Towards the digital twin of a permanent magnet

Permanentmagnete sind eine kritische Komponente von Elektromotoren und Generatoren in einem breiten Anwendungsspektrum. Das schnelle Wachstum der Windkraft- und Elektromobilitätssektoren hat zu einer stark gestiegenen Nachfrage nach hochleistungsfähigen Permanentmagneten auf Nd-Fe-B-Basis geführt. Begrenzte globale Ressourcen an Seltenerdelementen erfordern die Entwicklung reduzierter oder seltenerdfreier Permanentmagnete. Das Ziel dieses Projekts ist es einen digitalen Zwilling von seltenerdfreien MnAl-C-Permanentmagneten herzustellen. Dies erfordert eine vollständige, quantitative Beschreibung der Mikrostruktur in drei Dimensionen und detaillierte Kenntnisse über die Rolle der verschiedenen Komponenten der Mikrostruktur bei der Bestimmung der magnetischen Eigenschaften. Diese Informationen bilden die Grundlage für mikromagnetische Simulationen der magnetischen Eigenschaften auf der Grundlage realistischer, simulierter Mikrostrukturen. Der digitale Zwilling wird evaluiert, indem er in der Simulation einer bestimmten Magnetfeldhistory ausgesetzt wird und die Ergebnisse mit dem Experiment verglichen werden. Mit Hilfe von maschinellem Lernen wird der Zusammenhang von Experiment und Simulation hergestellt und ein realistisches Modell von MnAl-C Magneten erzeugt. Die Erstellung des digitalen Zwillings eines Permanentmagneten liefert wichtige Beiträge zur Digitalisierung der Materialwissenschaft, zur ökologischen Nachhaltigkeit, zu sauberer Energie und Elektromobilität.

Vom 15. bis 18. September 2024 fand in Graz, Österreich, das 21. Internationale IGTE-Symposium 2024 zu Computational Methods in Electromagnetics and Multiphysics statt. Markus Gusenbauer nahm am Minisymposium zu Micro-to Macroscopic Hysteresis Modeling teil und hielt einen Vortrag mit dem Titel "Machine Learning-Enhanced Modelling of Large Magnetic Systems". Er demonstrierte die Machbarkeit des Einsatzes von maschinellem Lernen zur Untersuchung experimentell gemessener Materialproben. Durch die Überwindung der Längenskalenbeschränkungen mikromagnetischer Simulationen können makroskopische Hystereseeigenschaften im Submillimeterbereich gewonnen werden. Die lokale Koerzitivfeldstärke wird mit einem vortrainierten maschinellen Lernmodell vorhergesagt. In Kombination mit berechneten Wechselwirkungsfeldern und einem analytisch bestimmten reversiblen Anteil unter Verwendung des Stoner-Wohlfarth-Modells kann die makroskopische Entmagnetisierungskurve berechnet werden.

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TU Graz

Stefan Stanciu präsentiert die Arbeit "Machine Learning assisted interface analysis in MnAl-C" auf dem Materials Science and Engineering Congress 2024 (MSE2024), der vom 24. bis 26. September 2024 in Darmstadt stattfindet. In dieser Studie nutzen wir eine umfassende Datenbank mit Ergebnissen aus zahlreichen Simulationsläufen für eine Vielzahl von kristallographischen Zwillingsszenarien. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ergebnisse nur dann signifikant abweichen, wenn die Größe des Datensatzes auf weniger als 10% der ursprünglichen Größe reduziert wird. Dies bedeutet, dass es möglich ist, nur einige wenige externe Feldrichtungen in Bezug auf die Zwillingsgrenzfläche zu untersuchen, um eine vollständige Beschreibung der Koerzitivfeldverteilung bestimmter Zwillingsgrenzflächen zu erhalten. Für weitere Details klicken Sie auf die vollständige Kurzbeschreibung.

Unsere aktuellsten Forschungsarbeiten wurden im Journal of Magnetism and Magnetic Materials unter dem Titel: "Micromagnetic study of grain junctions in MnAl-C containing intergranular inclusions" eingereicht. In dieser Arbeit haben wir die Koerzitivkraft in ein- und mehrkörnigen Systemen aus MnAl-C mit eingebetteten paramagnetischen und weichmagnetischen Einschlüssen quantifiziert. Am 3. Juli präsentierten wir die Arbeit  auf der International Conference on Magnetism 2024 (ICM2024) in Bologna.

