Exzellenzstrategie für Spitzenforschung

Zwei Exzellenzcluster, um die sich die Universität im Rahmen der Exzellenzstrategie zur Stärkung der Spitzenforschung in Deutschland beworben hat, wurden für die kommenden sieben Jahre zur Förderung ausgewählt. Durchsetzen konnten sich die Cluster „Daten-integrierte Simulationswissenschaften“ und „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“.

Prof. Dr. Wolfram Ressel, Rektor der Universität Stuttgart kommentiert zufrieden: „Der Erfolg von gleich zwei Clustern in einem extrem harten Wettbewerb würdigt die erfolgreiche Entwicklung der Verbundforschung der Universität Stuttgart sowie die in den zurückliegenden Jahren aufgebauten Kompetenzen auf den Feldern der Simulationstechnologien sowie Architektur und Adaptives Bauen. Mit diesem Erfolg im Rücken und der strategischen Ausrichtung des Forschungsprofils auf das Ziel ‚Intelligente Systeme für eine zukunftsfähige Gesellschaft‘ gehen wir nunmehr gestärkt in den Wettbewerb um den Titel ‚Exzellenzuniversität‘. Ich danke allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wie auch allen anderen am Antragsverfahren Beteiligten für ihr großes Engagement und ihren leidenschaftlichen Einsatz.“

Exzellenzcluster "Daten-integrierte Simulationswissenschaft":

Simulation in Zeiten von Data Science

Das Exzellenzcluster "Daten-integrierte Simulationswissenschaft zielt angesichts der vielen Daten, die heute aus verschiedenen Quellen zur Verfügung stehen, auf eine neue Klasse von Modellierungs-und Berechnungsmethoden, die die Anwendbarkeit und Genauigkeit von Simulationen sowie die Verlässlichkeit der darauf basierenden Entscheidungen auf eine neue Stufe heben.

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Analyse großer Datenmengen mittels der großformatigen Powerwall am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart.Universität Stuttgart/Visus
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Simulationen haben sich zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Forschung und Entwicklung in vielen unterschiedlichen Gebieten entwickelt. Sie tragen entscheidend zum technologischen Fortschritt bei. Seit 2007 hat das Exzellenzcluster "Simulation Technology" (SimTech) an der Universität Stuttgart die Simulationswissenschaften hinsichtlich Modellen, Methoden und Computing-Aspekten aus Ingenieursperspektive in großer Breite und Tiefe vorangetrieben und diese mit seinem interdisziplinären und methodischen Profil als international sichtbaren Forschungsschwerpunkt etabliert. Dessen Forschungsergebnisse und -Erfolge kann die Universität Stuttgart nun in eine neue Richtung weiterentwickeln.

"Mit daten-integrierter Simulation führen wir an der Universität Stuttgart ein neues Paradigma in der Simulationswissenschaft ein", erklärt Prof. Thomas Ertl, der Sprecher des Exzellenzclusters. "Mit den klassischen Ansätzen stoßen wir bei der Simulation hochkomplexer Phänomene, zum Beispiel im Umweltbereich, bei digitalen Menschmodellen oder bei neuen Materialien an Grenzen, die wir nur durch eine ganzheitliche Integration aller zur Verfügung stehenden Daten überschreiten können. Wir sind überzeugt, dass die in SimTech entstehenden neuen Methoden Forschung und Entwicklung in vielen Wissenschaftsbereichen grundlegend verändern werden."

Vielzahl zukunftsweisender Forschungsfragen

Die Ausrichtung des Exzellenzclusters auf daten-integrierte Simulationswissenschaft steht für eine Vielzahl zukunftsweisender Forschungsfragen. Die vielen Daten, die heute aus Sensormessungen, Datenerhebungen, Experimenten und Simulationen zur Verfügung stehen, bieten neue und immer bedeutender werdende Möglichkeiten, Erkenntnisse zu gewinnen. Reine Datenanalysemethoden sind aber oft schwer nachvollziehbar und können bisher meist keine physikalischen Randbedingungen berücksichtigen. Tiefes Verständnis komplexer Systeme kann jedoch nur auf Basis naturwissenschaftlicher Prinzipien erzielt werden.

