Dr. Heiko Andrae, Vassilena Taralova, Maxim Taralov, Johannes Spahn, Andreas Fink, Tobias Hofmann, Dr. Zahra Lakdawala, Dr. Konrad Steiner, Katherine

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1 Dr. Heiko Adrae, Vassilea Taralova, Maxim Taralov, Johaes Spah, Adreas Fik, Tobias Hofma, Dr. Zahra Lakdawala, Dr. Korad Steier, Katherie Leoard, Dr. Aivars Zemitis, Christie Roth, Torbe Prill, Sebastia Osterroth, Iga Shklyar, Dr. Matthias Kabel, Ikea Ireka, Dr. Stefa Rief, David Neusius, Dr. Jais Sliseris, Prof. Dr. Oleg Iliev, 3 0 Niedziela, Ruturaj Deshpade, Dimitar Iliev, Dr. Sebastia Rau, Dr. Dariusz Dr. Joche Zausch, Rolf Westerteiger, Sve Lide

2 Strömugs- ud Materialsimulatio Mikrostruktursimulatio ud virtuelles materialdesig Struktur-Eigeschaftsbewertug ud Auslegug vo poröse Materialie ud Verbudwerkstoffe mit der Software GeoDict Hydrodyamik ud CFD Numerische Strömugssimulatio isbesodere i ud mit poröse Medie mit Multiskalemethode mithilfe der Filterelemetsimulatios-Toolbox FiltEST Komplexe Fluide Strömugssimulatio rheologisch komplexer Fluide zur Auslegug prozesstechischer Apparate uter der Softwareplattform CoRheoS festkörpermechaik Multiskalesimulatio zur Vorhersage der Deformatio, Steifigkeit ud Festigkeit sowie des Kompressios- ud Ausdehugsverhaltes vo Verbudwerkstoffe mit der Software FeelMath 31

3 D r. K o rad S te i er Abteilugsleiter Die Abteilug beschäftigt sich mit der Multiskalemodellierug ud Etwicklug effizieter ud robuster Simulatiosmethode ud Softwaretools für ei i die Produktetwicklug oder Prozessauslegug itegriertes virtuelles Materialdesig. Die Modellierug ud Simulatio der Herstellugsprozesse (Mische, Dispergiere, Eispritze, Auffiltriere, Beschichte) der komplexe Verbud- bzw. Hybridmaterialie wird dabei zusätzlich i de virtuelle Auslegugsprozess mit eibezoge. Die simulatiostechische Beherrschug der wechselseitige Beeiflussug vo Fertigugsverfahre ud -restriktioe mit de lokale Materialeigeschafte bei dyamische Beaspruchuge kompletter Bauteile ist für viele Awedugsbeispiele die typische Herausforderug. Aktuelle Kudeafrage betreffe die Herstellug ud Fuktioalisierug vo Filtermaterialie ud techische Filtersysteme, vo Batterie- bzw. Brestoffzelle oder vo faser- ud partikelverstärkte Leichtbauteile. Die Alleistellug der Abteilug ist gekezeichet durch die Etwicklug, Bereitstellug ud spezifische Awedug vo idustriell taugliche Multiskale- ud Multiphysics-Methode ud firmespezifische Softwarelösuge. Das Jahr 2013 war für die Abteilug ach große persoelle Umbrüche ei Neubegi mit viele Risike. Erfreulicherweise kote die otwedige Veräderuge ud der Aufbau vo stabile lagfristige Kude- ud Kooperatiosbeziehuge deutlich scheller als erwartet realisiert werde. Somit kote das Jahr sowohl bezüglich der Idustriequote als auch bezüglich des positive Ergebisses erfolgreicher abgeschlosse werde als je zuvor. Auch die Perspektive für die kommede Jahre sid aufgrud eies hohe Auftragsbestades ud lagfristiger Projektvorhabe sehr gut. Der Umbruch wurde auch geutzt, um zu ausgewählte Parter komplemetäre wisseschaftliche ud wirtschaftliche Kooperatioe auf- bzw. auszubaue. Beispielhaft geat seie hier die ege Zusammearbeit i Ausbildug ud Forschug mit dem Lehrstuhl für