Forschungsschwerpunkt Materials Processing & Engineering

Innovative Simulations-, Berechnungs- und Modellierungsmethoden sind an der Hochschule Heilbronn ein maßgebliches Instrument bei der Erforschung vielfältiger ingenieurtechnischer und naturwissenschaftlicher Fragestellungen. Einsatz finden derartige Ansätze an der HHN insbesondere im Bereich der Kontinuums- und Fluidmechanik, bspw. für die Simulation dünner fluider Schichten unter Anwendung spezieller Potential- und Variationsmethoden. Zudem werden Modellierungs- und Simulationsmethoden am Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS) zur Erforschung komplexer physikalischer Zusammenhänge in Strömungen (Computational Fluid Dynamics) und beim Transport in porösen Medien herangezogen, welche bei der Auslegung technischer Applikationen wie Partikelfilter, Brennstoffzellen oder Katalysatoren von übergeordnetem Interesse sind. Numerische Simulationen werden an der HHN häufig auch als prädiktives Tool zur Untersuchung unterschiedlicher Sensorprinzipien eingesetzt oder z.B. auch am Institut für Digitalisierung und elektrische Antriebe (IDA) für die effiziente Auslegung elektromagnetischer Antriebe. Die Analyse von Fertigungsprozessen (Blech- und Massivumformen, Schweißprozesse) unter Einbeziehung künstlicher Neuronaler Netze wird an der HHN ebenfalls mittels Simulationen umgesetzt.

Für die Umsetzung simulationsbasierter Forschungsarbeiten wurde an der HHN in den letzten Jahren die Forschungsinfrastruktur in erheblichem Maße ausgebaut. In diesem Zusammenhang wurden u.a. mehrere Hochleistungsrechner beschafft. Die HHN hat darüber hinaus zur Durchführung von extrem rechenzeitintensiven Simulationen Zugang zum bwUniCluster2, der Hochleistungsinfrastruktur des Landes Baden-Württemberg. Im Bereich der Strömungssimulationen stehen u.a. spezielle Softwareprogramme wie StarCCM+, ANSYS CFD, GeoDict, OpenFOAM und COMSOL Multiphysics an den Instituten zur Verfügung.

Neben der simulationsgestützten Betrachtung fluidmechanischer Fragestellungen wird an der HHN intensiv an der Thematik poröser Medien geforscht. Diese stellen ein physikalisches System dar, welches entweder aus einem Feststoff oder Fluid oder einer Kombination aus beiden Elementen besteht, was dem Charakter eines porösen Mediums entspricht. Die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen werden am Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS) sowie in enger Kooperation mit dem Polymer-Institut Kunststofftechnik (PIK) erforscht. Die Laborgeräteinfrastruktur an der HHN ermöglicht insbesondere auch eine additive Fertigung poröser Strukturen. Aktuell werden in diesem Zusammenhang Anwendungsfelder wie die Aerosolfiltration, topologieoptimierte Mikroplastik- und Hydraulikfilter, Katalysatoren, SARS-CoV-2-Schutzmasken, Feinstaubdeposition in den Atemwegen und Dosieraerosolhilfen für Asthmamedikamente adressiert.

Für eine korrespondierende messtechnische Charakterisierung (additiv gefertigter) poröser Medien arbeitet die Hochschule Heilbronn seit mehreren Jahren intensiv am Aufbau von Prüfständen. Das Spektrum umfasst u.a. ein Aerorosolprüfstand für Umgebungsbedingungen bzw. für Überdruck, ein Prüfstand für Maskentests, einen Prüfstand zur Inaktivierung von aerosolisierten Erregern sowie einen speziellen Prüfstand für Mikroplastikfilter für Waschmaschinen. Des Weiteren stehen in den Laboren u.a. zwei mobile Aerosolspektrometer, Nebellanzen und ein Behaglichkeitsmessbaum nach DIN EN 7730 zur Verfügung.

