Autonome Forschung zur Exploration von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Optimierung von Mikrostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Kästner; Professor Dr. Daniel Peterseim
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496984632

Die Entwicklung neuer Materialien spielt eine wichtige Rolle für technologische Innovationen. Im Zentrum des Interesses steht dabei der Zusammenhang zwischen den Prozessparametern, der lokalen Materialstruktur und den resultierenden Eigenschaften. Da der lokale Aufbau der Materialien ihre Eigenschaften wesentlich diktiert, sind die Bereitstellung und das Verständnis von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen (SEB) von großer Bedeutung. Das avisierte Projekt verfolgt das Ziel, zuverlässige SEB schnell und kostengünstig aufzustellen und damit realistische, herstellbare Materialstrukturen mit optimalen Eigenschaften zu identifizieren.Die experimentelle Exploration der SEB verursacht einen erheblichen technologischen Aufwand, der mit hohen Kosten verbunden ist. Die erreichbare begrenzte Datengrundlage stellt ein großes Hindernis für die Anwendung moderner Methoden des Maschinellen Lernens dar. Modellbasierte numerische Simulationen können hier Abhilfe in Form synthetischer Daten schaffen und die Anzahl aufwendiger und teurer Experimente verringern. Ein praktisch relevanter Algorithmus erfordert darüber hinaus die automatisierte Generierung synthetischer Mikrostrukturen und die Durchführung numerischer Simulationen an ausgewählten Stichproben, um die experimentelle Datengrundlage gezielt zu erweitern. Dieses als autonome Forschung bezeichnete Verfahren wird in vier Schritten entwickelt: 1) Stationäre, translationsinvariante Beschreibungsformen für Mikrostrukturen werden entwickelt, die sowohl eine hohe Informationsdichte enthalten als auch eine schnelle Rekonstruktion erlauben. 2) Die effiziente Rekonstruktion einer Mikrostruktur aus einer solchen Beschreibung ist ein aktuelles Forschungsthema. Auf der Grundlage erster Vorarbeiten wird dazu ein performanter und universell einsetzbarer Algorithmus entwickelt. 3) Die numerischen Simulationen zum Ermitteln effektiver Eigenschaften werden durch eine Hierarchie von Modellen und numerischer Auflösung effizient gestaltet und durch eine Unsicherheitsquantifizierung bewertet. 4) Auf der Basis aller bisher berechneten Mikrostruktur-Eigenschafts-Paare wird eine SEB aufgestellt und das Optimum geschätzt. Auf dieser Grundlage wird die nächste Stichprobe gewählt und die autonome Schleife geschlossen.Diese vier Schritte werden materialunabhängig entwickelt, implementiert und anhand zweier exemplarischer Mikrostrukturen validiert. Ebenso generisch ist die effektive Eigenschaft als Ziel der SEB und Optimierung. In diesem Projekt wird über die Vorhersage elastischer Eigenschaften hinaus die Schadenstoleranz in Form einer effektiven kritischen Energiefreisetzungsrate betrachtet.Insgesamt verspricht die Synthese von modellbasierter numerischer Simulation und datengetriebenen Algorithmen ein tieferes Verständnis der Wirkmechanismen, die den SEB zugrunde liegen, sowie eine Beschleunigung der Materialentwicklung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen