Ingeniería de materiales computacionales integrados
La Ingeniería de Materiales Computacional Integrada (ICME) 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. Las palabras clave son "Integrado", que implica la integración de modelos en múltiples escalas de longitud, e " Ingeniería ", que significa utilidad industrial. El enfoque está en los materiales, es decir, comprender cómo los procesos producen estructuras de materiales , cómo esas estructuras dan lugar a propiedades de 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 el modelado de materiales a múltiples escalas [3] para capturar el proceso-estructuras-propiedades-rendimiento de un material.
Normalización en ICME
Un requisito fundamental para cumplir con el ambicioso objetivo de ICME de diseñar materiales para productos o componentes específicos es una descripción computacional integradora e interdisciplinaria de la historia del componente comenzando desde la condición inicial sólida de una fase de gas o de fusión homogénea, isotrópica y libre de tensión y continuando a través de pasos de procesamiento posteriores y finalmente terminando en la descripción del inicio de la falla bajo carga operativa. [2] [4]
La ingeniería de materiales computacional integrada 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, la ingeniería de materiales computacionales integrada 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 la ingeniería de materiales computacionales integrada en aplicaciones industriales mediante la definición de un estándar de comunicación común para las herramientas relevantes de la ingeniería de materiales computacionales integrada. [5] [6]
Normalización del intercambio de información
Los esfuerzos por generar un lenguaje común mediante la estandarización y generalización de los formatos de datos para el intercambio de resultados de simulación representan un paso obligatorio de gran importancia para el éxito de las futuras aplicaciones de ICME. Un futuro marco estructural para ICME que comprenda una variedad de herramientas de simulación académicas y/o comerciales que operen en diferentes escalas y estén interconectadas de forma modular mediante un lenguaje común en forma de intercambio de datos estandarizado permitirá la integración de diferentes disciplinas a lo largo de la cadena de producción, que hasta ahora apenas han interactuado. Esto mejorará sustancialmente la comprensión de los procesos individuales al integrar el historial de componentes que se origina en los pasos anteriores como condición inicial para el proceso real. Finalmente, esto conducirá a escenarios de producción y procesos optimizados y permitirá una adaptación eficaz de materiales específicos y propiedades de componentes. [7]
El proyecto ICMEg y su misión
El proyecto ICMEg [8] tiene como objetivo crear una red científica de partes interesadas que se centre en impulsar la aplicación industrial de ICME mediante la definición de un estándar de comunicación común para las herramientas pertinentes de ICME. En última instancia, esto permitirá que las partes interesadas de las comunidades electrónica, atomística, mesoscópica y de continuos se beneficien del intercambio de conocimientos y mejores prácticas y, de este modo, promuevan un entendimiento más profundo 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 un entendimiento más profundo entre las diferentes comunidades (académicas e industriales), cada una de las cuales utiliza 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 de ICMEg.
La misión del ICMEg es
Establecer y mantener una red de contactos con proveedores de software de simulación, autoridades de normalización gubernamentales e internacionales, 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.
para discutir y decidir sobre futuras modificaciones a la norma inicial
Las actividades del ICMEg incluyen:
Organización de talleres internacionales sobre soluciones de software para la ingeniería de materiales computacionales integrados [9]
Realización de un estudio de mercado y una encuesta sobre el software de simulación disponible para ICME [8]
Crear y mantener un foro para compartir conocimientos en el ICME [8]
El proyecto ICMEg finalizó en octubre de 2016. Sus principales resultados son:
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 que se están iniciando en el proyecto ICMEg las continúa el Consejo Europeo de Modelado de Materiales y 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 en un período de tiempo y duración específicos:
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 el modelado de la plasticidad cristalina para metales, soluciones de Eshelby para cualquier material, métodos de homogeneización y métodos de celdas unitarias.
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 fases de transiciones de fase y formación y evolución de microestructuras en escalas de nanómetros a milímetros.
Nanoescala: se utilizan métodos atomísticos semiempíricos como Lennard-Jones, potenciales de Brenner, potenciales del método de átomos incrustados (EAM) y potenciales de átomos incrustados modificados (MEAM) en formulaciones de dinámica molecular (MD), estática molecular (MS), Monte Carlo (MC) y Monte Carlo cinético (KMC).
