Buntes aus der Wissenschaft, Forschungsprojekte

Bei der Entwicklung innovativer Materialien und Produkte werden vielfach die Eigenschaften makroskopisch homogener, aber mikroskopisch heterogener Werkstoffe (z. B. Schäume, Vliesstoffe, Keramiken) genutzt. Bisher waren aufwändige experimentelle Analysen der Materialproben unvermeidlich, um beipielsweise die Schallabsorption eines neuen Dämmstoffes oder die Durchlässigkeit von Filtermaterialien zu ermitteln.

Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern wurden verschiedene Softwaretools entwickelt, um Firmen bei der Materialauswahl und -auslegung zu unterstützen.

Eine vollständig modellgestützte Mikrostruktursimulation ermöglicht es erstmals, neue Werkstoffe ohne kostspielige und langwierige Versuchsreihen und Experimente zu entwerfen. Dazu wird zunächst ein geometrisches Modell der mikroskopischen Strukturen des Werkstoffs erstellt. Als Grundlage hierfür dienen Modelle aus der stochastischen Geometrie wie Boolesche Modelle, Faserfelder und Mosaike. Aus ihnen wird das geeignetste Modell ausgewählt und mittels der geometrischen Kenngrößen, die anhand tomographischer (3-D-) oder mikroskopischer (2-D-) Bildaufnahmen des Materials ermittelt wurden, an die Vorlage angepasst. An dem so gewonnenen Modell lassen sich mittels strömungsdynamischer Simulationen Materialparameter wie die relative Permeabilität, die Schallabsorption, die Tortuosität oder der Strömungswiderstand bestimmen. Das Programm dient aber auch zur Durchführung virtueller Experimente: ohne das Material tatsächlich erzeugen zu müssen, kann an dem entsprechend modifizierten Modell getestet werden, wie sich kleine Veränderungen der Mikrostrukturen auswirken.

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