Einzigartiges Netzwerk

THREAD ist ein einzigartiges Netzwerk von Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie aus Österreich, Belgien, Kroatien, Frankreich, Deutschland, Norwegen, Slowenien und Spanien, das junge Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler zusammenbringt.

THREAD – Promotionsprogramm der Europäischen Union

Modellierung und Simulation flexibler Strukturen für Industrieanwendungen

Im Rahmen des von der EU-geförderten Netzwerks für Doktorandinnen und Doktoranden »THREAD – Joint Training on Numerical Modelling of Highly Flexible Structures for Industrial Applications« arbeiten insgesamt 14 Nachwuchswissenschaftler/innen an zwölf Universitäten und Forschungseinrichtungen aus acht europäischen Ländern. Mit 3,6 Mio € fördert die EU in den kommenden vier Jahren diese Promotionsstellen und ein ganz besonderes Ausbildungsumfeld.

Das Institut für Mathematik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) koordiniert das Doktorandennetzwerk THREAD. Unser Institut sitzt an zentraler Stelle mit im Boot. Dr.-Ing. Joachim Linn aus unserem Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« wirkte entscheidend an der Konzeption von THREAD und der Zusammenstellung des Konsortiums mit.

Im Zentrum der Forschungsprojekte steht die Frage, wie sich dünne, flexible Strukturen wie Seile, Kabelbündel oder Schläuche künftig besser modellieren und im Computer simulieren lassen. Das Einsatzspektrum der entwickelten Simulationsmodelle reicht von Seilbahnen für Skilifte über Kabelbäume in der Automobiltechnik bis hin zu medizinischen Endoskopen oder Schläuchen für maritime Anwendungen, zum Beispiel auf Bohrinseln.

Systemsimulation verbessern

Entsprechende Simulationsmodelle und Software gibt es bisher nur für Strukturen mit einfachem elastischem Verhalten. Den oben genannten Beispielen gemeinsam ist deren Zusammensetzung aus einer Vielzahl von Teilkomponenten, die komplex miteinander wechselwirken. Beispiele sind Fasern im Textilgarn, Drähte in Stahlseilen, die Litzen in Kompositkabeln oder Kabelbündeln, oder die Textverstärkungen und Drahtarmierungen in Hydraulikschläuchen. Hier bestimmt die komplexe Interaktion der Teile ganz wesentlich das Verhalten des Ganzen. Mit den in THREAD erarbeiteten Ergebnissen soll es möglich sein, die komplexen Wechselwirkungseffekte besser zu verstehen und mit validen Simulationsmodellen für die industrielle Praxis nutzbar zu machen.

Kabelbaum
© Fraunhofer ITWM/fleXstructures
In der Automobilindustrie werden zuverlässige Simulationsmodelle, einschließlich effektiver Materialeigenschaften, benötigt, um das Verhalten von Kabeln und Kabelbäumen in der (De-)Montage und im Systembetrieb vorherzusagen.

Anwendungsrelevante Promotionsthemen und Industriepraxis erleben

Die in THREAD bearbeiteten Dissertationsthemen sind anwendungsnah, außerdem dürfen die Doktorandinnen und Doktoranden (»early stage reseachers«) ein dreimonatiges Praktikum bei einem der Industrieunternehmen absolvieren. Zu den zwölf Partnern aus der Wirtschaft gehört auch die fleXstructures GmbH, ein Spin-Off unseres Instituts, und die IPS AB, ein Spin-Off des Fraunhofer-Chalmers Centre FCC in Göteborg, das zusammen mit dem Fraunbofer ITWM die Software IPS Cable Simulation entwickelt.

Spinnen von Textilgarn
© Centexbel
Eine Herausforderung ist die Herstellung von technischen Textilien für medizinische Anwendungen oder von Composite-Vorformlingen mit Hilfe des 3D-Flechtprozesses, wobei die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Hunderten von Garnen ausreichend kontrolliert werden müssen, um das gewünschte Endlayout zu erzeugen.
Gastroskop mit zwei Arbeitskanälen
© Karl Storz
Gastroskop mit zwei Arbeitskanälen: Die Charakterisierung des mehrschichtigen Aufbaus medizinischer Endoskope ist von größter Bedeutung, um ihr Verformungsverhalten zu modellieren und die Navigation in engen gekrümmten Röhren im menschlichen Körper zu simulieren.
Drei-Kabel-System (3S) einer Seilbahn mit einem Zugseil und zwei Stützseilen
© Leitner AG
Drei-Kabel-System (3S) einer Seilbahn mit einem Zugseil und zwei Stützseilen: Genaue Strukturmodelle von Drahtseilen sind unerlässlich, um das Verhalten von Seilbahnen auf der Systemebene zu untersuchen.