Escala electrónica: Las ecuaciones de Schrödinger se utilizan en un marco computacional como modelos de teoría funcional de la densidad (DFT) de orbitales electrónicos y enlaces en escalas de angstroms 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 extraer correlaciones en varias escalas de longitud.
GeoDict - El laboratorio de materiales digitales de Math2Market
VPS-MICRO es un software de mecánica de fracturas probabilística 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; un modelo de campo de fase luego utiliza esto para predecir la formación y el desarrollo de la estructura, que luego se puede 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 la microestructura son las condiciones iniciales y de contorno. Si bien las condiciones de contorno 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) involucran todo el historial integrado del proceso comenzando desde la fusión homogénea, isotrópica y libre de tensión. Por lo tanto, para un ICME exitoso, es obligatorio un intercambio eficiente de información a lo largo de toda la cadena de proceso y en todas las escalas de longitud relevantes. Los modelos que se combinarán para este propósito comprenden herramientas de modelado académicas y/o comerciales 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 estandarizada y modular. [5] Una primera realización de este concepto es AixViPMaP®, la Plataforma Virtual de Aachen para Procesamiento de Materiales.
Los modelos de proceso calculan la distribución espacial de las características de la estructura, por ejemplo, la densidad y la orientación de las fibras en un material compuesto ; los modelos a pequeña escala calculan luego las relaciones entre la estructura y las propiedades, para su uso en modelos continuos del comportamiento general de la pieza o del sistema.
Los modelos a gran escala se acoplan explícitamente por completo con los modelos a pequeña escala, por ejemplo, una simulación de fractura podría integrar un modelo de mecánica de sólidos continuos de deformación macroscópica con un modelo FD de movimientos atómicos en la punta de la grieta.
Los conjuntos de modelos (de gran escala, de pequeña escala, de escala atómica, de estructura de proceso, de 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 computacional de materiales 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 se diseñaron y desarrollaron utilizando metodologías ICME.
El modelo de plasticidad-daño de la variable de estado interno (ISV) de la Universidad Estatal de Mississippi (DMG) [13] desarrollado por un equipo dirigido por el profesor Mark F. Horstemeyer (fundador de Predictive Design Technologies) se ha utilizado para optimizar el diseño de un brazo de control de Cadillac, [14] la cuna del motor de un Corvette, [15] y una tapa de cojinete de motor de acero en polvo. [16]
ESI Group, a través de sus soluciones ProCast y SYSWeld, utiliza soluciones comerciales de elementos finitos en entornos de producción por parte de importantes fabricantes de los sectores aeroespacial, automotriz y gubernamental para simular cambios de fase de materiales locales en metales antes de la fabricación. PAMFORM se utiliza para realizar un seguimiento de los cambios de materiales durante la simulación de fabricación de conformado de compuestos.
Educación
Katsuyo Thorton anunció en la reunión del Comité Técnico ICME de MS&T de 2010 que la 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. El primer curso de Ingeniería de Materiales Computacionales Integrados (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 aprendizaje a distancia incluidos [cf, Sukhija et al., 2013]. Más tarde se enseñó en 2013 y 2014 en la MSU también con estudiantes de aprendizaje a distancia. En 2015, el Curso ICME fue impartido por el Dr. Mark Horstemeyer (MSU) y el Dr. William (Bill) Shelton (Universidad Estatal de Luisiana, LSU) con estudiantes de cada institución a través del 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 para realizar simulaciones y procedimientos de conexión para cuantificar las relaciones entre la estructura y las propiedades de los materiales en múltiples escalas de longitud. Al completar con éxito los proyectos asignados, los estudiantes publicaron sus resultados de aprendizaje de modelado multiescala en la Wiki de ICME, lo que facilitó la evaluación de los logros de los estudiantes y adoptó las cualidades establecidas por la junta de acreditación de ingeniería de ABET.
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Enlaces externos
Sección ICME de Tecnología de Materiales @ TMS
[Avances en la implementación del ICME: conceptos y prácticas” en la edición de mayo de 2017 (vol. 69, núm. 5) de JOM https://link.springer.com/journal/11837/69/5]
Ciberinfraestructura para ICME en la Universidad Estatal de Mississippi