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UWK Harald Özelt

Am 24. Mai 2024 von 17:00 bis 23:00 fand die Lange Nacht der Forschung  in ganz Österreich statt. An der Universität für Weiterbildung Krems waren wir mit dem Thema: “Saubere Technologien dank künstlicher Intelligenz: Wer findet den stärksten Magneten?” vertreten. Die Gäste konnten aktiv an der Forschung teilnehmen, indem sie verschiedene Phasenverteilungen und Kristallstrukturen von Magneten zeichneten. Eine von uns trainierte KI wertete die Zeichnungen aus und prognostizierte die Leistung der Magnete. Im Gespräch konnten wir die Notwendigkeit der Magnetfoschung in unterschiedlichsten Fragestellungen für eine nachhaltige und klimafreundliche Energiewende aufzeigen.

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UWK Markus Gusenbauer

Von 4. bis 7. Juni 2023 fand das 13. Internationale Symposium “Hysteresis Modeling and Micromagnetics” (HMM 2023) in Wien statt (www.asc.tuwien.ac.at/hmm2023). Für das Projekt präsentierte Markus Gusenbauer ein Poster mit dem Titel "Magnetization reversal of large granular magnetic materials". Das Symposium war durch zahlreiche Experten im Bereich Mikromagnetismus vertreten. Es fand ein reger Austausch statt um neue Erkenntnisse zu vermitteln und Ideen auszutauschen.

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(c) TU Wien (Photographer: Matthias Heisler)

HMM_Poster_Markus.pdf

Am 11.5.2023 wurde der Vortrag “Multiscaling strategies in computational magnet design” bei der “Going Green CARE INNOVATION 2023” in Wien präsentiert . Dabei konnten Teile des Projekts einem größeren Publikum vorgestellt werden.  Auf dem Programm standen unter anderem die neuesten Entwicklungen in den Bereichen Kreislaufwirtschaft, saubere Produktion, Ressourceneffizienz, Klimawandel und vieles mehr, die von führenden Experten aus Industrie, Wissenschaft und dem öffentlichen Bereich aus aller Welt vorgestellt wurden. Der Vortrag wurde im Rahmen eines gemeinsamen Workshops mit dem Titel “Interdisciplinary team up to escape the rare earth trap” präsentiert. Das Team besteht aus dem Erich Schmid Institute of Materials Science of the Austrian Academy of Sciences in Leoben,  der Johannes Kepler Universität Linz und der Universität für Weiterbildung Krems. Die Idee des Workshops war die Verbindung von Materialwissenschaftlern, Ingenieuren und Sozialwissenschaftlern, um von der interdisziplinären Zusammenarbeit bei der Suche nach den nachhaltigsten Lösungen für das magnetische Materialdesign zu profitieren.

Online-Aufzeichnung des kompletten Workshops

Am 31. August 2022 hat Harald Özelt einen Vortrag auf der CMAM 2022 (Computational Methods in Applied Mathematics) in Wien gehalten. Titel des Vortrags war: “Machine learning as building block for macromagnetic simulations”.

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TU Wien (Photographer: Matthias Heisler)

Markus Gusenbauer hat am 26. Juli 2022 einen Vortrag auf der JEMS2022 gehalten mit dem Titel: “Coercivity analysis of twin boundaries”. Der Beitrag war virtuell auf der hybriden Veranstaltung in Warschau, Polen, zu sehen (https://jems2022.pl).

Am 13. Juli 2022 haben wir einen Workshop auf der Jungen Uni am Campus Krems organisiert. Kinder zwischen 10 und 13 Jahren lernten die Funktionsweise eines Elektromotors kennen. Sie konnten einen kleinen Elektromotor basteln und miterleben, wie sich die Stärke eines Magneten auf die Leistung eines Motors auswirkt. Thomas Schrefl, Harald Özelt und Markus Gusenbauer waren die betreuenden Forscher auf dem Workshop.

