TomoFuma

Forschungsthemen und Ziele

Folgende Forschungsarbeiten werden unter anderem im TomoFuma Projekt durchgeführt:

1. Der Aufbau einer Mikrotomographie Infrastruktur,
2. Die Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des physikalischen Verhaltens mikrostrukturierter Materialien basierend auf tomographisch bestimmten Mikrogeometrien,
3. Die Entwicklung neuer analytischer Modelle der physikalischen Gesamteigenschaften,
4. Die experimentelle Validierung von TBNS Methoden,
5. Die Entwicklung von tomographie-basierten Methoden zur Bauteil- und Werkstoffoptimierung,
6. Die Anwendung der im Projekt entwickelten Methoden auf konkrete wissenschaftliche und technische Fragestellungen.

Mikrostrukturierte Funktionsmaterialien

Mikrostrukturierte Funktionsmaterialien gewinnen in vielen Anwendungen, insbesondere in der Energietechnik zunehmend an Bedeutung. Der effiziente Einsatz von Energie und die Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien sind die zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Beispiele für den Einsatz mikrostrukturierter Materialien sind:

1. keramische und metallische Schäume sowie Monolithen, die in der thermischen Energie- und Verfahrenstechnik als Filter, Wärmetauscher und Katalysator-Träger eingesetzt werden,
2. mikrostrukturierte magnetische Materialien mit vielversprechenden Anwendungen in der Elektrotechnik,
3. Verbundmaterialien wie kohlefaser- und glasfaserverstärkte Kunststoffe mit breiten Anwendungsfeldern im Leichtbau,
4. Isolationsmaterialien und Dämmstoffe,
5. Guss- und Schmiedeteile insbesondere im Motorenbau,
6. Tribologische Werkstoffe und
7. Methanhydrat Klathrate, die einen signifikanten Teil der globalen Methanvorräte darstellen und gleichzeitig durch ihr enges Stabilitätsfenster eine Gefahr für das Weltklima darstellen.

Tomographie-basierte numerische Simulation (TBNS)

Die theoretische Voraussage des Verhaltens von mikrostrukturierten Materialien ist aufgrund der geometrischen Komplexität ausgesprochen schwierig; die experimentelle Untersuchung ist aufwendig und teuer.
Die Methode der tomographie-basierten numerischen Simulation (TBNS) adressiert diese Problematik auf sehr effiziente Weise. Dabei wird die Mikrogeometrie einer Materialprobe tomographisch vermessen.

Anschließend werden physikalische Phänomene basierend auf der digitalen Darstellung der Mikrogeometrie numerisch simuliert. Die TBNS hat sich als äußerst erfolgreiches Werkzeug zur Untersuchung von Stoff- und Wärmetransport in porösen und mikrostrukturierten Werkstoffen erwiesen. Sie wird nun auf weitere physikalische Phänomene erweitert. Untersucht werden mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Schwingungsverhalten und Rissausbreitung; Strömungsverhalten; Elektro-magnetisches Verhalten wie Magnetisierung und Wirbelstrombildung; transiente thermische Eigenschaften und wellenoptische Eigenschaften. Bestehende globale Optimierungsmethoden werden durch gezielte, lokale Optimierung ergänzt. Ein wichtiger Fokus ist die experimentelle Validierung der numerischen Resultate.