Techische Mechaik a der TU Kaiserslauter, die Mitarbeit im Simulatiosbereich vo Hybridverbude beim Exzellezcluster MERGE der TU Chemitz, die Kooperatio mit dem Helmholtz-Istitut i Ulm zur Modellierug ud Simulatio vo Batterie wie atürlich auch die fruchtbare Arbeitsteilug mit user Ausgrüdug Math2Market zur Vermarktug ud Weiteretwicklug der Software GeoDict als virtuelles Materiallabor. Die lagjährige iteratioale Kotakte isbesodere über die mitgegrüdete Iterpore Society ud ege Forschugskooperatioe mit dem Fachbereich Mathematik der TU Kaiserslauter wurde u. a. durch persoelle Austausch itesiviert. 32

4 1 2 3 Deformatio vo Filtermedie ud Fluid-Poröse-Struktur-Iteraktio (FPSI) Die bisherige Forschug ud Etwicklug im Bereich der Modellierug ud Simulatio vo Filt- 1 Vergleich eier uver- ratiosprozesse habe gezeigt, dass der Eisatz vo spezialisierter CFD-Software die Etwick- formte (liks) ud kom- lugsphase bei der Auslegug vo Filter erheblich verkürzt. I der Vergageheit kote die primierte (rechts) poröse Hersteller ud Etwickler vo Filterelemete bzw. -materialie bei der rechergestützte Aus- Mikrostruktur ud der zu- legug das Filtermedium als»starre«struktur behadel. I immer mehr Awedugsfälle gehörige Strömugsfelder muss jedoch die Verformbarkeit des Filtermaterials berücksichtigt werde. Grüde hierfür sid (Stromliievisualisierug) u. a. eue Eisatzbereiche für bestehede Filterbauteile bzw. -medie, stark veräderte oder dyamischere Betriebsbediguge (höhere Volumeströme oder Drücke, Verwedug aderer 2 Fluid-Poröse-Struktur- Fluide), große Auswirkuge vo relativ kleie Verformuge, vor allem bei gefaltete Filter- Iteraktio: simulierte medie sowie Iovatioe bei de Filtermedie bzw. dere Herstellug. Dies stellt icht ur Strömugsgeschwidigkeit die Etwicklugsigeieure vor eue Herausforderuge; auch für die mathematische Model- für ei ursprüglich flaches lierug ud umerische Simulatio dieser Effekte ergebe sich eue, aspruchsvolle Aufgabe- Filtermedium, das sich stelluge, de die mathematische Beschreibug dieser sogeate poroelastische Phäo- durch die Druckverteilug mee uterscheidet sich stark, je achdem ob ma das Filtermedium als Mikrostruktur oder als verformt hat Kotiuum auf der Größeskala des Filterelemets behadelt. 3 Vergleich der im ExperiAuf der Mikroskala müsse die elastische Eigeschafte des Fasermaterials i geeigeter Weise met beobachtete Verfor- bei der Berechug der Verformug des Filtermediums (d. h. eischließlich der Poreräume) uter mug eier Filtermedie- Belastug verwedet werde. Dies ist mit der Software FeelMath geluge: Für eie gegebee probe im Strömugskaal poröse Mikrostruktur mit bekate Elastizitätsparameter des Fasermaterials köe für ver- (obe) mit der umerische schiedee Lastfälle die zugehörige Verformuge, Spauge ud effektive Elastizitätseige- Simulatio (Experimet: schafte des poröse Materials berechet werde. Durch Verwedug vo GeoDict-Strömugs- LFMA, Lyo) löser lässt sich im Aschluss die zugehörige Permeabilität bestimme. Das Verstädis dieser Zusammehäge ist vo besoderer Bedeutug auf der makroskopische Ebee, we ma a der Iteraktio des homogeisierte Filtermediums mit dem durchströmede Fluid iteressiert ist. Die Druckverteilug verursacht eie Verformug des poröse Mediums, die geäderte Form wiederum beeiflusst das Strömugsfeld usw. Die mathematische Modellierug, algorithmische Behadlug ud experimetelle Utersuchug dieser Fluid-Poröse- Struktur- Iteraktio (FPSI) ist Gegestad des deutsch-frazösische Carot-Frauhofer-Projekts»FPSI_Filt«. I Aalogie zur Festkörpermechaik lasse sich poroelastische Platte- ud Schalemodelle etwickel, so dass die Dimesio des Elastizitätsproblems verrigert wird. Durch die Kopplug vo Strömugs- ud Elastizitätsberechug ka die FPSI umerisch simuliert werde. Vergleiche mit etsprechede Messuge zeige, dass diese Vorgehesweise sehr erfolgverspreched ist. Weitere Etwickluge ud Validieruge erfolge i eger Kooperatio mit der Idustrie. 33

5 1 2 3 Eigespauge i Alumiium-Silizium-Gusslegieruge 1 Alumiium-Misch Al-Legieruge besitze gegeüber reiem Alumiium eie höhere Festigkeit. Deshalb werde kristalle i eier Alumii- Al-Legieruge i viele Bereiche des Leichtbaus eigesetzt. Im hier vorgestellte Projekt wer- um-silizium-legierug de Al-Si-Gusslegieruge utersucht, die beispielsweise für Zyliderköpfe ud Kurbelgehäuse verwedet werde. Da Alumiium ud Silizium uterschiedliche thermische Ausdehugskoef- 2 Eigespauge 2. Art fiziete besitze, etwickel sich ach dem Erstarre der Schmelze währed der Abkühlug i eiem Volumeelemet ebe de gewöhliche makroskopische Eigespauge zusätzliche Eigespauge auf der Legierug (rot: hohe mikroskopischem Niveau, sogeate Eigespauge 2. Art. Diese Eigespauge, die Spauge, blau: kleie bisher icht messbar ware, stelle hohe Materialbeaspruchuge auf mikroskopisch kleie Spauge Bereiche dar ud spiele deshalb eie große Rolle für die Rissbildug i Gussteile. Gemeisam mit Parter des Lehrstuhls für Umformtechik ud Gießereiwese (utg) ud der For- 3 Dehuge durch die schugs-neutroequelle Heiz Maier-Leibitz (FRM II) der TU Müche, der BMW AG ud Eigespauge 2. Art der RWP GmbH sowie de Kollege des Frauhofer IIS (EZRT) wurde die Eigespauge 2. (rot: große Dehuge, Art mittels Neutroediffraktometrie i de eizele Phase des Al-Si-Gefüges getret ge- blau: kleie Dehuge) messe ud erstmals direkt i der am ITWM etwickelte Mikrostruktursimulatio berücksichtigt, um die mechaische Eigeschafte, wie z. B. die Steifigkeit, das plastische Fließe ud die Festigkeit, viel präziser als bisher vorherzusage. Diese Ergebisse köe weiter beutzt werde, um die Betriebsfestigkeit der Bauteile zu bereche. Bei der Erstarrug der Al-Si-Schmelze bilde sich zuerst Al-Mischkristalle, die eie dedritische Struktur besitze. Abb. 1 zeigt ei Beispiel eier derartige dedritische Struktur, die aus eier am Sychrotro i Greoble aufgeomme Computertomographie rekostruiert wurde. Mit sikeder Temperatur wird die Löslichkeit des Siliziums i der Schmelze rasch kleier, so dass sich daach wizige plättche- oder adelförmige Si-Kristalle ierhalb eier sogeate eutektische Phase bilde. Mittels Neutroediffraktometrie wurde sehr hohe Druckspauge i diese kleie Si-Kristalle gemesse. Die am ITWM etwickelte Software FeelMath erlaubt es, mithilfe dieser Messwerte die Eigespauge (Abb. 2) ud die damit verbudee elastische Eigedehuge (Abb. 3) im gesamte Gefüge zu bestimme ud beliebige Lastfälle zu simuliere. Im hier gezeigte Beispiel trete hohe Eigespauge 2. Art i der eutektische Phase auf, so dass es uter hireiched hohe mechaische Belastuge zu Mikrorisse ud Schädigugseffekte komme wird. Damit kote eie Ursache vo experimetelle Beobachtuge aufgeklärt werde. Ziel des Projekts ist jedoch icht ur das tiefere Verstädis der Gefügeeigeschafte, soder eie gezielte Bewertug der Sesitivität der Prozessparameter, wie z. B. Abkühlrate ud Legierugszusammesetzug, auf die Festigkeit der Al-Legieruge. 34

