Arbeitsgruppe Nestler - Inst. für Angew. Mater. - Mikrostrukturmodellierung und Simulation (IAM-MMS)

Das IAM-Institut Mikrostrukturmodellierung und Simulation IAM-MMS verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung neuer Materialmodelle und massiv paralleler Simulationssoftware zur Beschreibung der Mikrostrukturausbildung in mehrkomponentigen und mehrphasigen Materialsystemen. Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt in der Entwicklung der Phasenfeldmodellierung zur Simulation von Gefügeumwandlungen unter Berücksichtigung multiphysikalischer und multiskaliger Einflüsse. Die kombinierten Modellierungsmethoden beschreiben Phasenübergänge, Stoff- und Wärmediffusion, Transportvorgänge in zellularen, porösen und partikulären Systemen, Strömungsvorgänge und elasto-plastische Spannungsentwicklungen. Die Simulationssoftware wird erfolgreich zur Gefügesimulation in zahlreichen Materialien wie metallischen Legierungen, keramischen Werkstoffen, geologischen, biomimetischen Systeme und Hochtemperatursupraleitern eingesetzt. In Parameterstudien werden Wirkzusammenhänge zwischen charakteristischen Mikrostrukturkenngrößen und der Prozessführung analysiert. Mit der Werkstoffsimulation als Bindeglied zwischen atomistischen und makroskopischen Berechnungsverfahren verfolgen die Forschungsarbeiten die Zielsetzungen der Zukunftstechnologie "Integrated Computational Materials Engineering". Es werden effiziente Formalismen zur Integration thermodynamischer Funktionen in die Phasenfeldmodellierung umgesetzt und 3D Datenanalyseverfahren entwickelt, um simulierte und experimentelle Mikrostrukturdaten automatisiert auszuwerten. Mit den neuen Methoden lassen sich herausragende Fortschritte bei der Entwicklung von Mikrostrukturen für Materialien in Energiesystemen erreichen. Für Hochtemperaturstähle mit nanoskaligen Teilchenverteilungen können  Wirkzusammenhänge zwischen Kornstruktur und Eigenschaften erarbeitet werden, die für die Anwendung in fossilen und solarthermischen Kraftanlagen bedeutend sind. Für geothermische Anlagen wird die Effizienz hydrothermaler Prozesse in Gesteins- und Sandstrukturen berechnet. In umfangreichen 3D Simulationen werden auf Metallschaumbasis optimierte zelluläre Strukturen für die Anwendung in Wärmetauschern und Wärmespeichern in Kombination mit Phasenwechselmaterialien ausgelegt.