La Ingeniería Computacional Integrada de Materiales (ICME) es un enfoque para diseñar productos, los materiales que los componen y sus métodos de procesamiento de materiales asociados vinculando modelos de materiales en múltiples escalas de longitud. Las palabras clave son "Integrado", que implica la integración de modelos en múltiples escalas de longitud, e " Ingeniería ", que significa utilidad industrial. La atención se centra en los materiales, es decir, en comprender cómo los procesos producen estructuras materiales , cómo esas estructuras dan lugar a las propiedades de los materiales y cómo seleccionar materiales para una aplicación determinada. Los vínculos clave son proceso-estructuras-propiedades-rendimiento. [1] El informe de las Academias Nacionales [2] describe la necesidad de utilizar modelos de materiales multiescala [3] para capturar el proceso, las estructuras, las propiedades y el rendimiento de un material.
Estandarización en ICME
Un requisito fundamental para cumplir el ambicioso objetivo ICME de diseñar materiales para productos específicos o. componentes es una descripción computacional integradora e interdisciplinaria de la historia del componente a partir de la condición inicial sólida de una masa fundida homogénea, isotrópica y libre de tensiones, respectivamente. fase de gas y continúa a través de pasos de procesamiento posteriores y finalmente termina en la descripción del inicio de la falla bajo carga operativa. [2] [4]
La Ingeniería Computacional Integrada de Materiales es un enfoque para diseñar productos, los materiales que los componen y sus métodos de procesamiento de materiales asociados mediante la vinculación de modelos de materiales en múltiples escalas de longitud. Por lo tanto, ICME requiere naturalmente la combinación de una variedad de modelos y herramientas de software. Por lo tanto, es un objetivo común construir una red científica de partes interesadas que se concentren en impulsar el ICME hacia su aplicación industrial mediante la definición de un estándar de comunicación común para las herramientas relevantes del ICME. [5] [6]
Estandarización del intercambio de información.
Los esfuerzos para generar un lenguaje común mediante la estandarización y generalización de formatos de datos para el intercambio de resultados de simulación representan un importante paso obligatorio hacia futuras aplicaciones exitosas de ICME. Un futuro marco estructural para ICME que comprenda una variedad de herramientas de simulación académica y/o comercial que operen en diferentes escalas y que sean modulares interconectados por un lenguaje común en forma de intercambio de datos estandarizado permitirá integrar diferentes disciplinas a lo largo de la cadena de producción, que ya tienen apenas interactuaban. Esto mejorará sustancialmente la comprensión de los procesos individuales al integrar la historia de los componentes que se originan en los pasos anteriores como condición inicial para el proceso real. Con el tiempo, esto conducirá a escenarios de producción y procesos optimizados y permitirá una adaptación eficaz de materiales y propiedades de componentes específicos. [7]
El proyecto ICMEg y su misión
El proyecto ICMEg [8] tiene como objetivo construir una red científica de partes interesadas que se concentren en impulsar el ICME hacia su aplicación industrial mediante la definición de un estándar de comunicación común para las herramientas relevantes del ICME. Con el tiempo, esto permitirá que las partes interesadas de las comunidades electrónica, atomística, mesoscópica y continua se beneficien del intercambio de conocimientos y mejores prácticas y, por lo tanto, promuevan una comprensión más profunda entre las diferentes comunidades de científicos de materiales, ingenieros de TI y usuarios industriales.
ICMEg creará una red internacional de proveedores y usuarios de simulación. [9] Promoverá una comprensión más profunda entre las diferentes comunidades (académica e industria), cada una de las cuales utiliza ahora herramientas/métodos y formatos de datos muy diferentes. La armonización y estandarización del intercambio de información a lo largo del ciclo de vida de un componente y en las diferentes escalas (electrónica, atomística, mesoscópica, continua) son la actividad clave del ICMEg.
La misión del ICMEg es
Establecer y mantener una red de contactos con proveedores de software de simulación, autoridades gubernamentales e internacionales de normalización, usuarios de ICME, asociaciones en el área de materiales y procesamiento, y el mundo académico.
Definir y comunicar un lenguaje ICME en forma de un protocolo de comunicación abierto y estandarizado.
Estimular el intercambio de conocimientos en el campo del diseño de materiales multiescala.
