„AI-guided Computational Materials Design for Sustainable Manufacturing and Materials Innovation”, kurz „AIM“, heißt das Projekt, das sie hierzu im Rahmen des Leibniz-Professorinnenprogramms umsetzt. Für fünf Jahre erhält sie hierfür eine Förderung der Leibniz-Gemeinschaft, sowohl für technische Ausstattung als auch für Personalstellen: In AIM arbeitet Kabliman mit Doktorand Sachin Rangaswamy und Postdoc Dr. Mustafa Awd zusammen. Aber worum genau geht es?

Kleine Veränderungen, große Auswirkungen

„Womit wir uns in AIM beschäftigen, ist gleichzeitig ganz konkret greifbar und für das bloße Auge unsichtbar“, sagt Evgeniya Kabliman. Der Ausgangspunkt ist die additive Fertigung von Metallen, also eine Art 3D-Druck, bei der Metalle in verschiedenen Schichten übereinander aufgetragen werden. Direkt sichtbar wird das zum Beispiel im Automobilbau oder der Luft- und Raumfahrt, wenn es darum geht, komplex geformte Bauteile für Tragstrukturen, Halterungen, Kühlkörper oder Flugtriebwerke zu entwickeln. Doch wie lassen sich diese Materialien optimieren, sodass sie immer robuster und beständiger werden? Der Weg dahin ist komplex und setzt voraus, dass man die Materialien bis hin zu ihrer atomaren Struktur versteht. Genau hier setzt das Projekt an und verbindet dabei Materialwissenschaften und Produktionstechnik.

„Wir unterscheiden in der Materialforschung drei verschiedene Ebenen von Materialien: Makro-, Mikro- und Nanoebene“, erklärt Kabliman. „Zur Makroebene gehört alles, was mit bloßen Augen sichtbar ist. Wenn wir weiter heranzoomen, bewegen wir uns auf der Mikroebene, die sich unter dem Mikroskop untersuchen lässt. Darunter liegt nur noch die Nanoebene, in der wir Strukturen auf atomarer Ebene untersuchen.“ Doch wie sich Veränderungen in einer Ebene auf die anderen Ebenen auswirken, ist eine zentrale Herausforderung in der Materialwissenschaft. Denn winzige Änderungen in der Nanoebene, etwa in der Anordnung von Atomen oder der Elektronendichte, können riesige Auswirkungen auf Mikro- und Makroebene haben. Und genau das macht die Materialentwicklung so komplex und aufwendig. Um Materialien zu optimieren, werden Metalle wie zum Beispiel Stahl, Aluminium- oder Nickellegierungen unter verschiedenen Temperaturen, Zeiträumen und Druckverhältnissen zusammengebracht. Wie fest, porös oder elastisch ein Material am Ende ist, erfährt man erst nach dem Versuch.

Mehr Simulationen, weniger Versuche

Ein Prozess, der viel Zeit und Ressourcen benötigt – und genau hier möchte Kabliman etwas ändern. Denn sie entwickelt ein Framework, bestehend aus verschiedenen Computerprogrammen, das diese Versuche digital abbilden und simulieren soll. Beliebig viele Legierungen aus verschiedenen Metallen sollen sich so auf ihre Eigenschaften testen lassen, auch unter Berücksichtigung von Produktionsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur, Druck und Zeit. In den Simulationen soll es möglich sein, zwischen den verschiedenen Ebenen zu wechseln. „Man könnten zum Beispiel bestimmte Anordnungen von Atomen festlegen und anschließend die Festigkeit des fertigen Materials beurteilen“, erklärt Kabliman. „Oder untersuchen, wie sich die atomare Struktur von Metallen verändert, wenn sie unter bestimmten Temperaturen und Druckverhältnissen miteinander zusammengemischt werden.“

„Experimente werden so nicht vollständig unnötig, aber ihre Anzahl lässt sich deutlich reduzieren.“

Um das zu ermöglichen, bringt das Framework bestehendes Fachwissen aus Publikationen und Werkstoffdatenbanken, Modellierungsmethoden auf den verschiedenen Längenskalen, und eine KI, die berechnet, wie sich Veränderungen in einer Ebene auf die anderen Ebenen auswirken, zusammen. Die vielversprechendsten Ergebnisse lassen sich dann im Experiment überprüfen. „Experimente werden so nicht vollständig unnötig, aber ihre Anzahl lässt sich deutlich reduzieren“, sagt Kabliman. Die Anwendungsgebiete sind auf jeden Fall groß: Nicht nur in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau, auch in anderen Bereichen wie etwa der Medizintechnik ist Kablimans Forschung bedeutend – zum Beispiel, wenn es darum geht, Implantate oder chirurgische Werkzeuge zu entwickeln.

Forschung und Lehre – das Beste aus beiden Welten

Dass ihre Forschung einen praktischen Nutzen hat, möchte Evgeniya Kabliman auch ihren Studierenden vermitteln. Nicht nur die Forschung, auch die Lehre ist ihr eine Herzensangelegenheit – und mit ein Grund dafür, warum sie nach Bremen gekommen ist. Nachdem sie in ihrer bisherigen Laufbahn sowohl an Universitäten als auch an außeruniversitären Forschungsinstituten gearbeitet hat, suchte sie einen Ort, an dem sie Forschung und Lehre miteinander verbinden kann. „Die Kooperationsprofessur der Universität Bremen und des IWT ist dafür ideal“, sagt sie. Umso mehr, weil ihr Fachgebiet, die rechnergestützten Werkstoffwissenschaften, so speziell ist, dass es hierzu deutschlandweit kaum Studiengänge gibt. Und so stellt sie ihre Forschung nicht nur in Lehrveranstaltungen vor, sondern wird Studierende auch am IWT einbinden – zum Beispiel in Zusammenhang mit Bachelor- oder Masterarbeiten. Denn für Kabliman beginnt nachhaltige Innovation nicht nur im Labor, sondern auch im Hörsaal.

Weitere Informationen

Zur Webseite des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien (IWT)