Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Bei der Entwicklung neuer Materialien steht beim Fraunhofer-Zentrum HTL immer die geplante Anwendung beim Kunden im Mittelpunkt. Aus den geforderten Anwendungseigenschaften folgt ein spezifischer Katalog an thermischen, mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften, die beim Materialdesign erfüllt werden müssen. Die Verarbeitungsschritte auf dem Weg vom Rohmaterial zum fertigen Produkt setzen oft weitere Randbedingungen, die im computergestützten Materialdesign zu berücksichtigen sind. Für das Materialdesign wird zunächst das mit dem Kunden abgestimmte Anforderungsprofil systematisch analysiert, um die wesentlichen Entscheidungskriterien für die Auslegung des Werkstoffs herauszuarbeiten. Schwachpunkte und Stärken eventuell bestehender Werkstofflösungen für den spezifischen Anwendungszweck werden geprüft.
Sind die Voraussetzungen geklärt, werden einige grundlegende Fragen zur Werkstoffauswahl bearbeitet, z.B.:
- Gibt es kommerzielle Materialien, die mit kleinen Modifikationen geeignet wären?
- Mit welchem Material ergibt sich die optimale technische und wirtschaftliche Lösung?
- Können die Anforderungen möglicherweise am besten durch Werkstoffverbunde oder Kompositwerkstoffe erfüllt werden? (Publikation: Ceramic Matrix Composites)
Für die Werkstoffauswahl werden am Fraunhofer-Zentrum HTL Materialdatenbanken und Werkstoffindizes (Publikation: Ceramics Facing Competition) ebenso genutzt wie Thermodynamikberechnungen (Publikation: Phase Formation).
Für mehrphasige oder poröse Werkstoffe erfolgt ein spezielles Mikrostrukturdesign (Publikation: 3D Modelling of Ceramic Composites). Dafür wird zum einen eine eigens entwickelte In-House-Software für die Erzeugung realistischer Mikrostrukturen genutzt, zum anderen werden kommerziell verfügbare Finite-Elemente-Programme für die Vorhersage der makroskopischen Materialeigenschaften verwendet. Damit die Ergebnisse dieser Mikrostruktur-Eigenschafts-Simulationen hinreichend präzise sind, werden die Simulationsergebnisse experimentell kalibriert und validiert. Alle erforderlichen Untersuchungsmethoden zur quantitativen Gefügeanalyse und zur Messung der thermischen, mechanischen und elektrischen Materialeigenschaften sind vorhanden. Die Gefüge werden in den Eigenschaftssimulationen für die spezifischen Aufgaben des Kunden optimiert. Poren und Schmelzphasen werden adäquat berücksichtigt. Im Fall von faserverstärkten Werkstoffen (CMC) können realistische Faser-Verteilungen simuliert werden. Das HTL entwickelt bei Bedarf die passenden Herstellprozesse zur Einstellung optimaler Gefüge und Materialeigenschaften. Die Prozessentwicklung zum Materialdesign erfolgt effizient mit Hilfe von In-situ-Messmethoden und Computersimulation.
