Optimierung von Mikrostrukturen auf Basis von Volumenbildern

Leitfaden zur industriellen Röntgentechnik
(Fraunhofer Vision Leitfaden-Reihe Band 15)

Beitrag 14: Optimierung von Mikrostrukturen auf Basis von Volumenbildern

Autoren: Katja Schladitz, Oliver Wirjadi, Heiko Andrä und Sarah Staub, Fraunhofer ITWM

Realisierung des modifizierten Altendorf-Jeulin-Modells mit Faserbündeln
© Fraunhofer ITWM

Realisierung des modifizierten Altendorf-Jeulin-Modells mit Faserbündeln

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Moderne Funktionsmaterialien zeichnen sich oft durch eine komplexe Mikrostruktur aus, die maßgeblich zu ihren makroskopischen Eigenschaften wie Durchströmbarkeit, Biegefestigkeit oder effektiver Wärmeleitfähigkeit beiträgt. Die Optimierung von Materialien für spezielle Einsatzgebiete erfordert daher ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den geometrischen Charakteristika der Mikrostruktur und den resultierenden Eigenschaften. Traditionell werden Änderungen der Mikrostruktur bewertet, indem Prototypen aus dem veränderten Material hergestellt und physikalischen Tests unterzogen werden. Dieses Vorgehen ist aufwendig und muss sich daher auf wenige Prototypen beschränken.

Die Berechnung makroskopischer Materialeigenschaften auf Basis geometrischer Mikrostrukturmodelle hat sich in vielen Bereichen als Alternative zu Tests an Prototypen etabliert. Meist kommen dabei aber noch stark vereinfachte deterministische Modelle zum Einsatz, die nur begrenzt aussagekräftig sind, da sie die mikroskopische Heterogenität realer Materialien nicht korrekt abbilden. Darüber hinaus werden herstellungsbedingte Variationen der Mikrostruktur des Materials nicht berücksichtigt, welche die resultierenden Materialeigenschaften entscheidend beeinflussen können. Zufällige Modelle aus der stochastischen Geometrie, die zur Erzeugung einer großen Bandbreite virtueller Mikrostrukturen genutzt werden können, stellen eine flexible Alternative dar. In Verbindung mit der numerischen Berechnung der Materialeigenschaften, für die eine Reihe kommerzieller Softwareprodukte angeboten wird, stellen sie ein mächtiges Werkzeug zur Mikrostrukturoptimierung dar und erlauben tatsächlich virtuelles Materialdesign.

 

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