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. La atención se centra en los materiales, es decir, comprender cómo los procesos producen estructuras de materiales , cómo esas estructuras dan lugar a propiedades de los materiales y cómo seleccionar materiales para una aplicación determinada. Los vínculos clave son proceso-estructuras-propiedades-desempeño. [1] Informe de las Academias Nacionales [2]describe la necesidad de utilizar modelos de materiales multiescala [3] para capturar el proceso-estructuras-propiedades-desempeño de un material.
Estandarización en ICME
Un requisito fundamental para cumplir con el ambicioso objetivo del ICME de diseñar materiales para productos específicos resp. componentes es una descripción computacional integradora e interdisciplinaria de la historia del componente a partir de la sólida condición inicial de una masa fundida homogénea, isotrópica y libre de tensiones. fase gaseosa y continúa a través de los pasos de procesamiento posteriores y finalmente termina 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. ICME, por tanto, naturalmente requiere 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 en la 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 académicas y / o comerciales que operen a diferentes escalas y sean modulares e interconectadas 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 interactuó. 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. Con el tiempo, esto conducirá a escenarios de producción y procesos optimizados y permitirá una adaptación eficaz de los materiales específicos y las propiedades de los componentes. [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 en la aplicación industrial mediante la definición de un estándar de comunicación común para las herramientas relevantes del ICME. Eventualmente, esto permitirá a las partes interesadas de las comunidades electrónicas, atomísticas, mesoscópicas y continuas beneficiarse del intercambio de conocimientos y mejores prácticas y, por lo tanto, promover 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 (academia e industria), cada una de ellas ahora utilizando 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 de 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 academia.
- para 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 enmiendas a la norma inicial
Las actividades de ICMEg incluyen
- Organización de talleres internacionales sobre soluciones de software para la ingeniería de materiales computacionales integrados [9]
- Realización de estudios de mercado y encuestas sobre el software de simulación disponible para ICME [8]
- Crear y mantener un foro para el intercambio de 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 que se están lanzando 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 una ventana específica de duración y tiempo:
- Escala estructural: elemento finito , volumen finito y ecuación diferencial parcial de diferencia finita son solucionadores que se utilizan para simular respuestas estructurales como la mecánica de sólidos y los fenómenos de transporte a escalas grandes (metros).
- modelado / simulaciones de procesos: extrusión, laminado, laminado, estampado, fundición, soldadura, etc.
- modelado / simulaciones de productos: rendimiento, impacto, fatiga, corrosión, etc.
- Macroescala: las ecuaciones constitutivas (reología) se utilizan a nivel continuo en la mecánica de sólidos y los fenómenos de transporte a escalas milimétricas.
- Mesoescala: las formulaciones de nivel continuo se utilizan con cantidades discretas en escalas de varios micrómetros. "Meso" es un término ambiguo que significa "intermedio" por lo que se ha utilizado para representar diferentes escalas intermedias. En este contexto, puede representar modelos de plasticidad cristalina para metales, soluciones 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 dislocación para metales y modelos de campo de fase para materiales multifásicos. Modelos de campo de fase de transiciones de fase y formación y evolución de microestructuras en escalas nanométricas a milimétricas.
- Nanoescala: se utilizan métodos atomísticos semi-empíricos como Lennard-Jones, potenciales de Brenner, potenciales del método del átomo incrustado (EAM) y potenciales del átomo incrustado modificado (MEAM) en dinámica molecular (MD), estática molecular (MS), Monte Carlo ( MC) y formulaciones cinéticas de 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 angstrom a escalas nanométricas.
Hay algunos códigos de software que operan en diferentes escalas de longitud, como:
- CALPHAD computacional termodinámica para la predicción de equilibrio diagramas de fase e incluso las fases de no equilibrio.
- Códigos de campo de fase para la simulación de la evolución de la microestructura
- Bases de datos de parámetros de procesamiento, características de microestructura y propiedades de las que se pueden extraer correlaciones en varias escalas de longitud.
- GeoDict - El laboratorio de materiales digitales de Math2Market
- VPS-MICRO es un software de mecánica probabilística de fracturas 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 compilación completa de herramientas de software con relevancia para ICME se documenta en el Manual de soluciones de software para ICME [10].
Ejemplos de integración de modelos
- Los modelos a pequeña escala calculan las propiedades del material o las relaciones entre las propiedades y los parámetros, por ejemplo, el límite elástico frente a la temperatura , para su uso en modelos continuos
- El software de termodinámica computacional CALPHAD predice la energía libre en función de la composición; un modelo de campo de fase 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 del proceso integrado a partir de la masa fundida homogénea, isotrópica y libre de tensiones. Por lo tanto, para un ICME exitoso, es obligatorio un intercambio eficiente de información a lo largo de toda la cadena del 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 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 la orientación de la fibra en un material compuesto ; Luego, los modelos a pequeña escala calculan 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 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
- Los conjuntos de modelos (a gran escala, a pequeña escala, a escala atómica, estructura de proceso, propiedades de estructura, etc.) pueden integrarse 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, IL, cofundada por el profesor Greg Olson de la Northwestern University . Los aceros Ferrium® de alto rendimiento de QuesTek se diseñaron y desarrollaron utilizando metodologías ICME.
- El modelo de daño de plasticidad (DMG) de la Variable del Estado Interno (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 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 los cambios de fase de materiales locales de los metales antes de la fabricación. PAMFORM se utiliza para rastrear cambios de material durante la simulación de fabricación de conformado compuesto.
Educación
Katsuyo Thorton anunció en la reunión del Comité Técnico de MS&T ICME 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. El primero El 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 educación a distancia incluidos [cf, Sukhija et al., 2013]. Más tarde 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 educación 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 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 ICME Wiki , facilitando la evaluación fácil de los logros de los estudiantes y adoptando las cualidades establecidas por la junta de acreditación de ingeniería de ABET.
Ver también
- Ciencia de los materiales computacionales
- Informática de materiales
- Ciberinfraestructura ICME
- Ciberinfraestructura
Referencias
[17]
- ^ Olson, Gregory B. (mayo de 2000). "Diseñando un nuevo mundo material" (PDF) . Ciencia . 288 (5468): 993–998. doi : 10.1126 / science.288.5468.993 .
- ^ a b Comité de Ingeniería de Materiales Computacionales Integrados, Consejo Asesor Nacional de Materiales, División de Ingeniería y Ciencias Físicas, Consejo Nacional de Investigación (2008). Ingeniería de materiales computacionales integrada: una disciplina transformadora para mejorar la competitividad y la seguridad nacional . Prensa de Academias Nacionales. pag. 132. ISBN 9780309178211.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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- Número de noviembre de 2006 de JOM centrado en ICME
- Comité de Ingeniería de Materiales Computacionales Integrados, Consejo Nacional de Investigación, Ingeniería de Materiales Computacionales Integrados: Una Disciplina Transformacional para Mejorar la Competitividad y la Seguridad Nacional , National Academies Press, 2008. ISBN 0-309-11999-5 , enlace NAP
- G. Olson, Designing a New Material Word, Science, vol. 288, 12 de mayo de 2000
- Horstemeyer 2009: Horstemeyer MF, "Modelado multiescala: una revisión", Aspectos prácticos de la química computacional , ed. J. Leszczynski y MK Shukla, Springer Science + Business Media, págs. 87-135, 2009
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 ]
- Infraestructura cibernética para ICME en la Universidad Estatal de Mississippi
- GeoDict El laboratorio de materiales digitales