Identificar herramientas, modelos y funcionalidades faltantes y proponer una hoja de ruta para su desarrollo.
Discutir y decidir sobre futuras modificaciones de la norma inicial.
Las actividades del ICMEg incluyen
Organización de Talleres Internacionales sobre Soluciones de Software para Ingeniería Computacional Integrada de Materiales [9]
Realización de estudios de mercado y encuestas sobre el software de simulación disponible para ICME [8]
Crear y mantener un foro para compartir conocimientos en ICME [8]
El proyecto ICMEg finalizó en octubre de 2016. Sus principales resultados son
un manual de soluciones de software para ICME [10]
la identificación de HDF5 como un estándar de archivo de comunicación adecuado para el intercambio de información de microestructura en entornos ICME [11]
la especificación de una descripción de metadatos para microestructuras [12]
una red de partes interesadas en el área de ICME
La mayoría de las actividades iniciadas en el proyecto ICMEg son continuadas por el Consejo Europeo de Modelado de Materiales y en el proyecto MarketPlace.
Modelado multiescala en el procesamiento de materiales.
El modelado multiescala tiene como objetivo evaluar las propiedades o el comportamiento de los materiales en un nivel utilizando información o modelos de diferentes niveles y propiedades de procesos elementales. Por lo general, se reconocen los siguientes niveles, que abordan un fenómeno durante un período específico de duración y tiempo:
Mesoescala: las formulaciones de nivel continuo se utilizan con cantidades discretas en múltiples escalas micrométricas. "Meso" es un término ambiguo que significa "intermedio", por lo que se ha utilizado para representar diferentes escalas intermedias. En este contexto, puede representar modelado a partir de plasticidad cristalina para metales, soluciones de Eshelby para cualquier material, métodos de homogeneización y métodos de celda unitaria.
Microescala: técnicas de modelado que representan la escala micrométrica, como códigos de dinámica de dislocaciones para metales y modelos de campo de fases para materiales multifásicos. Modelos de campo de fase de transiciones de fase y formación y evolución de microestructuras en escalas de nanómetro a milímetro.
Nanoescala: se utilizan métodos atomísticos semiempíricos como Lennard-Jones, potenciales de Brenner, potenciales del método del átomo integrado (EAM) y potenciales de átomos integrados modificados (MEAM) en dinámica molecular (MD), estática molecular (MS), Monte Carlo ( MC) y formulaciones cinéticas Monte Carlo (KMC).
Escala electrónica: las ecuaciones de Schroedinger se utilizan en un marco computacional como modelos de teoría funcional de densidad (DFT) de orbitales de electrones y enlaces en escalas de angstrom a nanómetros.
Existen algunos códigos de software que operan en diferentes escalas de longitud como:
Bases de datos de parámetros de procesamiento, características de microestructura y propiedades a partir de las cuales se pueden establecer correlaciones en varias escalas de longitud.
GeoDict: el laboratorio de materiales digitales de Math2Market
VPS-MICRO es un software de mecánica de fracturas probabilísticas multiescala.
SwiftComp es un software de modelado constitutivo multiescala basado en la mecánica de la estructura del genoma.
Digimat es una plataforma de modelado de materiales multiescala
Una recopilación completa de herramientas de software relevantes para ICME está documentada en el Manual de soluciones de software para ICME [10].
El software de termodinámica computacional CALPHAD predice la energía libre en función de la composición; Luego, un modelo de campo de fase utiliza esto para predecir la formación y el desarrollo de estructuras, que luego se pueden correlacionar con las propiedades.
Un ingrediente esencial para modelar la evolución de la microestructura mediante modelos de campo de fase y otros códigos de evolución de microestructura son las condiciones iniciales y de contorno. Si bien las condiciones límite pueden tomarse, por ejemplo, de la simulación del proceso real, las condiciones iniciales (es decir, la microestructura inicial que entra en el paso del proceso real) implican toda la historia integrada del proceso, empezando por la masa fundida homogénea, isotrópica y libre de tensiones. Por lo tanto, para que ICME tenga éxito, es obligatorio un intercambio eficiente de información a lo largo de toda la cadena de procesos y en todas las escalas de longitud relevantes. Los modelos que se combinarán para este propósito comprenden herramientas de modelado académico y/o comercial y paquetes de software de simulación. Para agilizar el flujo de información dentro de esta variedad heterogénea de herramientas de modelado, recientemente se ha propuesto el concepto de una plataforma de simulación modular y estandarizada. [5] Una primera realización de este concepto es AixViPMaP®, la plataforma virtual de Aquisgrán para el procesamiento de materiales.
