Project Area A: Modeling and Simulation

Die zentralen wissenschaftlichen Fragestellungen der Arbeiten im Projektbereich A betreffen die Modellierung und Simulation von Eigenschaften und Herstellprozessen von Bauteiloberflächen sowie von Wechselwirkungen zwischen Bauteiloberflächen und ihrer Umgebung. Dabei werden unterschiedliche Modellierungsansätze verfolgt und skalenübergreifend zusammengeführt.

Die Teilprojekte A01 (Hasse, Horsch, Müller), A02 (Urbassek) und A03 (Urbassek) verwenden Molekulardynamik (MD) Simulationen und sind damit methodisch eng vernetzt. Sie bilden die Gruppe, die auf der kleinsten Skala, im Nanometerbereich, arbeitet. Während der 1. Förderperiode des SFB 926 gelang es den Antragstellern des Teilprojekt A01 Hasse und Horsch in einer Kooperation mit Kollegen anderer Forschungseinrichtungen einen neuen Weltrekord in der Systemgröße von MD Simulationen aufzustellen. Simuliert wurde ein Objekt mit 4 10¹² Teilchen, dessen Kantenlänge im Bereich von 6 μm liegt. Trotz dieser Erfolge mit brute force Methoden bleibt die Übertragung der Ergebnisse der MD Simulationen auf technische Fragestellungen eine wesentliche Herausforderung, der sich die Teilprojekte im SFB 926 stellen.

Bei den Teilprojekten A04 (Kuhn, Aurich) und A05 (Müller) steht die Finite-Elemente-Simulation im Zentrum der Forschungsarbeiten, wobei Szenarien im Mikrometerbereich betrachtet werden. In der 1. Förderperiode wurde eine skalenübergreifende Betrachtung zwischen diesen Simulationen und den MD Simulationen etabliert. Dabei liefert Teilprojekt A02 (Urbassek) Daten für Teilprojekt A04 (Kuhn, Aurich) zu Prozessen der spanenden Bearbeitung und Teilprojekt A03 (Urbassek) liefert Daten für Teilprojekt A05 (Müller) zu Prozessen mit Phasenumwandlung. Auf diesen positiven Erfahrungen aufbauend wird in der 2. Förderperiode auch innerhalb des Teilprojekts A01 (Hasse, Horsch, Müller) ein skalenübergreifender Ansatz verfolgt, in dem die Benetzung nicht nur wie bisher auf der molekularen Ebene sondern auch mit der Phasenfeldmethode betrachtet wird. Der neue Teilprojektleiter Müller bringt dabei seine Erfahrungen aus Teilprojekt A05 ein. Dies betrifft die statische Benetzung. In ähnlicher Weise erfolgt eine skalenübergreifende Zusammenarbeit zwischen dem Teilprojekt A01 (Hasse, Horsch, Müller) und dem neuen Teilprojekt A08 (Antonyuk) zur Beschreibung dynamischer Benetzungsvorgänge. Da Benetzung und die Adsorption eng verwandt sind und die Adsorption für die Benetzung von Bauteiloberflächen eine wichtige Rolle spielt, wird Teilprojekt A07 (Horsch), das über einen Nachantrag in den SFB 926 kam, nicht eigenständig weiter geführt, sondern in das Teilprojekt A01 integriert.

Das Teilprojekt A06 (Ripperger) wird, da der Teilprojektleiter in den Ruhestand geht, nicht weiter geführt. Seinen Platz nimmt das neue Teilprojekt A08 ein, das von Prof. Antonyuk, dem Nachfolger von Prof. Ripperger, geleitet wird. Das neue Teilprojekt A08 (Antonyuk) befasst sich wie das Vorgängerprojekt A06 (Ripperger) mit Simulationen von Partikeln an Bauteiloberflächen, jedoch sind Zielsetzung und Methoden so erweitert, dass es nicht als direkte Fortsetzung von Teilprojekt A06 beantragt wird. Eine weitere Änderung betrifft die Leitung von Teilprojekt A04 (Kuhn, Aurich). Hier übernimmt Frau Jun. Prof. Kuhn die Teilprojektleitung von Prof. Müller. Frau Jun. Prof. Kuhn war bereits in der 1. Förderperiode in die fachliche Betreuung der Mitarbeiter in Teilprojekt A04 eingebunden und bringt ihre Kompetenz in der Mechanik ein, speziell in der Phasenfeldmodellierung.

Gemeinsames Ziel der Forschungsarbeiten im Projektbereich A ist es, durch die Anwendung von Methoden der Modellierung und Simulation Kenntnisse über die Morphologie von Bauteiloberflächen auf der Mikroskala zu erlangen, die rein experimentell nicht zu erhalten wären. Dies ist wichtig, weil viele der interessierenden mikroskaligen Vorgänge nicht direkt experimentell untersucht werden können. Dabei gibt es nicht nur eine enge Vernetzung komplementärer Teilprojekte innerhalb des Projektbereichs A, alle Teilprojekte im Projektbereich A sind auch mit experimentell arbeitenden Teilprojekten der anderen Projektbereich im SFB 926 vernetzt. In den Teilprojekten A01 (Hasse, Horsch, Müller) und A08 (Antonyuk) werden begleitend zu den Arbeiten zur Modellierung und Simulation auch Experimente durchgeführt. Der Schwerpunkt der Arbeiten in diesen Teilprojekten liegt jedoch auf der Modellierung und Simulation, weshalb sie dem Projektbereich A zugeordnet sind.

Subprojects in Project Area A

Subproject A01
Modeling and Simulation of Wetting of Component Surfaces
Prof. Dr.-Ing. Hans Hasse, Laboratory of Engineering Thermodynamics (LTD);
Prof. Dr.-Ing. Ralf Müller, Institute of Applied Mechanics (LTM)

Subproject A02
Atomistic Simulations of Scratching and Cutting of Surfaces
Prof. Dr. rer. nat. Herbert M. Urbassek, Institute of Computational Material Science (CMS)

Subproject A05
Phase Field Modelling of Transformation and Failure Mechanisms in the Vicinity of Surfaces
Prof. Dr.-Ing. Ralf Müller, Institute of Applied Mechanics (LTM)

Subproject A08
Dynamic interactions of particles with wetted structured component surfaces
Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk, Institute of Particle Process Engineering (MVT)

Subproject A09
Analysis and Modelling of the Surface structuring through lapping
Prof. Dr.-Ing. Kristin de Payrebrune, Institute of Computational Physics in Engineering (CPE)

New:
Subproject A10
Elastohydrodynamic Interactions of particles flowing over structured surfaces
Jun. Prof. Dr.-Ing. Clarissa Schönecker, Institute of Micro Fluid Mechanics (MFM)

Completed:
Subproject A03
Solid-solid Phase Transitions at Surfaces
Prof. Dr. rer. nat. Herbert M. Urbassek, Institute of Computational Material Science (CMS)

Completed:
Subproject A04
Multiscale Modeling and Simulation of Microcutting of Titanium Materials
Jun. Prof. Dr.-Ing. Charlotte Kuhn, Institute of Applied Mechanics (LTM);
Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich, Institute for Manufacturing Technology and Production Systems (FBK)

Completed:
Subproject A06
Modeling of Particle Adhesion and Friction
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger, Institute of Particle Process Engineering (MVT)
Continued in subproject A08 (Antonyuk).

Completed:
Subproject A07
Molecular Simulation of Adsorption and Cleaning of Structured Component Surfaces
Jun. Prof. Dr.-Ing. Martin Horsch, Laboratory of Engineering Thermodynamics (LTD)
Continued in subproject A01 (Hasse, Langenbach, Müller).