Daher wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Daten, die sie aus unterschiedlichen Quellen extrahieren können, systematisch in den Modellierung-Simulation-Analyse-Zyklus integrieren. Ihr Forschungsziel ist eine neue Klasse von sowohl simulations-, als auch datengetriebenen Ansätzen, die die Anwendbarkeit und Genauigkeit von Simulationen sowie die Verlässlichkeit der darauf basierenden Entscheidungen auf eine neue Stufe heben. Im Fokus stehen dabei insbesondere die Simulation von Mehrphasenströmungen, von porösen Materialien und von mechanischen Strukturen und biologischen Systemen, aber auch übergreifende Aspekte aus dem maschinellen Lernen, der Analyse von Unsicherheiten und aus adaptiven und ubiquitären IT-Infrastrukturen.

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Exzellenzcluster "Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur": Neues Denken für die gebaute Umwelt

Das Exzellenzcluster "Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur" setzt auf das volle Potential digitaler Technologien, um das Planen und Bauen neu zu denken und durch einen systematischen, ganzheitlichen und integrativen computerbasierten Ansatz wegweisende Innovationen für das Bauschaffen zu ermöglichen.

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Das Cluster „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ zielt auf methodische Grundlagen für eine umfassende Modernisierung des Bauschaffens. Abbildung: Universität Stuttgart / ICD
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87 Prozent seiner Zeit verbringt der Mensch in Gebäuden und der Raumbedarf nimmt ständig zu. Weltweit sind in den nächsten 35 Jahren neue städtische Bauten für 2,6 Milliarden Menschen zu schaffen. Doch die Produktivität der Bauindustrie stagniert seit Jahrzehnten, und bereits heute konsumiert der Bausektor mehr als 40 Prozent der globalen Ressourcen und Energie. Neue Ansätze für das Planen und Bauen sind dringend gefragt. Eine Lösung versprechen die digitalen Technologien, doch aufgrund der Kleinteiligkeit der Bauindustrie und einer zergliederten Forschungslandschaft führen diese bisher nur isoliert und sehr langsam zu Verbesserungen. Das Exzellenzcluster hat sich daher vorgenommen, das Planen und Bauen neu zu denken und setzt dabei auf einen ganzheitlichen computerbasierten Ansatz. Cluster-Sprecher Prof. Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung der Universität Stuttgart, zu den Zielen des Clusters: "Architektur ist von zentraler Bedeutung für unsere Gesellschaft. Das Bauschaffen steht aber vor enormen, ökologischen, ökonomischen und sozialen Herausforderungen. Wir wollen durch einen integrativen und interdisziplinären Forschungsansatz das volle Potential digitaler Technologien erschließen, um die Grundlagen für wegweisende Innovationen und ein zukunftsfähiges Planen und Bauen zu schaffen."