Sensorapplikationen sind sowohl aus dem Alltagsleben als auch für industrielle Zwecke nicht mehr wegzudenken. Das Spektrum an Sensoren reicht dabei von der Automobiltechnik, über die Biotechnologie bis hin zur Umweltanalytik. Entsprechend dieser Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich auch die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Heilbronn im Bereich der Sensorik auf diverse erkenntnis- sowie anwendungsorientierte Fragestellungen. So forscht bspw. das Team im Labor „Technische Optik“ seit Jahren auf dem Gebiet der Radarsensorik und der optischen Sensorik. Im Speziellen werden hier u.a. theoretische Grenzen sowie Messungen der Messunsicherheit an technischen Oberflächen eruiert. Des Weiteren steht in diesem Zusammenhang auch das Design optischer und optoelektronischer Systeme im Vordergrund. Dies beinhaltet u.a. das Design von Flächen mit asphärischer, torischer und freier Form, Beleuchtungsoptiken oder Head-up-Displays.

Gemäß dem fortwährenden Trend zur Miniaturisierung elektronischer Komponenten fokussiert die HHN im Labor „Design-to-Prototype“ die Auslegung und Realisierung innovativer mikro- und nanoskaliger Sensoren sowie deren Technologien. Dazu gehören bspw. Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, biochemische Sensoren zur DNA-Analyse sowie Gassensoren auf Basis Photonischer Kristalle (PhC). Gezielt eingesetzt, gestatten diese hochgeordneten, porösen Strukturen u.a. die Detektion infinitesimal kleiner Mengen an schädlichen Umweltgasen. Neben der Erforschung von Sensoren für die Umweltanalytik, ist für die Automobilindustrie im Bereich der Antriebstechnologien auch die magnetische Sensortechnik von Interesse. Hierzu wird am Institut für Digitalisierung und elektrische Antriebe intensiv geforscht.

Die Hochschule Heilbronn betont die Bedeutung einer effektiven Datenverwaltung in der Forschung, insbesondere im Bereich Materials Processing & Engineering. Dies beinhaltet die Erfassung von Messdaten, Simulationen und Texten gemäß den Richtlinien der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die HHN verfolgt einen transparenten und professionellen Umgang mit generierten (Forschungs-) Daten mit dem Ziel, eine Anschlussfähigkeit für nachgelagerte Forschungsvorhaben über alle Disziplinen hinweg zu gewährleisten. Neben einer nachhaltigen Nutzung dieser Daten wird gleichermaßen deren Sichtbarkeit gesteigert und die fächerübergreifende Anwendbarkeit ermöglicht. Zur Erforschung interdisziplinärer Fragestellungen im Forschungsschwerpunkt Materials Processing & Engineering sind im Speziellen Messdaten von Relevanz.

Die Hochschule verfügt über moderne Laborinfrastruktur für optische und elektrische Messungen, darunter das Labor „Technische Optik“. Diese umfasst auch die Anwendung von Künstlicher Intelligenz, etwa für die Analyse von Radardaten und die Erkennung von Posen und Gesten. Das Center for industrial AI (iAI) konzentriert sich auf KI-Lösungen für die industrielle Produktion, auch unter Berücksichtigung begrenzter Datenmengen. Die Forschung zielt darauf ab, neue Erkenntnisse aus vorhandenen Daten zu gewinnen. Verschiedene Institute und Labore der Hochschule, wie das Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS) und das Labor „Design-to-Prototype“, bieten eine Vielzahl von Messgeräten für spezialisierte Anwendungen wie die Charakterisierung von porösen Strukturen und mikrostrukturierten Bauelementen.

Die Hochschule Heilbronn betont ihre Expertise in Verarbeitungstechnologien, insbesondere in der Umformtechnik, sowie in vielschichtigen Methoden der Werkstoffprüfung und Schadensanalyse. Diese werden durch grundlagenbasierte Forschung, Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen und Integration in das akademische Umfeld vorangetrieben, um den steigenden Anforderungen komplexer Produktionsprozesse gerecht zu werden. Das Zentrum für Umformtechnik und Karosseriebau sowie das Werkstoffzentrum der Hochschule konzentrieren sich auf Fragen der Automobilindustrie, insbesondere auf die Fabrikation und Analyse präziser Karosseriebauteile. Mechanische und zerstörungsfreie Methoden der Werkstoffprüfung werden angewendet.

