Folge 17: Der RWTH-Profilbereich Materials Science & Engineering (MatSE)

Der Profilbereich MatSE und die Simulation von Umformprozessen Ab sofort und bis zum Jahresende stellen wir Ihnen hier jeden Monat einen der neuen Profilbereiche der RWTH Aachen vor. Diese stehen für eine fakultätsübergreifende interdisziplinäre Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachdisziplinen, die im Team Lösungen und Antworten zu den großen globalen Herausforderungen unserer Zeit erarbeiten. Den Anfang macht der profilbereich Material Science and Engineering, also Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, kurz Matze. Wie bei allen anderen 8 Profilbereichen der RWTH sind auch hier mehrere Fakultäten und Institute der Hochschule beteiligt, alle bringen eine jeweils eigene Expertise ein. Worin dieser im Fall des Instituts für Bildsame Formgebung besteht, welches zur Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik zählt, erklärt Professor Sebastian Münstermann, der das Institut gemeinsam mit Professor Jin Hö Lien leitet und Sprecher des Profilbereichs Matze ist. Sprecher*in 1 Wir beschäftigen uns mit der Formgebung insbesondere metallischer Werkstoffe. Sie müssen sich vorstellen, dass man viele metallische Werkstoffe gar nicht einfach nur gießt, sondern hinterher noch weiterverarbeitet. Bekannte Verfahren sind sicherlich das Schmieden, aber auch das Warmwalzen, das Kaltwalzen, das Profilwalzen mein eigener Lehrstuhl nennt sich Werkstoffmodellierung in der Umformtechnik und der Fokus, den wir in unserer Forschung legen, ist die Simulation der Werkstoffentwicklung in den Umformprozessen. Dieser Begriff Werkstoffentwicklung meint insbesondere die innere Struktur, die sogenannte Mikrostruktur. Während dieser zum Teil auch bei sehr hohen Temperaturen ablaufenden Umformprozesse und wie sich diese Evolution der mikroskopischen Werkstoffstruktur auf die für das Produkt hinterher relevanten Eigenschaften auswirkt. Sprecher*in 2 Durch die Simulation können sie auch Vorhersagen treffen. Sprecher*in 1 Klar, das ist das Ziel. Die Simulation soll Vorhersagen treffen, optimalerweise soll es hinterher dazu führen, dass wir sogar aus den gewünschten Eigenschaften rückwärts auf die besten Prozessketten schließen können. Das ist ehrlicherweise noch ein bisschen Zukunftsmusik, denn die Entwicklung dieser Simulationsmethoden, die ist noch nicht ganz abgeschlossen. Insbesondere die Tatsache, dass die Umformprozesse ja makroskopisch sind. Das sind große Pressen, große Walzwerke, die wir hier einsetzen, aber die innere Struktur der metallischen Werkstoffe, das ist eher so im Tausendstel Millimeter Bereich, um diesen Kernsprung hinzubekommen, ist selbstverständlich eine große Herausforderung. Wie MatSE Produktinnovationen ermöglicht: Das Crashbox-Beispiel Moderne Produkte brauchen maßgeschneiderte Werkstoffe. Das erleben wir in sehr vielen Situationen. Ich denke immer an das Handy, was zum Beispiel im Display ganz moderne Glaswerkstoffe verwendet, dementsprechend beschäftigt sich der Profilbereich Matze mit Struktur und Funktionswerkstoffen, die für moderne Produkte gebraucht werden. Die Hochschule als eine technische Hochschule hat sehr viele Lehrstühle und beherbergt sehr viele Forscherinnen und Forscher, die sich mit der Entwicklung moderner Produkte beschäftigen. Und dementsprechend brauchen wir auch für sehr viele unterschiedliche. Anwendungsgebiete diese modernen Werkstoffe, die werden im profilbereich Material Science and Engineering entwickelt, erprobt und hergestellt. Dementsprechend kann man aus dieser Beschreibung herleiten, dass der Profilbereich einer der größten Profilbereiche der Hochschule ist. Mit über 100 Mitgliedern aus fast allen Fakultäten der Awth. Sprecher*in 2 Der Profilbereich Matze möchte mit seiner Arbeit auch darauf aufmerksam machen, dass Materialwissenschaft und