Unsere Forschung konzentriert sich auf die computergestützte Analyse und Vorhersage komplexer technischer Systeme und ihrer unmittelbaren Einsatzumgebung. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf zwei Herausforderungen. Einerseits sind solche Systeme oft von der engen Wechselwirkung grundlegend unterschiedlicher physikalischer Phänomene wie beispielsweise Festkörpermechanik, Fluidmechanik und Elektrostatik geprägt. Um diese zu modellieren, entwickeln wir Multiphysik-Computersimulationen. Andererseits besteht für hochgradig komplexe technische Systeme oft die Herausforderung, dass mechanistische Ansätze aufgrund eines zu geringen Systemverständnisses oder eines zu hohen Aufwands nur begrenzten Erfolg haben. Insbesondere für diese Fälle entwickeln wir Verfahren des maschinellen Lernens, um Analyse, Vorhersage und Design zu beschleunigen. Unsere Aktivitäten reichen von der Methodenentwicklung bis hin zu einem breiten Spektrum von Einsatzfeldern wie Materialwissenschaft, Produktionstechnik, Biomedizintechnik und Biomechanik. Im Folgenden sind einige Beispiele von Forschungsprojekten illustriert.
Methoden: Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen mit Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) (links), Kopplung von Finite-Elemente-Methode (FEM) und Diskrete-Elemente-Methode (DEM) (Mitte), Constitutitive Artificial Neural Network (CANN) als Architektur für physik-informiertes maschinelles Lernen in der Materialforschung (rechts).
Materialentwicklung: Hochtemperaturkriechen in Titan-Aluminid (TiAl) simuliert mit Molekulardynamik (MD) (Links), Elektronenmikroskopie-Computersimulation zur Generierung synthetischer Trainingsdaten für maschinelles Lernen, das verbesserte Bildsegmentierung in der Materialanalyse ermöglichen soll (rechts).
Produktionstechnik: Wir simulieren Produktionsprozesse wie etwa Mischprozesse durch Kopplung der Finite-Elemente-Methode (FEM) und Diskrete-Elemente-Methode (DEM) (oben links), Sintern mit Phasen-Feld-Finite-Elemente-Modellen (oben rechts) sowie verschiedene weitere Verfahren der additiven Fertigung (mittlere und untere Reihe).
Medizintechnik: Biodegradable Implantate werden im Körper während der Heilung abgebaut und unterstützen damit eine möglichst vollständige Regeneration. Wir unterstützen ihre Entwicklung durch Simulation des Abbauprozesses in vitro (links), der mechanischen Eigenschaften solcher Implantate (Mitte) sowie der Kopplung zwischen Implantatdegradation und mechanischen Eigenschaften (rechts).
Biomechanics: Für die Medizintechnik ist es wichtig, das Verhalten des menschlichen Körpers im Detail zu verstehen und vorhersagen zu können. Zu diesem Zweck entwickeln wir umfassende Computersimulationsmodelle von der Gewebeskala, auf der einzelne Zellen mit ihrer Umgebung wechselwirken (oben) bis hin zur Organskala, etwa zur Simulation von Hirnaneurysmen (unten links) oder des Magen-Darm-Trakts (unten rechts).