Institut für Digitale Materialforschung

Die bisherigen und aktuellen Forschungsaktivitäten des Instituts für Digitale Materialforschung (IDM) der HKA stützen sich auf eine kontinuierliche, sich dynamisch entwickelnde und über mehr als 25-Jahre fortgeführte Forschungsleistung der Institutsleiterin Frau Prof. Dr. Britta Nestler und ihres Teams aus wissenschaftlichen Mitarbeiter::innen und studentischen Hilfskräften. In Drittmittelprojekten werden für vielseitige Materialien und Materialverbünde unter verschiedenen Prozessbedingungen neue Materialmodelle zur Beschreibung mikrostruktureller Vorgänge entwickelt und in die institutseigene, hoch-performante Expertensimulationssoftware Pace3D implementiert. Durch eine intensive Veröffentlichungstätigkeit der neuen multiphysikalischen Modellierungs- und Simulationsmethoden und eine durchgängige Integration der Neuentwicklungen in das Framework Pace3D gelingt eine nachhaltige Nutzung der Forschungsergebnisse. 

Die Forschungsaktivitäten am IDM leisten einen wichtigen Beitrag zum Forschungsschwerpunkt: Ressourcen und Klima, der in der Profilbildung und Forschungsstrategie der HKA verankert ist. Durch computergestützte Materialforschung und fortschrittliche Datenanalyse werden innovative nachhaltige Werkstoffe schneller entwickelt und Produktionsprozesse ressourcenschonender gestaltet. Neben dem makroskopischen Prozess fließen auch der strukturelle Aufbau und die Werkstoffeigenschaften in die Optimierung ein. Simulationsmethoden helfen, den Materialverbrauch zu senken und leistungsfähigere, beständigere Werkstoffkomposite zu entwickeln.

In den letzten fünf Jahren hat das IDM seine Expertise in Bereich der Datenanalyse, des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenzmethoden zur Materialentwicklung und Prozessoptimierung erweitert. Damit unterstützt das IDM einen weiteren Forschungsschwerpunkt: Intelligente Systeme im Forschungsprofil der HKA. Die entwickelten Methoden basieren auf der Phasenfeldmodellierung zur Beschreibung von Phasenumwandlungen und Mikrostrukturänderungen in mehrkomponentigen Materialien, unter dem Einfluss von Stoff- und Wärmetransfer, Strömungsvorgängen sowie der Wechselwirkung des Gefüges mit mechanischen, elektrochemischen und magnetischen Kräften. Die entwickelten Materialmodelle werden erfolgreich zur Materialsimulation metallischer Legierungen, Glasbildner, keramischer und polymerbasierter Werkstoffe, geologischer sowie biomimetischer Systeme eingesetzt. Das am IDM in C/C++ entwickelte Softwarepaket Pace3D ermöglicht großskalige parallele 3D-Simulationen der Mikrostrukturausbildung in Materialien unter Einbindung multiphysikalischer Felder unter speicher- und rechenzeitoptimierter Nutzung von Hochleistungsrechnern. Abhängig von der Anwendung können Module der Software geeignet komponiert und die Simulationsergebnisse mit einem umfangreichen Kompendium an Datenanalysealgorithmen ausgewertet werden. In einem kontinuierlichen Erweiterungsprozess wurden flexible Lizenzmodelle zur Nutzung des Softwarepakets bereitgestellt und Strukturen für den Support von Anwendern geschaffen. Als Hardware-Ausstattung kann das IDM für Simulationsrechnungen exklusiv auf einen institutseigenen Hochleistungsrechner mit Rechenressourcen von insgesamt 115 Knoten mit 944 Opteron Cores, 80 Xeon Cores und 512 Epyc Cores zugreifen.

Hochporöse Membranstrukturen aus Cellulosenitrat stellen den Hauptbestandteil medizinischer Diagnostiktests dar. In dem BMBF-Projekt MultiPore mit begleitender Industrieförderung LateralFlow wird in Zusammenarbeit mit der Sartorius GmbH die Flüssigkeitspropagation und Adsorption in Diagnostikmembranen von Lateral Flow Tests mit neuen Modellierungs- und Simulationsmethoden untersucht und optimiert. In dem BMBF-Projekt BioSorb - Computergestütztes Design von Strömungs- und Adsorptionsvorgängen in Bioreaktoren wird ein Lösungsverfahren für die Auslegung und Entwicklung von in situ-Bioreaktoren für den Einsatz in Grundwassersanierungsanlagen entwickelt. Die Simulationsmodelle sagen die Adsorption endokriner Disruptoren vorher. Das Zentrum für Angewandte Forschung InSeL - Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau ist ein vom MWK und ERFE geförderter Forschungsverbund der HS Pforzheim, der HKA und des KIT. Für funktionsoptimierte Anwendungen mit anisotropem Lastverhalten werden offenporige Metallschäume für neuartige zelluläre Leichtbauwerkstoffe und -komposite mit hoher Eigensteifigkeit entwickelt.

Im BMBF-Projekt WirLebenSOFC - Verständnis der Wirkzusammenhänge der Alterungsmechanismen zur Lebensdauervorhersage von SOFCs werden Degradationsmechanismen von Festoxidbrennstoffzell-Systemen zur Rückverstromung von klimaneutral erzeugtem „grünen“ Wasserstoff im Betrieb mit H₂ bzw. H₂-angereichertem Brenngas untersucht und Modelle für deren Lebensdauervorhersage entwickelt. Das BMWi Projekt ProStroM - Produktions- und Strukturoptimiertes Metall-Strömungsfeld für Bipolarplatten: Simulative Topologieoptimierung strebt eine Topologieoptimierung gasdurchströmter Brennstoffzellsystemen durch die exakte Vorbereitung von Geometrie-, Material- und Prozessführungsdaten und gekoppelte Simulation der O₂-Diffusion und Strömungsvorgänge an. Ziel des DFG-Projekts NanoBain - Mechanismen-basiertes Mikrostrukturdesign von kohlenstoffarmen Giga-NANOBAIN-Stählen ist es, die Prozessierungsschritte der Wärmebehandlung durch die Modellierung chemo-thermo-mechanischer mikrostruktureller Umwandlungsprozesse und durch Vorhersage der resultierenden Morphologie und effektiven mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Das BMBF-Projekt ElChFest - Elektro-chemo-mechanische Modellierung von Ceroxid-basierten Festoxidelektrolysezellen fokussiert auf die modellgestützte Optimierung ceroxid-basierter Elektrolysezellen. Über eine 3D elektro-chemo-mechanische Modellierung sollen die Zusammenhänge zwischen der chemischen Dehnung des Ceroxids im Schichtverbund der Zelle, den Betriebsparametern und einer resultierenden Rissbildung im Elektrolyten vorhersagbar werden.