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IMC Krems (Photographer: Atelier Schulte)

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IMC Krems (Photographer: Atelier Schulte)

Unsere gemeinsame Veröffentlichung ist ab dem 6. Juli 2022 online verfügbar:

Panpan Zhao, Markus Gusenbauer, Harald Oezelt, Daniel Wolf, Thomas Gemming, Thomas Schrefl, Kornelius Nielsch, Thomas George Woodcock; Nanoscale chemical segregation to twin interfaces in τ -MnAl-C and resulting effects on the magnetic properties, Journal of Materials Science & Technology (2022)

Kurzbeschreibung:

In dieser Studie wurde die aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit der Elektronenenergieverlustspektroskopie (STEM-EELS) verwendet, um die atomistische Struktur und die chemische Zusammensetzung von echten und geordneten Zwillingsgrenzen in ferromagnetischem τ-MnAl-C zu untersuchen. Echte Zwillinge und geordnete Zwillinge wurden anhand der Beugungsmuster im TEM unterschieden. An der kohärenten Grenze der echten Zwillinge wurde keine Elemententmischung beobachtet, aber an der inkohärenten Grenze der echten Zwillinge wurde eine Mn-Anreicherung in einem Bereich von etwa 1,5-2 nm festgestellt. Ein Übergangsbereich mit einer Mn-Anreicherung von etwa 4-6 nm Breite wurde an der kohärenten Zwillingsgrenze gefunden. Ein Kohlenstoffcluster mit einer Größe von etwa 5 nm wurde ebenfalls an der Zwillingsgrenze gefunden. Es wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt, um die Auswirkungen dieser chemischen Trennung an den Zwillingsgrenzen auf die magnetischen Eigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Koerzitivfeldstärke mit zunehmender struktureller und chemischer Unordnung an der Grenzfläche tendenziell zunimmt.

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UWK Markus Gusenbauer

Schaltfeld Hc visualisiert auf einer Globus-Einheitskugel eines echten Zwillingsmodells. Jeder farbige Punkt repräsentiert das Schaltfeld Hc einer Simulation mit der jeweils eindeutigen äußeren Feldrichtung. Das Simulationsmodell mit den jeweiligen magnetischen Vorzugsrichtungen und den Trennungsschichten ist in der rechten oberen Ecke dargestellt.

Am 20.5.2022 konnten wir Jung und Alt bei der Langen Nacht der Forschung 2022 begeistern. In einer Mitmachstation wurde der Einfluss von Dauermagneten auf die Elektromobilität demonstriert. Die InteressentInnen konnte mit einfachen Expirmenten herausfinden, welchen Einfluss Magnete auf die Leistung von Elektromotoren haben. Mit unserem Projekt konnten wir zeigen, wie wichtig es ist, Dauermagnete ohne kritische Seltene Erden zu entwickeln.

https://www.donau-uni.ac.at/de/aktuelles/veranstaltungen/2022/lange-nacht-der-forschung-2022.html

Am 25.4.2022 fand das erste virtuelle Kick-Off Meeting statt. Teilnehmer vom IFW Dresden waren Thomas G. Woodcock und Panpan Zhao. Von der UWK Krems nahmen Thomas Schrefl, Harald Özelt und Markus Gusenbauer teil. Das Hauptthema war die Diskussion über die nächsten Schritte, die Priorisierung des Arbeitsplans, alles mit dem Fokus auf die kommende Projektperiode. In WP1 und WP2 am IFW Dresden arbeiten wir nun an Möglichkeiten zur Erstellung von 3D-Informationen über Kornstrukturen sowie zur Analyse der Materialanreicherung einzelner Typen von Grenzflächen, wie z.B. Dreifachverbindungen. Im WP4, dem mikromagnetischen Teil an der UWK, werden die einzelnen Grenzflächen mit Verteilungen der Koerzitivfeldstärke analysiert. Parallel dazu werden wir an einer Toolchain arbeiten, um 3D-Mikrostrukturmessungen in Simulationsmodelle umzuwandeln. Kornstrukturstatistiken werden helfen, künstliche Mikrostrukturen zu erzeugen, die den experimentellen Messungen ähneln.

@ Details:

Auftraggeber:

FWF, Projekt: I 5266-N