ICME – Ein historischer Überblick

  Sonnenaufgang über RWTH Aachen Campus Martin Braun

Die integrative Werkstoffmodellierung (engl. Integrative Computational Materials Engineering, ICME) zielt auf die Beschreibung der Gefügeentwicklung auf allen relevanten Längenskalen sowie die Gefüge-Eigenschafts-Korrelation entlang der gesamten Prozesskette bis hin zum Werkstoffeinsatz ab. Um den Begriff besser erfassen zu können, bedarf es eines geschichtlichen Abrisses der Entwicklung dieser noch recht jungen Disziplin.

 

Die enorme Rechenleistung heutiger Computer trägt dazu bei, dass in Forschung und Entwicklung neuartige, mächtige Methoden Anwendung finden. Durch die enorm gewachsene Leistungsfähigkeit von Computern ist es heute beispielsweise möglich, reale Prozesse in der virtuellen Realität nachzubilden. Um physische Prozesse mit einem Computer abbilden zu können, ist Modellbildung unerlässlich. Die bekanntesten Verfahren sind Finite-Differenzen-Verfahren (FDM) und Finite-Elemente-Verfahren sowie verwandte Methoden, mit deren Hilfe kontinuierliche Phänomene der realen Welt diskretisiert mit Hilfe eines numerischen Gitters beschrieben werden können. Diese haben inzwischen einen so hohen Reifegrad entwickelt, dass sie bereits für die Zertifizierung von Produkten eingesetzt werden können.

Erweiterte Finite-Elemente-Methoden (X-FEM), Strömungsmechanik (CFD) und computergestützte Schadensmechanik (CFD) haben sich als äußerst erfolgreich erwiesen, und so gibt es inzwischen eine Reihe von Softwareanwendungen, mit deren Hilfe man bestimmte Prozesse im Rahmen der computergestützten Ingenieurwissenschaften (Computational Engineering – CE) beschreiben und optimieren kann. Die größten Fortschritte hinsichtlich eines integrativen Computational Engineering (ICE) hat man auf dem Gebiet der strukturellen Materialien und ihrer mechanischen Eigenschaften erzielt. In vielen Bereichen und für verschiedenste Anwendungen setzte man innerhalb der letzten Jahre zunehmend Computersimulationen makroskopischer Prozesse ein, von den CAD-Daten bis hin zum fertigen Produkt, so zum Beispiel für virtuelle Crash-Tests.
Die in den Materialwissenschaften als Grundlage solcher Simulationen verwendeten Daten werden in der Regel aus Experimenten gewonnen oder aber der Fachliteratur oder anderer Quellen entnommen. Da es hier an präzisen Informationen fehlt und ihre Beschaffung höchst kostspielig sein kann, beruhen solche Daten oftmals auf Vereinfachungen oder werden aus verfügbaren Informationen über ähnliche Materialien abgeleitet. Hierbei werden die Orts- und Temperaturabhängigkeit bestimmter Werte sowie ihre Anisotropie oftmals komplett vernachlässigt.
Die Notwendigkeit solcher Annäherungen ist darauf zurückzuführen, dass die computerbasierte Modellierung von Materialien, die die Vorhersage bestimmter Materialeigenschaften ermöglichen würde, mit der rasanten Entwicklung makroskopischer FEM-Modelle nicht Schritt gehalten hat.

Historisch betrachtet hat die Entwicklung computerbasierter Methoden für die Vorhersage von Materialeigenschaften zwei verschiedene Ursprünge: ein Ansatz setzt auf atomarer Ebene unter Verwendung eines Bottom-up-Ansatzes an, wohingegen ein anderer von einer thermodynamisch-statischen Perspektive ausgeht. Insbesondere letztgenannter Ansatz birgt das Potential für Fortschritt im Bereich der technischen Legierungssysteme. Auf einer Beschreibung der Gibbs-Energie der verschiedenen Phasen und jeweiliger Modelle basierend, wurde in den Siebzigerjahren die CALPHAD-Methode entwickelt, um eine Vielzahl von Daten auszuwerten und in geeigneten Datenbanken zu erfassen. Datenbanken wie beispielsweise Thermo-Calc, JMatPro, FactSage und Pandat haben sich inzwischen als wichtige Werkzeuge für die Entwicklung moderner Legierungen bewährt.

Der thermodynamische Fokus dieser Programme und Datenbanken erlaubt allerdings in der Regel lediglich die Vorhersage von Gleichgewichtsbedingungen und anderer aussagekräftiger thermodynamischer Daten. Erkenntnisse über die Genese bzw. Evolution dieser Phasenanteile (die zur Beschreibung der Kinetik der Phasenevolution benötigt wird) oder ihre Verteilung im Raum (die grundsätzlich mit der Mikrostruktur korrespondiert, die letztlich die Eigenschaften des Materials definiert) können allerdings nicht abgeleitet werden.
In den späten Neunzigerjahren wurden diese thermodynamischen Modelle mit neuen theoretischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikrostrukturmodellierung, so z.B. der Phasenfeldtheorie, sowie mit Multiphasenfeldmodellen kombiniert. Diese kombinierten Modelle machen es möglich, die Mikrostrukturentwicklung zu beschreiben und zu kontrollieren und schließlich auch die Eigenschaften von technischen Materialien und Produkten maßgeschneidert herzustellen. Die dafür benötigten Parameter und Datensätze können mithilfe noch grundlegenderer Theorien und Modelle ermittelt werden, so zum Beispiel durch Rückgriff auf die Dichtefunktionaltheorie, atomistische Modellierung und molekulardynamische Simulationen.

Die oben genannten Ansätze haben einen beachtlichen Entwicklungsstand erreicht und liefern einen bedeutenden Beitrag für ingenieurwissenschaftliche Anwendung im Bereich der wissensbasierten Produktionsmodelle. Die Leistungsfähigkeit heutiger Computer und die Verfügbarkeit entsprechender Softwarewerkzeuge und lassen die Integration der oben genannten Ansätze möglich und sinnvoll erscheinen. Eine solche Integration wäre ein bedeutender Schritt in Richtung eines wissensbasierten, optimierten Designs von Materialien, Komponenten und Produkten, die für ihre jeweilige Anwendung maßgeschneidert sind. Eine zukünftige integrative Werkstoffmodellierung (ICME) als Disziplin hätte zum Ziel, die Werkzeuge der der computergestützen Materialwissenschaften in einem ganzheitlichen System zu integrieren und somit die Entwicklung neuartiger Materialien zu beschleunigen. Ein weiteres Ziel wäre die Zusammenführung von Design/Auslegung und Herstellung.