Übergeordnetes Co-Design

Eine zentrale Zielsetzung ist die Entwicklung einer übergeordneten Methodologie des "Co-Designs" von Methoden, Prozessen und Systemen, basierend auf interdiszipilinärer Forschung zwischen den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen, Ingenieursgeodäsie, Produktions-und Systemtechnik, Informatik und Robotik, sowie Sozial-und Geisteswissenschaften. Im Zentrum der Forschung steht die Frage, wie sich neue digitale Technologien nicht allein für die Optimierung bestehender Prozesse und Systeme einsetzen lassen, sondern wie neuartige Entwurfs-, Planungs-, Fertigungs- und Bauansätze entwickelt werden können.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwarten umfassende Lösungswege für die ökologischen, ökonomischen und sozialen Herausforderungen, die durch inkrementelle (schrittweise) Ansätze nicht zu meistern sind. Damit wollen sie vor Voraussetzungen für eine qualitätsvolle, lebenswerte und nachhaltig gebaute Umwelt sowie für eine digitale Baukultur schaffen. Ebenso soll die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im global größeren Industriebereich gestärkt werden. Stützen könnne sie sich dabei auf die langjährige Vorreiterrolle und internationale Sichtbarkeit der Universität Stuttgart in Architektur und Bauingenieurwesen. Insbesondere fließen die Ergebnisse des DFG-Sonderforschungsbereichs SFB 1244 (Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaue Umwelt von morgen, Sprecher Prof. Werner Sobek) sowie des auslaufenden transregionalen Sonderforschungsbereich SFB-TR 141 (Entwurf-und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur, Sprecher Prof. Jan Knippers) in die künftige Forschung ein.

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Bisherige Erfolge in der Exzellenzinitiative

Mit der Exzellenzinitiative stärken Bund und Länder exzellente Hochschulen in Deutschland, um sie im internationalen Wettbewerb für Studierende, Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen attraktiver zu machen. Die Universität Stuttgart hat sich in der ersten (2007-2012) und zweiten (2012-2017) Förderphase erfolgreich dem Exzellenzwettbewerb gestellt. Seit November 2007 fördert die Exzellenzinitiative an der Universität den Exzellenzcluster "Simulation Technology" (SimTech) und die Graduiertenschule "Advanced Manufacturing Engineering" (GSaME).

Die derzeitigen Exzellenzprojekte im Kurzprofil

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Abgleich von Simulationsdaten und real beobachteten Größen (c) David Ausserhofer
Abgleich von Simulationsdaten und real beobachteten Größen

Simulationstechnologien sind im 21. Jahrhundert unentbehrlich geworden und durchdringen alle Bereiche des Lebens. Simulationen werden etwa genutzt, um neue Materialien zu entwickeln, Umwelttechnik sicherer zu machen oder komplexe Fragen der Biomechanik zu beantworten.
Im Exzellenzcluster SimTech wollen Forschende Computersimulationen leistungsfähiger, Vorhersagen zuverlässiger und Visualisierungen noch präziser machen. Dazu bündeln die über 200 beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bisher nur isoliert entwickelte Simulationsmodelle und -methoden zu einer ganzheitlichen Systemwissenschaft. Mit diesem einzigartigen Ansatz beschreiten die Ingenieure, Mathematiker, Informatiker, Naturwissenschaftler sowie Geistes- und Sozialwissenschaftler in SimTech gemeinsam neue Wege auf dem Forschungsgebiet der Modellierung komplexer Probleme und der Computersimulation. Seit der Gründung des Exzellenzclusters ist es den SimTech-Mitgliedern gelungen, die Simulation neben Theorie und Experiment als dritte Säule der Wissenschaft zu etablieren. „Nach mittlerweile fast zehn Jahren interdisziplinärer SimTech-Forschung stellen wir nicht ohne Stolz fest, dass es uns gelungen ist, ein durchgängiges Ausbildungsprogramm vom Gymnasium bis zur Professur aufzubauen“, sagt der Koordinator SimTech-Clusters, Prof. Wolfgang Ehlers. „Auch durch unsere erfolgreichen Nachwuchswissenschaftler hat sich die Methode der Simulation inzwischen in vielen Disziplinen etabliert.“
Die Arbeitsgebiete der SimTech-Forschenden reichen von der Molekularsimulation und der modernen Mechanik über die Systemanalyse und die numerische Mathematik bis hin zu Datenmanagement und hybriden Höchstleistungsrechnersysteme. Zum interdisziplinären Konzept von SimTech gehört, dass die beteiligten Geistes- und Sozialwissenschaftler zeitnah die erforschten Phänomene reflektieren und einordnen.

