NMW.NRW - Metall Polymer Hybridwerkstoffe finden zunehmende Verwendung in vielen industriellen Bereichen, wie Automotive, Bau- oder Gerätetechnik. Metallische Bauteile werden häufig mit mehreren Polymerlagen beschichtet, um zum einen technischen Anforderungen wie Korrosionsbeständigkeit oder schalldämmende Eigenschaften zu erreichen, aber auch um ein ästhetischeres optisches Erscheinungsbild zu erlangen.

Sandwich Metall-Polymer Materialien ersetzen unter Erhalt der mechanischen Eigenschaften immer häufiger konventionelle Werkstoffe, da sie eine deutlich niedrigere thermische Leitfähigkeit, sowie ein geringeres Gewicht aufweisen. Die beiden letzten Punkte gewinnen hierbei sowohl aus ökonomischer, als auch ökologischer Sicht an immer größerer Bedeutung.

 

Die steigenden technischen Ansprüche an diese Werkstoffklassen verlangen immer komplexere Verfahren und ein immer genaueres Materialdesign. Letzteres kann aber nur durch ein grundlegendes Verständnis der dem Beschichtungsverfahren zugrundeliegenden Prozesse erreicht werden. Neben empirischen und experimentellen Verfahren gewinnen Computersimulationsmethoden im Bereich Materialdesign an immer größerer Bedeutung. Aufgabe des 2008 an der Ruhr-Universität Bochum gegründeten „Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation" (ICAMS) ist die Entwicklung skalenüber-greifender Simulationsmethoden zum erkenntnisgetriebenen Werkstoffdesign. Metall-Polymer Hybridmaterialen stellen hierbei aufgrund Ihrer komplexen und inhärent skalenübergreifenden Struktur eine besondere Herausforderung dar.

 

Innerhalb ICAMS werden diese Werkstoffklassen auf unterschiedlichen Längenskalen mit komplementären Methoden untersucht. Auf der fundamentalen Längenskala, im Bereich von einem Zehntel Nanometer bis hin zu wenigen Nanometern, arbeitet die Gruppe von Dr. Georg Madsen in der Abteilung Atomistic Modeling and Simulation von Prof. Dr. Ralf Drautz. Quantenmechanische Verfahren ermöglichen hierbei die Untersuchung der elektronischen Struktur der Metall Polymer Grenzfläche. Mit der Molekulardynamik größerer Atomverbände befasst sich die am Max-Planck Institut für Eisenforschung angesiedelte Gruppe von Dr. Ulrich Biedermann und Prof. Dr. Jörg Neugebauer.

 

Auf der Mesoskala, im Mikrometer Bereich ermöglichen Lattice Boltzmann Verfahren die Untersuchung von Benetzungseigenschaften, Ausbreitungs- und Koaleszenzverhalten von Polymertropfen auf strukturierten Oberflächen, sowie der Dynamik von dünnen Filmschichten. Entwicklung und Anwendung dieser Verfahren sind Aufgabe der Arbeitsgruppe von Dr. Fathollah Varnik in der Abteilung Scale Bridging Thermodynamic and Kinetic Simulation von Prof. Dr. Ingo Steinbach.

 

Die auf den kleineren Längenskalen gewonnenen Erkenntnisse fließen auf der Makroskala in Simulationen zur Vorhersage mechanischer Eigenschaften fester Werkstoffe ein. Dieser Herausforderung stellt sich bei ICAMS die Gruppe von Dr. Steffen Brinkmann in der Abteilung Micromechanical and Macroscopic Modelling von Prof. Dr. Alexander Hartmaier. Im Zentrum dieser Untersuchungen steht aktuell die Berechnung des Einflusses der Untergrund-Rauigkeit auf die Haftung einer Polymerschicht.

 

Hierbei müssen vielen Skalen überbrückt werden, da sowohl die einzelnen molekularen Bindungen an die Oberfläche mit Bindungslängen im Angström-Bereich, als auch die Änderung der Rauigkeit auf der Mikrometerskala für mitunter Millimeter-dicke Schichten berechnet werden müssen. Auch in weiteren Aktivitäten geht es um die Überbrückung von atomaren Skalen bis hin zu Längenskalen von Bauteilen oder zumindest Laborproben. Hierbei kommen moderne Homogenisierungsverfahren zum Einsatz, mit denen effektive makroskopische Materialeigenschaften aus der inneren Struktur von Werkstoffen, der sog. Mikrostruktur, heraus bestimmt werden.

 

ICAMS - Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulations

Ziel des 2008 an der Ruhr-Universität Bochum eingerichteten Instituts, in dem Natur- und Ingenieurwissenschaftler eng zusammen arbeiten, ist die Entwicklung neuartiger Verfahren für die Computersimulation moderner Werkstoffe und ihr Transfer in die industrielle Forschung. Bei der Entwicklung neuer Produkte werden Materialien und Werkstoffe mit spezifischen, maßgeschneiderten Eigenschaften immer wichtiger. Ein Problem bei der Beschreibung von Werkstoffen ist deren hohe räumliche und chemische Komplexität auf verschiedensten Längen-, Zeit- und Energieskalen. Simulationen ermöglichen es, neue Werkstoffe zu entwickeln und die Eigenschaften neuer metallischer Legierungen, Keramiken, Gläser oder Kunststoffe realistisch vorherzusagen und besser zu verstehen.

Hinter dem Zentrum steht die Idee, dass Fortschritt in der Werkstoffmodellierung heute nur durch skalenübergreifende Arbeit möglich ist: Früher waren atomistische Überlegungen (typischer Größenbereich 0,1 bis 10 Nanometer) eher in den Naturwis-senschaften angesiedelt, während Ingenieurwissenschaftler mehr an makroskopischen Eigenschaften interessiert waren (ab 0,1 mm).

 

Das Zentrum umfasst drei Stiftungslehrstühle (Prof. Drautz, Prof. Hartmaier, Prof. Steinbach), sowie drei externen Advanced Study Groups am Max-Planck Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, Dem Institut für Werkstoffwissenschaften der Ruhr-Universität und dem Institut für Eisenhüttenkunde an der RWTH Aachen.Neben seiner Forschungstätigkeit bildet ICAMS gemeinsam mit der Fakultät für Maschinenbau Studenten im neu eingerichteten Masterstudiengang "Materials Science and Simulation" zielgerichtet im Bereich Werkstoffsimulation und -charakterisierung aus.

ICAMS wird von einem Industriekonsortium unter Federführung der ThyssenKrupp Steel Europe AG, der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, der Robert Bosch GmbH, der Bayer MaterialScience AG, der Bayer Technology Services GmbH und der Benteler Stahl/Rohr GmbH, sowie dem Land Nordrhein-Westfalen und der Europäischen Union in einer fünf-jährigen Anschubphase finanziert.