Die Laborinfrastruktur umfasst Metallographie, Mikroskopie, Korrosionsprüfung, Schicht- und Vollmaterialanalytik sowie verschiedene Wärmebehandlungsverfahren. Die Entwicklung multifunktionaler Werkstoffe erfordert kontinuierliche Verbesserungen der Fertigungsprozesse. Innovative Umform- und Fügeverfahren für den Karosseriebau werden am Zentrum für Umformtechnik und Karosseriebau sowie am Werkstoffzentrum erforscht, unterstützt durch Simulationsmethoden zur Prozessoptimierung und Analysegeräte wie Laser Absolut Scanner und Koordinatenmessmaschinen. Die Forschung ist eng mit dem Forschungsschwerpunkt Automotive & Mobility der Hochschule verbunden und arbeitet speziell mit dem  Institut für Kraftfahrzeugtechnik und Mechatronik (IKM) zusammen.

• Maßgenauigkeit von Blechformteilen
• Rückfederung von komplexen Blechformteilen
• Rückfederungskompensation und Kostensenkung und Qualitätsoptimierung im Karosseriebau

„Wir forschen und entwickeln fast ausschließlich zu Themen und in Bereichen, von denen wir überzeugt sind, dass wir die Ergebnisse auch wirklich kurz- und mittelfristig nutzbringend auf die Straße bringen können“

• Sensor-/Aktorsysteme und deren Technologien
• Hochauflösende generative Fertigungsverfahren
• Multiphysikalische Modellierung und Simulation

„Die Freiheit zu forschen ist eine notwendige Bedingung für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn und dient damit dem individuellen und gesellschaftlichen Wachstum.“

• Modellierung und Simulation von Strömung und Transport in porösen Medien
• Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics)
• Anwendungsfelder u.a.: Aerosolfiltration, topologieoptimierte Mikroplastik- und Hydraulikfilter, Katalysatoren, Medizintechnik, SARS-CoV-2-Schutzmasken, Feinstaubdeposition in den Atemwegen, Dosieraerosolhilfen für Asthmamedikamente

„Der Freiraum, den mir die Einführung der Forschungsprofessur an der HHN bietet, um meine Forschungspläne umzusetzen, ist genial. Ich finde es toll, dass ich mich so mit noch mehr Einsatz meiner Lieblingsbeschäftigung widmen kann.“

• Optische Sensorik
• Radarsensorik
• Sensordatenauswertung mittels Maschinellem Lernen und/oder cloudbasierter Werkzeuge

„Mein Forschungsteam und ich wollen mit Leidenschaft, Kreativität, Umsicht und Ausdauer neue Wege in Sensorik und der Sensordatenauswertung zum Wohle unsere Gesellschaft erschließen."

• Simulation dünner fluider Schichten
• Potential- und Variationsmethoden
• Biomechanik und Beschichtungstechnologie

„Abseits ausgetretener Pfade warten verborgene Wege darauf, entdeckt zu werden. Mein Ziel ist es, sie nutzbar zu machen!“

• Elektromagnetische Energiewandler
• Magnetische Sensortechnik
• Magnetische Werkstoffprüfung
• Analytische und numerische Berechnungsmethoden/Simulationstechniken

“Nothing is too wonderful to be true, if it be consistent with the laws of nature; and in such things as these, experiment is the best test of such consistency”. Dieses Zitat von Michael Faraday entspricht meiner persönlichen Einstellung und Motivation zur angewandten Forschung und Entwicklung.

• Nitrieren/Nitrocarburieren rostfreier Edelstähle und stark umgeformter Bauteile
• Wärmebehandlung Stahl (Bainitisieren T < Ms)
• Werkstoff- und tribologische Untersuchungen an Zahnrädern
• Physikalische Metallurgie des Schweißens

"Fortschritte in der Werkstofftechnik und -wissenschaft haben eine hohe Relevanz für die industrielle Anwendung, da hier Potentiale für wichtige Themen wie Innovationkraft und Konkurrenzfähigkeit umgesetzt werden können. Werkstoffe haben zudem eine gesellschaftliche Bedeutung in der Beantwortung der Frage, wie Energieeinsparung, CO2-Reduktion und Ressourcenschonung umgesetzt werden können. Im Rahmen meiner Forschungsprofessur können diese Themen noch intensiver bearbeitet werden, als dies bisher möglich war."