgussbauteilen unter überlagerter thermomechanischer und hochfrequenter Last (FVV-Projekt), Projektlaufzeit: 1.10.2020 bis 31.3.2022

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verfestigung in Ein- und Polykristallen bei zyklischer Belastung (Bauschinger Effekt) (→ DFG-Projekt), Projektlaufzeit: 1.9.2018 bis 31.12.2021

Modellbasierte Gesundheitsdiagnostik von Lithium-Ionen-Batterien (LIBlife) (Land Baden-Württemberg), Projektlaufzeit: 1.11.2018 bis 30.6.2021

HERCULES-2, Fuel flexible, near-zero emissions, adaptive performance marine engine (→ EU-Projekt), Projektlaufzeit: 1.1.2017 bis 28.2.2018

Entwicklung von Werkstoffmodellen und Bestimmung von Werkstoffkennwerten zur rechnerischen Lebensdauerbewertung von Brennkammern (Industrieprojekt), Projektlaufzeit: 1.10.2016 bis 31.03.2019

Rechnerische Bewertung der Bauteillebensdauer von Aluminiumgusskomponenten unter kombinierter thermomechanischer und hochfrequenter Belastung (→ AiF-Projekt), Projektlaufzeit: 1.1.2016 bis 31.12.2018

Einfluss der thermomechanischen Belastungsgeschichte auf mechanische Werkstoffeigenschaften (→ ESA-Projekt), Projektlaufzeit: 1.11.2014 bis 31.12.2016

Methodische Entwicklung von probabilistischen Werkstoffmodellen zur Lebensdauervorhersage von Turbinenkomponenten (Industrieprojekt), Projektlaufzeit: 1.9.2012 bis 31.8.2015

Mikrostrukturbasierte Modellierung von Gusseisen mit lamellarer Graphitausbildung bei Wechselplastizität (→ DFG-Projekt), Projektlaufzeit: 1.9.2011 bis 31.8.2015

Optimierung der numerischen Verformungs- und Schädigungsberechnung zur Lebensdauerbestimmung bei Kriechermüdungsbeanspruchung (→ DFG-Projekt), Projektlaufzeit: 1.1.2010 bis 31.3.2013