Los modelos de proceso calculan la distribución espacial de las características de la estructura, por ejemplo, la densidad y orientación de las fibras en un material compuesto ; Luego, los modelos a pequeña escala calculan las relaciones entre la estructura y las propiedades, para usarlas en modelos continuos del comportamiento general de una parte o del sistema.
Los modelos a gran escala se combinan explícitamente y completamente con modelos a pequeña escala, por ejemplo, una simulación de fractura podría integrar un modelo de mecánica sólida continua de deformación macroscópica con un modelo FD de movimientos atómicos en la punta de la grieta.
Conjuntos de modelos (a gran escala, pequeña escala, escala atómica, estructura de proceso, propiedades de estructura, etc.) se pueden integrar jerárquicamente en un marco de diseño de sistemas para permitir el diseño computacional de materiales completamente nuevos. Un líder comercial en el uso de ICME en el diseño de materiales computacionales es QuesTek Innovations LLC, una pequeña empresa en Evanston, Illinois, cofundada por el profesor Greg Olson de la Universidad Northwestern. Los aceros Ferrium® de alto rendimiento de QuesTek fueron diseñados y desarrollados utilizando metodologías ICME.
El modelo de daño por plasticidad (DMG) de la variable de estado interna (ISV) de la Universidad Estatal de Mississippi [13] desarrollado por un equipo dirigido por el Prof. Mark F. Horstemeyer (fundador de Predictive Design Technologies) se ha utilizado para optimizar el diseño de un control de Cadillac. brazo, [14] el soporte del motor Corvette, [15] y una tapa de cojinete del motor de acero en polvo. [dieciséis]
ESI Group, a través de ProCast y SYSWeld, son soluciones comerciales de elementos finitos utilizadas en entornos de producción por los principales fabricantes de organizaciones aeroespaciales, automotrices y gubernamentales para simular cambios de fase de materiales locales de los metales antes de la fabricación. PAMFORM se utiliza para rastrear los cambios de material durante la simulación de fabricación de conformado compuesto.
Educación
Katsuyo Thorton anunció en la reunión del Comité Técnico ICME de MS&T de 2010 que NSF financiaría una "Escuela de Verano" sobre ICME en la Universidad de Michigan a partir de 2011. Northwestern comenzó a ofrecer un Certificado de Maestría en Ciencias en ICME en el otoño de 2011. La primera El curso de Ingeniería Computacional Integrada de Materiales (ICME) basado en Horstemeyer 2012 [17] se impartió en la Universidad Estatal de Mississippi (MSU) en 2012 como un curso de posgrado con estudiantes de educación a distancia incluidos [cf, Sukhija et al., 2013]. Posteriormente se impartió en 2013 y 2014 en MSU también con estudiantes de educación a distancia. En 2015, el Curso ICME fue impartido por el Dr. Mark Horstemeyer (MSU) y el Dr. William (Bill) Shelton (Louisiana State University, LSU) con estudiantes de cada institución a través de aprendizaje a distancia. El objetivo de la metodología adoptada en este curso fue proporcionar a los estudiantes las habilidades básicas para aprovechar las herramientas computacionales y los datos experimentales proporcionados por EVOCD en la realización de simulaciones y procedimientos puente para cuantificar las relaciones estructura-propiedad de materiales en múltiples escalas de longitud. Al completar con éxito los proyectos asignados, los estudiantes publicaron sus resultados de aprendizaje de modelado multiescala en ICME Wiki, lo que facilitó la evaluación de los logros de los estudiantes y adoptó las cualidades establecidas por la junta de acreditación de ingeniería ABET.
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enlaces externos
Sección ICME de Tecnología de Materiales @ TMS
[Avances en la implementación de ICME: conceptos y prácticas” en la edición de mayo de 2017 (vol. 69, no. 5) de JOM https://link.springer.com/journal/11837/69/5]
Ciberinfraestructura para ICME en la Universidad Estatal de Mississippi
