Patentierter Algorithmus

Eine Software aus Freiburg steigert die Genauigkeit von Werkstoffmodellen aller Art.

Freiburg - Ein Patent auf Software? Das gibt es nur in den USA. Dort hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg jetzt einen Algorithmus zum Patent angemeldet. Entwickelt wurde er, um die Simulation des Verhaltens von Materialien am Rechner weiter zu verbessern. Die Software mit dem Kurznamen FIRE (für Fast Inertial Relaxation Engine) könne praktisch jedes mathematische Werkstoffmodell optimieren – und das dreimal schneller und wesentlich genauer als etablierte Verfahren, meinen IWM-Projektleiter Michael Moseler und Peter Gumbsch.

Zweieinhalb Jahre haben die beiden Forscher mit einem Kernteam von fünf Leuten, darunter auch Mitarbeiter des Instituts für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen in Karlsruhe, an der Entwicklung des Algorithmus gearbeitet. Jetzt hat die renommierte Zeitschrift „Physical Review Letters“ einen Beitrag zu FIRE veröffentlicht. Bei einer großen Internationalen Konferenz der Materialmodellierer in Freiburg im September 2006 erregte die Software ebenfalls großes Aufsehen. Die 350 Experten aus aller Welt hatten sich getroffen, um mathematische Beschreibungen von Werkstoffen weiterzuentwickeln, damit sich deren Verhalten als Bauteil noch präziser vorausberechnen lässt.

Da kam ihnen FIRE offenbar gerade recht: Der Algorithmus beantwortet die Frage, was zu tun ist, um ein beliebiges Werkstoffmodell zu optimieren. „Ein Werkstoffmodell, mit dem das Verhalten eines Bauteils errechnet wird, beschreibt wie die Energie des Materials von dessen inneren Freiheitsgraden abhängt“, erklärt Michael Moseler. Daraus ergebe sich zum Beispiel, wie viel oder wie wenig Energie für eine bestimmte Anordnung der Atome in den Molekülen nötig sei. „Die Natur sucht immer den Zustand der niedrigsten Energie. Das muss das Modell im Grunde nachmachen: Es muss schauen, wie ein Material auf Belastung reagiert, wie es sich verformt oder gar bricht - um eben Spannungen oder Druck abzubauen oder aufzunehmen und wieder einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen“, erläutert Michael Moseler, Leiter der Arbeitsgruppe Physikalische Werkstoffmodellierung am Fraunhofer IWM, die Ausgangslage. „Unser Algorithmus findet diesen Zustand extrem schnell und zuverlässig und hilft damit ein Modell beziehungsweise seine Vorhersage und die Wirklichkeit noch näher zueinander zu bringen“, ergänzt Peter Gumbsch, Leiter des Fraunhofer IWM und des Instituts für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen an der Universität Karlsruhe.

Abb.: Der FIRE-Algorithmus lässt sich leicht anhand eines Skifahrers verstehen, der im Nebel auf einer kompliziert geformten Piste die Talstation sucht. Dazu führt er eine Schussfahrt durch, die er abrupt unterbricht und neu startet, sobald es bergauf gehen sollte. Zusätzlich steuert der Skifahrer immer leicht in Talrichtung. Dadurch findet er im gezeigten Beispiel die Mitte der Spirale schneller als alle etablierten Algorithmen.

Die beiden Wissenschaftler vergleichen die Leistung des Algorithmus mit einem Skifahrer, der im Nebel, also fast ohne Sicht, die schnellste Route ins Tal - also zum energetisch tiefsten und damit günstigsten Zustand - sucht. Eine Schussfahrt, die aber immer auch die Geländeentwicklung im Auge behält, also zum Beispiel korrigiert, wenn es nur leicht bergauf geht, sei die günstigste Variante. Für mathematisch Unbeschlagene vermittelt der Vergleich zumindest den Hauch einer Ahnung. Denn auch Moseler schränkt ein: „Der Skifahrer hat auf der zweidimensionalen Fläche ja nur wenige Freiheitsgrade, also Entscheidungsmöglichkeiten. Wenn wir beispielsweise die Struktur eines erhitzten Kupferkorns nach dem Abkühlen berechnen, haben wir es mit Millionen bis Milliarden Freiheitsgraden zu tun.“

Der Algorithmus trage dazu bei, dass ein Energieminimum nicht erst nach Tagen, sondern bereits in wenigen Stunden gefunden wird - wobei herkömmliche Algorithmen sogar in einigen wichtigen Fällen ergebnislos abbrachen. Die neu entwickelte Software in ein Materialmodell einzubauen, sei ebenfalls innerhalb weniger Stunden möglich. „Auch da sind wir besser als die bisherigen Verfahren“, sagt Peter Gumbsch. Das amerikanische Patent soll die Software schützen und dafür sorgen, dass die Forscher nach der intensiven und kostenträchtigen Entwicklungsphase nun auch vom großen Bedarf weltweit profitieren. Finanziert wurde die Entwicklung von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des Projekts „Multiscale Materials Modeling“.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Erik Bitzek, Pekka Koskinen, Franz Gähler, Michael Moseler und Peter Gumbsch, Structural Relaxation Made Simple, Phys. Rev. Lett. 97, 170201 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.170201
  http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de/~gaehler/papers/fire.pdf (frei!)
• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM:
  http://www.iwm.fraunhofer.de
• Institut für Theoretische und Angewandte Physik, Universität Stuttgart:
  http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de
• Institut für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen, TH Karslruhe:
  http://www.izbs.uni-karlsruhe.de