Virtuelle Materialcharakterisierung und Optimierung für Elektromobilitätsanwendungen

Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung werden an Werkstoffe stetig neue, insbesondere simultane Anforderungen an mehrere physikalischen Eigenschaften gestellt. Dabei führt oft die Optimierung einer gewünschten Eigenschaft oft zur Verschlechterung der anderen geforderten Eigenschaft. Ein Beispiel hierfür ist die Optimierung eines elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Materials. Kunststoffbasierte Verbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit durch Materialien mit Inklusionen gezielt physikalische Eigenschaften, insbesondere das elektrische und thermische Verhalten, einzustellen. In diesem Paper werden Verfahren zur virtuellen Materialcharakterisierung und Optimierung vorgestellt. Hierzu werden Methoden der Mikrostruktursimulation und Homogenisierung, sowie Metamodellierungstechniken verwendet. Durch Simulation der Struktur-Eigenschafts-Beziehung ist es möglich, die zur Entwicklung solcher Materialien experimentell oft aufwendige Prototypenherstellung und deren Charakterisierung zum größten Teil zu ersetzen und bessere Lösungen zu finden. Dadurch können relevante Materialeigenschaften, wie die thermische Leitfähigkeit oder mechanische Eigenschaften, z. B. das Kriechverhalten, virtuell bestimmt werden. Die hierbei ermittelten Werkstoffkennwerte und Materialkarten dienen anschließend als Input für die Simulation auf Bauteilebene. Diese Methoden bieten somit das Potenzial, die Produktentwicklungszeit zu verkürzen. Des Weiteren wird in diesem Paper ein Verfahren präsentiert, Verbundwerkstoffe mithilfe numerischer Simulation und Optimierungsverfahren gezielt gemäß speziellen Anforderungen zu entwerfen. Nach einer Einführung in die Methodik werden Anwendungsbeispiele für die virtuelle Materialcharakterisierung und Optimierung präsentiert.