Werkzeugtechnik letztendlich Enabler für Produktinnovationen sind. Das heißt, hier werden Werkstoffe entwickelt, die Produktinnovationen überhaupt erst ermöglichen. Ein Aspekt, der häufig hinten überfällt. Sprecher*in 1 Wir würden als profilbereich Mazda natürlich schon auch sehr gerne als Enabler wahrgenommen werden und würden uns selbstverständlich auch freuen, wenn die Materialinnovationen auch mehr gesehen würden. Ja, ich habe Ihnen hier auch was mitgebracht, das ist eine sogenannte Crashbox, die wir hier schon untersucht haben, ist ein Bauteil aus dem kfz Bereich, was vorne in der Knautschzone eines Autos installiert wird und. Und im Falle eines Unfalls sich eben zusammenfalten soll. Die Falten, die können Sie hier auch schön sehen an der Unterseite. Diese Crashbox ist aus einem modernen Stahl hergestellt, einen mehrfasigen Stahl beim solchen Werkstoff haben wir uns beispielsweise in den Transregio SFB 188 auseinandergesetzt, wo es darum ging. Die Herstellprozesse für diese Werkstoffe so einzustellen, dass wir nicht während der Herstellung schon mikroskopisch kleine Schädigungen in den Werkstoff einbringen, die natürlich hinterher die Leistungsfähigkeit dieses Bauteils negativ beeinflussen würden, das ist ein Beispiel dafür, wo wir. Mit Hilfe der Werkstofftechnik eine Enabler Rolle eingenommen haben für moderne Produkte der Trans Regio Sonderforschungsbereich 188 heißt Schädigungskontrollierte Umformprozesse. Das ist ein überregionaler Sonderforschungsbereich, der hauptsächlich zwischen der Awth Aachen und der TU Dortmund durchgeführt wird, sich mittlerweile schon in der dritten Förderperiode befindet. Das heißt, wir sind im Jahr 10 von 12. Wir erforschen Umformprozesse so, dass wir herausfinden, mit welchen Maßnahmen wir die Evolution von mikroskopischen Schädigungen in den Umformprozessen vermeiden können oder zumindest kontrollieren können. Das kann man sich gut vorstellen, wenn man eben das Blech nimmt. Und biegt. Das ist soweit, dass es auch nicht mehr elastisch in seine ursprüngliche Form zurückgeht. Dann hat man eine Zone im Bereich der Kante, die jetzt sehr große Umform gerade gesehen hat, und man kann sich vorstellen, dass dabei auch winzig kleine Schädigungen in der Struktur des Werkstoffs stattfinden können. Von der Büroklammer zur Erdbebensicherheit: Schädigungsmechanik erklärt Dieses Thema der Schädigung behandeln wir auch in unseren Lehrveranstaltungen. Da machen wir mit den Studierenden ein Experiment. Ganz zu Beginn dieser Vorlesungsreihe, und zwar bekommt jede und jeder eine Büroklammer. Die Aufgabe ist, diese Büroklammer, so wie ich das jetzt auch gerade hier vorführe, Aufzubiegen und hin und her zu biegen, bis es zum Bruch dieser Büroklammer kommt. Bis wir also 2. Verbogene Drahthälften in der Hand haben und es muss gezählt werden, wie viele Zyklen nötig waren, bis es zum Bruch kommt. Letztendlich hängt es natürlich ab, wie weit ich biege, wenn ich in jedem Zyklus ganz weit biege, dann geht es schneller, wenn ich nur sanft hin und her biege, dann dauert es viel länger. Ich habe hier in der Hand gerade eine besonders widerstandsfähige, die will gar nicht, ich merke, sie wird gerade schon etwas weicher, da ist jetzt in der Umformzone Vielschädigung drin. Ich habe jetzt, weil ich gesprochen habe, nicht mitgezählt, aber ich befürchte, es waren irgendwo jenseits der 50 Zyklen, die ich hier aufbringen musste. In der Lehrveranstaltung zeigen wir hinterher auch immer rasterelektronen Aufnahmen der bruchfläche Wir erkennen daran diese Evolution der Porosität, den Werkstoff, und dann geht es ans Eingemachte, denn dann werden die Simulationsmethoden vorgestellt, die man braucht, um die Entwicklung dieser Schädigung. Zu beschreiben und mit den Modellen, die wir den Studierenden beibringen, könnte man theoretisch auch die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch vorhersagen. Nun wird das natürlich nicht wirklich gebraucht, kein Mensch braucht eine Simulation eines Büroklammer biegeversuchs, aber die gleichen Modelle kann man zum Beispiel auch verwenden, um vorherzusagen, nach wieviel. Zyklen eine große Stahlstruktur im lastfall Erdbeben versagen würde. Und auch das haben wir schon in Kooperationsprojekten innerhalb des Profilbereichs Matze gemacht. Konkret war das mit dem Institut für Stahlbau unter Leitung von Professor Feldmann, die mit Hilfe der von uns entwickelten schädigungsmechanischen Methoden letztendlich Auslegungsregeln für den lastfall Erdbeben entwickelt haben. Dr. Stebner: Interdisziplinäre Brücken bauen und Nachhaltigkeit fördern Müssen wir noch mal den Termin bitte genau sagen, ja. Sprecher*in 3 Ist im Mai. Ah ja genau, wird auf jeden Fall nicht mal ne größere Runde, wird auch wieder moderiert von. Sprecher*in 2 Professor Münstermann bespricht sich mit Dr. Sophie Stebler, die nicht nur Oberingenieurin am Institut für bildsame Formgebung ist, sondern ebenso Science Managerin des Profilbereichs Matze. Auch in den anderen 8 Profilbereichen der Hochschule gehören Sciencemanagerinnen beziehungsweise Sciencemanager zum Steering Committee, also zum Lenkungskreis eines Profilbereichs. Sprecher*in 3 Ich als Science Managerin für den Profilbereich Mathe sehe mich in erster Linie als Ansprechpartnerin bei wissenschaftlichen Anliegen, die Interdisziplinarität fordern. Also wenn man sich das Konstrukt der Hochschule anguckt, ist sie gerade für frisch neuberufene Professorinnen, aber auch Nachwuchswissenschaftler ja erst mal schon in Batzen. Wir haben 10 Fakultäten, wir haben 12, Dezernate und. Ich sehe mich in der Schnittstelle zwischen den Fakultäten und den Dezernaten, um da auch eine Art Vermittlungsrolle einzunehmen. Wenn jemand eine Idee hat und sagt, ich habe hier eine zündende neue Sache, da würde ich total gerne mal mit Leuten diskutieren und mich da austauschen, dann schaue ich mir im Grunde genommen die Leute bei mir im Profilbereich an und denke mir ja doch da an der Stelle könnte XY eventuell aushelfen und beispielsweise in einem Workshop könnte man zusammenfinden. Und an solchen Ideen arbeiten. Sprecher*in 2 Sie bringen die richtigen Leute zusammen. Sprecher*in 3 Das versuche ich meistens. Sprecher*in 1 Ja, und wir? Sprecher*in 2 Haben sie ja auch in einem wissenschaftlichen Hintergrund. Sprecher*in 3 Genau. Ich selber habe mich während meiner wissenschaftlichen Arbeit damit beschäftigt, wie man werkstofftechnische Zustände während der Umformprozesse, die sie durchlaufen, abschätzen kann, dass man im Nachhinein nicht so viel Schrott produziert, wenn man Trial and Error immer wieder aneinandergereiht hat, geht viel Material drauf. Im Sinne der Nachhaltigkeit nicht optimal, weshalb ich mich da dann schon mit ersten Abschätzungen während des Prozesses beschäftigt habe, dass man das zum Beispiel minimieren kann. Einblick ins IBF-Labor: Maschinen, Mikrostruktur und Teamarbeit Wenn man hier reinkommt, dieser Geruch, was ist das? Sprecher*in 4 Ich glaube, eine Mischung aus Spänen, Hydrauliköl, sonstigem Dreck. Das Versuchsteil ist groß, es ist laut, die Umformtechnik, die ist schon eher ein bisschen grober, salopp gesagt. Sprecher*in 2 Auch Dr. Niklas Fielemann ist Oberingenieur am Institut für Bildsame Formgebung und kennt sich bestens aus mit den vielen und beeindruckenden Maschinen in der Versuchshalle des Instituts, darunter 2 Walzwerke, eine große Schmiedepresse, ein Ringwalzwerk, mit dem man nahtlose ringförmige Strukturen herstellen kann. Sprecher*in 4 Das ist schon was. Spezielleres braucht man zum Beispiel für Windenergieanlagen, und da sind diese hochbelasteten Dinge, die eben nicht geschweißt werden müssen, sehr wichtig. Ich habe in dem von Poster Münstermann bereits angesprochenen Sonderforschungsbereich 188 Schädigungskontrollierte Umformprozesse promoviert. Ich habe mich da beschäftigt, auf der Werkstoffseite mit der Fragestellung, wie sich die mikrostruktur Charakteristik, also das, was man im Elektronenmikroskop sieht, auf die Eigenschaften des Werkstoffs am Ende auswirkt, wie sich das auch quantitativ beschreiben lässt und was sich daraus ergibt, ist die Frage, wie kann ich denn einen Werkstoff besser machen? Wie kann ich einen Werkstoff leichter machen? Wie kann ich dafür sorgen, dass er mehr aushält? Wir forschen den bereits angesprochenen Sonderforschungsbereich sowohl mit den Kollegen von der TU Dortmund und hier in Aachen auch mit anderen Instituten aus dem Profilbereich, zum Beispiel dem Institut für Strukturmechanik und Leichtbau von Professor Schröder mit dem Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie von Professor Meier oder. Oder auch dem Institut für Metallkunde und Materialphysik, Ressort Report Kerzel. Die interdisziplinäre Forschung, die wir da betreiben, die ist sehr wichtig. Die verschiedenen Disziplinen, die haben einen ganz unterschiedlichen Blick auf die Sachen, also zum Beispiel jemand, der wirklich Bauteile auslegt oder designt, der guckt ganz anders auf den, der ganz vorne in der Verarbeitungskette steht, der einen Werkstoff erzeugt, gar nicht genau weiß, was da jetzt später daraus erzeugt wird, oder auch die, die eher experimentell etwas bearbeiten oder die, die sich eher mit Simulationen oder vielleicht auch Dach. Basierten Methoden beschäftigen. Das ist der größte Mehrwert, den ich an interdisziplinärer Arbeit im Profilbereich sehe. Professor Lemme über NeuroSys: Gehirn-inspirierte Chips für KI und Souveränität Etwa 10 Autominuten entfernt vom Institut für Bildsame Formgebung befindet sich die AMU GmbH auf dem Campus Melaten. Das gemeinnützige Forschungsunternehmen auf dem Fachgebiet der Nanotechnologie agiert seit 33 Jahren als Wegbereiter für neue Technologien an der Schnittstelle zwischen akademischer und industrieller Forschung. Professor Max Lemme, Inhaber des RWTH Lehrstuhls für elektronische Bauelemente an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, ist Geschäftsführer der Amo GmbH und fungiert als Sprecher für den Zukunftscluster Neurosis, der im Profilbereich Matze seinen Ursprung und eine starke Brücke zum Profilbereich ICT hat. Sprecher*in 5 Im Zukunftscluster Neurosys erforschen wir neue Wege, Computer zu bauen, inspiriert vom menschlichen Gehirn wollen wir eine Art Chip entwerfen, die energieeffizienter, anders arbeitet, als das bisher gemacht wird, und das ist insbesondere wichtig für die KI Anwendungen. Wir haben im Moment ein riesen Energieverbrauch durch KI Anwendungen, das liest man immer mehr, es werden Atomkraftwerke gebaut um DATENCENTER zu betreiben und um von dem wegzukommen brauchen wir diese neue Computerarchitektur. Der Materialbereich beschäftigt sich dabei mit neuen Materialien, die bestimmte neue Funktionalitäten erlauben und damit diese Chips ermöglichen. Der Zukunftscluster Neurosys besteht aus insgesamt knapp 40 Partnern, das sind universitäre Partner, natürlich von der RWTH Aachen, vom Forschungszentrum Jülich, von der Amo GMBH, aber auch Unternehmen aus der Region. Sprecher*in 2 Neurosys wird gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und ist auf insgesamt 9 Jahre angelegt. Sprecher*in 5 Wir sind momentan im fünften Jahr und versuchen, die Technologiereife gerade weiterzuentwickeln. Das heißt, wir haben angefangen, aus der Spitzenforschung und die Idee der Zukunftscluster ist es, diese möglichst schnell in den Transfer und in die Anwendung zu bringen, deswegen dieses Zusammenarbeiten aus Universitätsinstituten, anderen Instituten und Unternehmen jetzt schon. Der Zukunftscluster passt sehr gut zur RWTH Aachen, weil unsere DNA ist, diesen Transfer zu ermöglichen, Spitzenforschung aber immer mit