Exzellente Bedingungen für den wissenschaftlichen Nachwuchs

Herausragenden jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eröffnet der Exzellenzcluster SimTech interessante Perspektiven:

  • Der innovative Elitestudiengang Simulation Technology wird seit 2011 auf Bachelor- und Masterebene angeboten.
  • Eine eigene Graduiertenschule mit aktuell 150 Doktorandinnen und Doktoranden bietet ein strukturiertes Promotionsprogramm, schafft eine Plattform für interdisziplinären Austausch und Zusammenarbeit und unterstützt Forschungsaufenthalte im Ausland.
  • Etliche PostDoc-Stellen und Juniorprofessuren wurden eingerichtet.
  • Enge Forschungskontakte in die Industrie über das Industrial Consortium SimTech e. V. stellen dem wissenschaftlichen Nachwuchs attraktive Karrieremöglichkeiten in Aussicht.

Themenheft Simulations-technologie

Exzellenzinitiative-GSaME (c)
Exzellenzinitiative-GSaME

Die Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering (GSaME) ist eine interdisziplinäre Forschungs-, Qualifizierungs- und Innovationseinrichtung in der Promotionsphase. Sie sichert jungen Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Betriebswirtschaft optimale Promotionsbedingungen, orientiert an zukünftigen Fach- und Führungsaufgaben an einer Universität oder in der Industrie. Mit ihrer Forschung leisten die Promovierenden einen Beitrag, die wissenschaftlichen Grundlagen der Produktionsgestaltung zu erarbeiten, industrielle Produktion in Zeiten von Globalisierung und Digitalisierung zu beherrschen und die Fabriken der Zukunft zu gestalten.

Thematisch konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten auf folgende Cluster:

  • Strategien und Methoden der nachhaltigen Fabrikentwicklung
  • Management vernetzter globaler Produktion
  • Informations- und Kommunikationstechnologien für die Produktion
  • Betriebsmittel und Service Engineering
  • Material- und Prozessengineering
  • Intelligente Produktionseinrichtungen

Die GSaME-Doktorandinnen und -Doktoranden gehen etwa der Frage nach, wie Produktion agil, flexibel und ressourceneffizienter gestaltet werden kann, wie sich Wertschöpfungsketten zu Wertschöpfungsnetzwerken verändern oder wie sich innovative Fertigungstechnologien nutzen lassen, um Produkte in einer Massenproduktion zu individualisieren.

Forschung in Wissenschaft und Industrie

In Kooperation mit namhaften Unternehmen des Automobilbaus, der Elektrotechnik oder des Maschinenbaus sowie mit Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft setzt die GSaME das duale Prinzip in der Promotionsphase um. Durch die Verbindung von Grundlagen- und angewandter sowie industrieller Forschung mit spezifischer Qualifizierung können sich Promovierende praxisrelevantes Wissen aneignen und überfachliche sowie industrierelevante Kompetenzen erwerben.
Die GSaME integriert mehr als 30 Institute der Universität Stuttgart und kooperiert mit internationalen Partnern aus der Wissenschaft. Während der internationalen Summer School, auf Jahrestagungen und zahlreichen Kolloquien können sich die GSaME-Promovierenden fachlich austauschen und ein Netzwerk aufbauen.

Rückblick auf erfolgreiche Jahre

Die anhaltende Attraktivität der Graduiertenschule für Promovierende, ihre wissenschaftliche Ausstrahlung, die erfolgreichen Promotionen und Berufswege der Absolventen und Absolventinnen wie auch Unternehmensgründungen bestätigen das einzigartige GSaME-Grundkonzept von Praxisrelevanz und wissenschaftlicher Qualität. Die Erfolge der GSaME auf einen Blick:

  • 145 Forschungsprojekte
  • mehr als 470 Publikationen und Konferenzbeiträge
  • 28 Preise und Auszeichnungen
  • 37 abgeschlossene Promotionen

Kontakt

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Prof. Dr.

Thomas Ertl

Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs