Simulation Virtueller Einblick in bislang unerschlossene Reibmechanismen

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Prof. Dr. Michael Moseler, Leiter des Geschäftsfelds Tribologie am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, hat einen digitalen Zwilling entwickelt, der Schmierung unter hoher Belastung beschreiben und die Konstruktions- und Betriebsbedingungen für energieeffiziente Maschinen vorhersagen kann.

Reibung ist allgegenwärtig. Wo sich Bauteile gegeneinander bewegen, wird Energie verbraucht. Weltweit kostet das Berechnungen zufolge bis zu 20 Prozent des Energieverbrauchs – und das trotz vieler technologischer Lösungen zur Reibungsminderung, wie neuen Schmierstoffen und Beschichtungen.

Prof. Dr. Michael Moseler, Leiter des Geschäftsfelds Tribologie am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und Professor für Simulation funktionaler Nanosysteme an der Universität Freiburg, hat einen digitalen Zwillings für geschmierte Reibkontakte entwickelt, der das noch unerschlossene Potenzial zur Energieeinsparung und Nachhaltigkeit bei Reibung heben soll. Die Herausforderung: experimentell unzugängliche reibungsverursachende Prozesse in technischen Systemen berechenbar zu machen. Dazu zählen Prozesse, die auf der atomaren Ebene ablaufen, wie beispielsweise Viskositätsveränderungen von Schmierstoffen in nanoskaligen Reibspalten oder das Gleiten des dadurch verfestigten Schmierstoffs über Werkstoffoberflächen.

Verhalten des Reibungssystems vorhersagen

Hier kommt ein neuartiger Ansatz von Computersimulationen zum Einsatz. Simulationsmethoden und Rechenmodelle, die die Mechanismen auf den unterschiedlichen Skalen beschreiben, werden in einem einzigen Werkzeug so miteinander kombiniert, dass die reibungsverursachenden Merkmale erfasst und das Verhalten des Reibungssystems vorhergesagt werden können. Sind die Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen den atomaren Prozessen und der energieverzehrenden Reibung für das jeweilige technische System mathematisch beschrieben, kann dieses auch optimiert werden.

So macht der Digitale Zwilling die Reibung berechenbar

Bei den Berechnungen kommen Molekulardynamiksimulationen in extremem Maßstab zum Einsatz, die die atomistischen Effekte in diesem Reibungsbereich berücksichtigen. Ein Schlüsselaspekt des Projekts ist die Entwicklung von physikalisch basierten Materialmodellen, die das molekulardynamisch beobachtete Verhalten genau wiedergeben. So müssen beispielsweise präzise Konstitutivgleichungen für die Rheologie und die tribochemischen Reaktionen von wenigen Nanometer dicken Schmierfilmen unter Gigapascal-Drücken bestimmt werden. Diese werden in Kontinuumsgleichungen integriert und bilden den Kern des digitalen Zwillings, der die thermo-elasto-hydrodynamische Schmierung in hochbelasteten Bauteilen (z.B. Wälzlager und Zahnradpaarungen) berechenbar machen soll. Das Projekt wird automatisierte Workflows für molekulare Hochdurchsatzrechnungen von Reibkontakten unter einer Vielzahl von Lastparametern nutzen. Außerdem wird die neueste Generation von maschinell erlernten interatomaren Potenzialen (MLIPs), die quantenmechanische Genauigkeit zu einem Bruchteil der Rechenkosten bieten, eingesetzt.

Mehr Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Maschinen, Geräten und Fahrzeugen

Es ist die Kombination von extremskaligen atomistischen Simulationen, maschinell trainierten KI-Kraftfeldern und die Integration der daraus folgenden physikalischen Konstitutivgleichungen in eine Kontinuumsbeschreibung des hochbelasteten Schmierstoffs, die den Forschungsansatz einzigartig macht und einen virtuellen Einblick in bislang unerschlossene und nicht zugängliche Reibmechanismen schafft. Weitere Erfolgsfaktoren sind die intelligente und effiziente Nutzung enormer Rechenkapazität für die Simulation von bis zu einer Milliarde Atome und der Aufbau einer leistungsfähigen digitalen Infrastruktur für die entstehenden Datenströme und die Datenauswertung.

In fünf Jahren soll der digitale Zwilling durch den Brückenschlag zwischen atomaren Reibungsphänomen und der Konstruktion von Lagerungen und Getrieben für mehr Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in Maschinen, Geräten und Fahrzeugen sorgen.

Für die Umsetzung des ambitionierten Forschungsvorhabens hat Moseler vom Europäischen Forschungsrat einen „ERC Advanced Grant“ in Höhe von 2,5 Millionen Euro für fünf Jahre erhalten. Ein ERC Grant zählt zu den wichtigsten Auszeichnungen in der europäischen Forschungsförderung.

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