Ohne neue, immer bessere Werkstoffe – keine konkurrenzfähigen Produkte. Dabei sind Fortschritte in der Werkstofftechnologie im öffentlichen Bewusstsein viel weniger präsent als die Produkte, denen Werkstoffe erst die gewünschten Eigenschaften geben. Die Situation ist vergleichbar mit der Modewelt: Wer denkt schon daran, wie viel Ingenieurkunst in den hochwertigen, gewebten Stoffen steckt, wenn in der daraus entworfenen Kreation der Haute Couture ein Model elegant über den Laufsteg schreitet?
Werkstoffen kommt eine Schlüsselrolle zu: Ohne sie gäbe es keinen technischen Fortschritt. Sie bestimmen die technologischen Entwicklungen vor allem auch im Werkstoffland Nordrhein-Westfalen. So braucht die Automobilindus-trie hochfeste Stähle für leichtere Bauweisen, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und Sicherheitsstandards zu erhöhen. In der Medizin werden Implantate benötigt, die die Versorgung immer älter werdender Menschen sicherstellen sollen. Und damit Kraftwerke zukünftig chemische Energie aus fossilen Brennstoffen noch wirkungsvoller in elektrische Energie umwandeln können, müssen ihre Turbinenschaufeln immer höhere Temperaturen aushalten können. Dabei geht es heute auch um ein besseres Verstehen von Werkstoffeigenschaften vor allem was Sicherheit (Crash Verhalten) und Nachhaltigkeit (Ressourcenverknappung, Stoffkreisläufe, Recycling) betrifft.
Vor diesem Hintergrund nimmt die Bedeutung der Werkstoffmodellierung zu und ist schon heute Wissenschafts- und Techniktrend. Universitäten und industrielle Forschungs- und Entwicklungslabore (F&E) in aller Welt stärken ihre Kompetenz, indem sie Experten auf dem Gebiet der Werkstoffsimulation berufen. Ziel ist es, den traditionellen, experimentellen Ansätzen der Werkstoffentwicklung systematische Designstrategien zur Seite zu stellen, um in kürzerer Zeit Fortschritte zu erzielen. Werkstoffeigenschaften, die Ingenieure bislang im Millimeter- bis Meterbereich erfassten, sind auf atomarer Ebene begründet: etwa in Bindungen zwischen Atomen mit Abständen von nur einem Zehntel Nanometer. Wir haben berechtigte Hoffnung, die makroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen einmal aus ihrem atomaren Aufbau ableiten zu können. Unter „Scale Bridging“ verstehen Materialforscher den erfolgreichen Brückenschlag von der atomistischen über die mesoskopische auf die makroskopische Ebene, die es erlaubt, Werkstoffeigenschaften anhand der Wechselwirkung zwischen Atomen vorauszusagen. Scale Bridging verspricht einen Quantensprung in der Entwicklung neuer Werkstoffe und im Verständnis von Werkstoffeigenschaften. Für das Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS) an der Ruhr-Universität Bochum ist es wissenschaftliche Herausforderung, moderne Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur und chemischen Bindung, der statistischen Mechanik, der Hydrodynamik und der Kontinuumstheorie weiterzuentwickeln und zu kombinieren. Eine skalenübergreifende Materialsimulation erlaubt durch eine ganzheitliche parameterfreie Materialbeschreibung von der atomaren Skala (ab initio) über die Gefügeebene (Mesoskala) bis hin zur makroskopischen Bauteilebene das Verhalten von Komponenten in der Fertigung und Anwendung ohne aufwendige Experimente vorherzusagen (predictive engineering). Mit diesen Methoden sollen zukünftig komplexe industrielle Problemstellungen aus den Bereichen Entwicklung, Herstellung und Anwendung von Werkstoffen gelöst werden. ICAMS hat sich zum Ziel gesetzt, durch Simulationen neue Werkstoffe zu entwickeln und die Eigenschaften neuer metallischer Legierungen, Keramiken, Gläser und Kunststoffe vorherzusagen und theoretisch zu verstehen. Damit wird ICAMS die Materialwissenschaften in Bochum maßgeblich stärken und die Werkstoffforschung in NRW an die Weltspitze bringen. Bochumer Wissenschaftler arbeiten eng mit Partnern aus der Industrie, anderen Hochschulen und Forschungseinrichtungen zusammen.
Die Idee zur Gründung von ICAMS wurde im Initiativkreis Ruhrgebiet geboren. Nachdem der Entschluss gefasst war, wurden verschiedene Standorte ins Auge gefasst. Die Entscheidung fiel letztendlich zwischen der Ruhr-Universität Bochum und der RWTH Aachen. Das Bochumer Konzept überzeugte vor allem durch seinen interdisziplinären Ansatz, der gemeinsam von den Fakultäten für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Chemie und Biochemie, Elektrotechnik und Informationstechnik, Mathematik, Maschinenbau und Physik und Astronomie getragen wurde. Die Materialforscher der Ruhr-Universität kooperieren seit über zehn Jahren sehr erfolgreich in einem Materialforum, aus dem heraus vier materialwissenschaftliche Sonderforschungsbereiche, eine Max Planck Research School und ein Exzellenzzentrum für Nanowissenschaften auf den Weg gebracht wurden. Diese gelebte Interdisziplinarität, der Schulterschluss über die Fakultäten hinweg und ein attraktives Konzept für ICAMS, gab letztlich den Ausschlag für den Standort Ruhr-Universität Bochum.
ICAMS wird auch in der Lehre neue Akzente setzen: So wird ein innovativer, interdisziplinärer und internationaler Masterstudiengang Modelling in Materials Science and Engineering (MMSE), getragen von Ingenieur- und Naturwissenschaftlern, aufgebaut. Wir bilden damit quasi einen neuen Typ von Werkstoffingenieuren mit sehr guten Kenntnissen in der Werkstoffsimulation aus, wie ihn die F&E-Labors der Industrie heute nachfragen. Der neue werkstoffwissenschaftliche Studiengang vermittelt theoretische und praktische Kenntnisse über physikalische und chemische Grundlagen, Werkstoffe und Simulationstechniken. Er steht Absolventen aus ingenieur- und naturwissenschaftlichen Bachelorstudiengängen nach erfolgreicher Eingangsprüfung offen und bietet zunächst eine Adaptionsphase, in der fehlende Kenntnisse ausgeglichen werden können. In der Masterarbeit führen die Studierenden eigenständig Werkstoff- und Materialsimulationen durch.
ICAMS wird in einem fünfjährigen Anschubprogramm mit 24,2 Millionen Euro durch ein Industriekonsortium unter Führung der ThyssenKrupp Steel AG, der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, der Robert Bosch GmbH, der Bayer Materials Science, der Bayer Technology Services, der Benteler AG und dem Land NRW gefördert. An der Ruhr-Universität werden drei Professuren eingerichtet; als Erster hat Prof. Dr. Ralf Drautz (früher University of Oxford) im Februar 2008 seine Arbeit zur Materialforschung auf der atomaren Ebene aufgenommen.
Das Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität, das Max Planck Institut für Eisenforschung und das Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen sind über sog. Advanced Study Groups an ICAMS beteiligt. Damit ist die neue Einrichtung in das wissenschaftliche Umfeld der Ruhr-Universität Bochum und der ganzen Region eingebunden.
Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler,
Werkstoffwissenschaft, Institut für
Werkstoffe, Fakultät für Maschinenbau
Titel RUBIN Frühjahr 2008
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