6 KRONOS Auslegug vo Rührwerkskugelmühle durch icht-ewtosche Mehrphasesimulatio Mühle spiele i Verarbeitugsprozesse graularer Materialie eie etscheidede Rolle. Die 1 KRONOS-Rührwerks hohe wirtschaftliche Relevaz dieser Prozesse i der verarbeitede Idustrie allei ca. 60 % kugel mühle der Produkte der chemische Idustrie sid Graulate, weitere 20 % ethalte pulverförmige Bestadteile bedeutet, dass sogar gerige Effiziezsteigeruge große Eifluss z. B. auf de 2 Die Mühle wird vollstä- Gesamteergieverbrauch dieser Prozesse habe. dig i Ort ud Zeit aufgelöst simuliert, sodass das Nach mehrere Jahre Forschugsarbeit auf dem Gebiet der Simulatio graularer Medie, Strömugsverhalte aller auch am Frauhofer ITWM, sid die eiphasige graulare Strömugsprozesse oder solche, Phase i der gesamte die vereifacht als eiphasig betrachtet werde köe simulativ beherrschbar. Die ächste Mühle sowie lokal um das Herausforderug ist u die Simulatio mehrphasiger Strömuge mit zumidest eier grau- Rührwerk evaluiert werde lare oder pulvrige Phase. Uter diese stellt die Simulatio der Strömug i Rührwerkskugel- ka. mühle eie besodere Herausforderug dar. Hier verbide sich mehrere aktuelle Forschugsgebiete der Berechug komplexer Strömuge ierhalb eier Simulatio: Zweiphasige 3 Die Pfeile zeige die Suspesiosströmug vo Pulver ud Wasser, modelliert als icht-ewtosches Fluid, eie drit- Strömug der TiO2-Suspe- te Phase der als graular modellierte Kugel, schell bewegte Bauteile sowie eie vierte Phase sio, währed der Falsch- der umschließede Luft. farbeplot die Graulatdichte zeigt. Die damit auftretede Modellierugs- ud umerische Schwierigkeite sid immes. Die Iteraktio vo vier räumlich ud zeitlich voll aufgelöste Phase muss sowohl utereiader als auch mit de sich schell bewegede Bauteile modelliert werde. De daraus resultierede phaseabhägige Aforderuge a die umerische Verfahre wurde mittels eier erweiterte Zeitschrittsteuerug begeget. Erstmals wurde hier die Module FLUID, also mehrphasige, icht-ewtosche Modellierug zusamme mit eier dritte ewtoische Phase ud GRAIN für die Simulatio der Rührkugel i eier solch komplexe Fragestellug kombiiert. I Zusammearbeit mit dem Projektparter wurde die daraus resultierede Simulatiosergebisse erfolgreich mit vorhadee Messuge abgegliche. Die resultierede Strömugsfelder für Suspesio, Luft sowie die Rührwerkskugel gebe detailliert Auskuft über die Dichteverteilug, Geschwidigkeitsfelder, Druckverteiluge sowie Scherkräfte ud Eergiezustad der ivolvierte Phase. Dies ermöglicht die virtuelle Performaceaalyse sowie Auslegug der Mühle bezüglich lokaler ud globaler Kräfte, Spauge ud Eergieverluste. Weiterhi lasse sich über lokale Scherkräfte Rückschlüsse zum zu erwarte- Projektparter: de Abutzugsverhalte ziehe ud damit die Performace der Mühle, also ihr Eergieverbrauch bei gleichbleibeder Mahlleistug, optimiere. 35