dem Blick auf die Anwendung. Wir werden immer wieder gefragt, wo wir im internationalen Kontext zu verorten sind, denn das Thema KI und neue Hardware ist natürlich kein Thema, was nur in Deutschland angeguckt wird, im Gegenteil, andere Länder sind was die Halbleitertechnologie, die Basistechnologie dafür angeht, uns weit voraus, vor allem auch in der Produktion. In der Forschung sind wir allerdings vorne mit dabei. Und genau das ist jetzt das Ziel. Wir wollen diese externe Forschung in die Anwendung bringen und damit Europa auch ein Stück Resilienter machen im globalen Wettbewerb, das fällt gerne unter das Stichwort Technologiesouveränität dabei darf man nicht darunter verstehen, dass wir alles plötzlich selber machen, aber dass wir eben in bestimmten Bereichen der Wertschöpfungskette in der Halbleitertechnologie so unverzichtbar werden, dass Europa auch wieder einen Platz am Tisch bekommt und als gleichwertiger Partner wahrgenommen wird. Reinraum, 3D-Chips und das enorme Potenzial der Energieeinsparung Wir stehen jetzt hier in unserem Reinraum. Man hört im Hintergrund sowohl die Klimaanlage als auch die Maschinen, die alle unter Vakuum stehen und wo wir unsere Chips bearbeiten. Das muss im Vakuum passieren, weil es eben hochreine Prozesse sind. Jeder Partikel verunreinigt unsere Oberflächen und zerstört unsere Bauteile, was wir hier sehen, ist eigentlich eine Pilotlinie für die Chipproduktion, wir sind ja im Vorfeld unterwegs und. Tun jetzt schon das, was die Industrie in vielen Jahren möglicherweise erst tun wird. Das Active 3 D Programm ist dafür ein Beispiel, dass wir hier schon neue Sachen ausprobieren können, neue Materialien vor allem in diese Produktion reinbringen, die in den großen Hallen der Unternehmen momentan noch gar nicht erlaubt sind. Also wir müssen diese neuen Materialien erforschen, zu einer bestimmten Reife bringen, zeigen, was sie können. Sprecher*in 2 Neben dem Zukunftscluster Neurysis. Zählt auch der gerade von Professor Lemme erwähnte Transregio Active 3 d zu den Großprojekten des Profilbereichs Matze. Mit ihm fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft zukunftsweisende Elektronik durch aktive Bauelemente in 3 Dimensionen, Professor Lemme ist hier Co Sprecher. Sprecher*in 5 Auch hier sind wieder RWTH Aachen, Forschungszentrum Jülich, Amo GmbH dabei als Forschungspartner und hier geht es darum. Computerchips in Zukunft in die dritte Dimension zu bauen. Bisher sind die wesentlichen Komponenten von einem Chip immer in der Ebene verteilt, ob Speicher, Logik oder Grafikprozessoren, alles findet in einer Ebene statt und was wir machen wollen, ist mit neuen Materialien in die dritte Ebene zu gehen, wie ein Wolkenkratzer, in dem dann aktive Bauteile sind, wie das auch beim Wohnungsbau ist. Wenn ich in die Höhe gehe, kriege ich mehr auf die Fläche. Und das ist genau das Ziel dabei, dass wir in die Höhe bauen und so die Funktionalität von zukünftigen Computerchips verbessern. Hier ist auch das Thema Souveränität dabei, Themen, die in Zukunft unter Umständen entscheidend sein können, wer die leistungsfähigeren Chips bauen oder entwerfen kann, dieses Projekt ist langfristig auf bis zu 12 Jahre ausgelegt. Wir sind gerade im ersten Jahr. So gesehen ist das ein Grundlagenprojekt, was dann in Zukunft erst relevanter wird, wenn wir weiterkommen mit unserer Technologie, die Nachhaltigkeit in dem Falle ist unmittelbar betroffen durch diese neuen Ansätze des Neuromorphen Computings im Neurosys Cluster, die auch hier eine Rolle spielen, also wenn ich. Effizienter Daten verarbeiten kann, brauche ich einfach weniger Energie dafür. Da ist ein unglaubliches Potenzial. Wir reden darüber, dass wir einen Faktor 1000 an Energie einsparen können für diese DATENCENTER, und wir wissen, dass das bereits einen sichtbaren Teil unseres Energieverbrauchs auf der Erde ausmacht.