Während der Promotion weiterbilden

Für die Nachwuchswissenschaftler/innen werden in THREAD auch spezielle Workshops zur Weiterbildung angeboten. Unser Institut legt den Schwerpunkt seiner Kurse auf die Messung von Kabeleigenschaften und auf die virtuelle Produktentwicklung mit unseren entwickelten Softwaretools zur Montageplanung und interaktiven Simulation flexibler Strukturen. Bei fleXstructures erfahren die Jungforschenden Details zu den verschiedenen Modulen der Simulationssoftware IPS und erproben sich an aktuellen Anwendungsbeispielen aus der Industrie.

Im Juli 2020 startet das Ausbildungsprogramm zudem mit einer Sommerschule zu den Themen »Grundlagen der Strahltheorie und flexible Mehrkörperdynamik« und »Parametrisierung von Rotationen« an der Universität Erlangen-Nürnberg.

Eine besondere Randbedingung für die Bewerberinnen und Bewerber auf die Promotionsstellen von THREAD besteht darin, dass sie innerhalb der drei Jahre unmittelbar vor ihrer Anstellung in dem jeweiligen Land nicht mehr als 12 Monate gelebt oder gearbeitet haben dürfen. THREAD will damit den internationalen Austausch und die Mobilität des wissenschaftlichen Nachwuchses fördern.

Geometrie eines Cosserat-Stabs
© Fraunhofer ITWM
Geometrie eines Cosserat-Stabs: Der theoretische Hintergrund hat seine Wurzeln in den sogenannten Stabtheorien, die seit den bahnbrechenden Arbeiten der Brüder Cosserat (1909) zu einem klassischen Thema in der Theoretischen Mechanik und der numerischen Simulation geworden sind. Die Theorie der Differentialgeometrie wird im gesamten Projekt als mathematisches Werkzeug für die Entwicklung konsistenter mechanischer Modelle und effizienter numerischer Algorithmen genutzt.

Ein starkes Netzwerk und Nachwuchs fördern

Ein klarer Vorteil besteht darüber hinaus in der Stärkung des bestehenden Netzwerkes. Die zwölf wissenschaftlichen Partner sind gemeinsam in Europa führend in der Modellierung und Simulation flexibler Mehrkörpersysteme. Ganz wichtig sei aber auch die Nachwuchsförderung: »Alle haben Interesse an gut ausgebildetem Nachwuchs; das gilt für die Industriepartner, die das Projekt unterstützen, wie für die wissenschaftlichen Projektpartner«, so Dr.-Ing. Joachim Linn.
 

THREAD-Doktorand Davide Manfredo

Seit 1. April 2020 ist Davide Manfredo unser neuer Doktorand im Rahmen des Programmes. Er hat seinen Master-Abschluss in Mathematik für Biowissenschaften an der Università di Trento, in Italien, gemacht. Nach seinem Bachelor-Abschluss in reiner Mathematik an der Università di Torino entschied er sich für die angewandte Mathematik. Während seiner akademischen Laufbahn hatte er zudem die Möglichkeit, in Frankreich und Thailand zu studieren und ein Praktikum in Spanien zu absolvieren, und dort bereits viele internationale Erfahrungen zu sammeln.

Dank seines Bachelor-Abschlusses kann er auf eine solide Basis an reiner Mathematik zurückgreifen, während seines Master-Abschlusses spezialisierte er ich sich dann auf numerische Analyse, Simulationen und Kodierung. Dabei konzentrierte er sich im Master-Abschluss mehr auf biomedizinische Anwendungen. Als Doktorand am Fraunhofer ITWM hat er dann u.a. mit Kabeln und Schläuchen zu tun. Im Zentrum der Forschungsprojekte von THREAD steht die Frage, wie sich dünne flexible Strukturen wie Seile, Kabelbündel, Schläuche oder auch medizinische Geräte wie Endoskope künftig besser modellieren und im Computer simulieren lassen.

»Ich bin zuversichtlich, dass die Arbeit im THREAD-Projekt zweifellos nicht nur meine wissenschaftliche Kompetenz verbessern wird, sondern mir auch die Möglichkeit gibt, inspirierende Menschen zu treffen und neue Aspekte der Welt um mich herum zu entdecken,« so Manfredo.


Schwerpunkte und unterstützende Kolleginnen und Kollegen

Zu diesen neuen Menschen und neuen Kolleginnen gehört neben Joachim Linn auch Vanessa Dörlich. Sie ist bei Doktorandenbetreuung seitens des ITWM ebenfalls aktiv. Unser Schwerpunkt in THREAD ist die »Untersuchung und Modellierung der effektiven strukturmechanischen Eigenschaften von Kompositkabeln und Kabelbündeln«. Das ist Vanessa Dörlichs Fachgebiet und auch das Thema ihrer Dissertation.

Zudem ist Armin Bosten mit im Team. Er ist ebenfalls Doktorand, wenn auch nicht im THREAD-Programm und wird gemeinsam mit Prof. Olivier Brüls (Universität Lüttich (ULg) (französisch: Université de Liège)) betreut. Er promoviert mit einem Promotionsstipendium des ITWM. Allerdings ist sein Promotionsthema die Detailmodellierung von Kabelbündeln und ergänzt damit andere Promotionsarbeiten in THREAD und UrWerk.