Das Forschungsvorhaben ZellMat untersucht den Stofftransport durch Diffusion mit einem alternativen numerischen Konzept, der Methode der zellularen Automaten. Dabei wird das Diffusionsgebiet in Zellräume zerlegt, die jeweils bestimmte Zustände annehmen können. Zu jedem Zeitschritt treten die Zellräume mit den ihnen benachbarten Zellräumen nach bestimmten Regeln in Wechselwirkung (Bild 1).

Dieses Verfahren erlaubt eine Übertragung von Diffusionsprozessen auf praxisrelevante komplexe Situationen. Als Untersuchungsgegenstand sind innere Ausscheidungsvorgänge, wie die innere Nitrierung, die innere Oxidation und die Aufkohlung vorgesehen. Dabei handelt es sich um Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffdiffusion in metallischen Werkstoffen, die in Abhängigkeit vom thermodynamischen Gleichgewicht durch die Ausscheidung von Nitriden, Oxiden und Karbiden begleitet wird.

Eine realitätsnahe Simulation dieser Vorgänge wird nicht nur die Betriebssicherheit von Hochtemperaturbauteilen, wie z.B. Kraftwerkskomponenten, Flugzeugtriebwerke u.ä., erlauben; vielmehr kann sie eine zielgerichtete und präzise Steuerung von Wärmebehandlungsprozessen zur Festigkeitssteigerung, wie die Aufkohlung von Stählen, erlauben. Mit Hilfe thermogravimetrischer Messungen soll die Kinetik der Kohlenstoff-aufnahme von Stählen bei niedrigen Gasdrücken in Acetylen quantitativ erfasst werden. Diese Messungen sind erforderlich, um die Simulation mit Hilfe der zellularen Automaten zu verifizieren, die Identifikation und Anpassung von Diffusionsdaten zu ermöglichen und Anhaltswerte für das up-scaling auf die Prototypenfertigung zu generieren. Die dem Simulationswerkzeug "Zellulare Automaten" zugrunde liegenden Regeln können bei hinreichend präziser Abbildung der Diffusions- und Reaktionsmechanismen als Anpassparameter fungieren, so dass schließlich ein einfaches lernfähiges Expertensystem für den Einsatz in der Praxis zur Verfügung steht.