統合計算材料工学 (ICME) は、複数の長さスケールで材料モデルをリンクすることにより、製品、それらを構成する材料、および関連する材料加工方法を設計するアプローチです。キーワードは、複数の長さスケールでモデルを統合する「統合」と、産業上の有用性を意味する「工学 」です。焦点は材料、つまりプロセスが材料構造をどのように生成するか、それらの構造が 材料特性 をどのように生み出すか、そして特定の用途に対して材料をどのように選択する かを理解することにあります。重要なリンクは、プロセス-構造-特性-性能です。[ 1 ] [ 2 ]は、 [ 3 ]
ICMEにおける標準化 特定の製品または部品用の材料を設計するという野心的な ICME 目標を達成するための基本的な要件は、均質で等方性で応力のない溶融または気相の健全な初期状態 から始まり、その後の処理ステップを経て、最終的に動作負荷下での破壊開始の記述に至る部品の履歴の統合的かつ学際的な計算による記述である。[ 2 ] [ 4 ]
統合計算材料工学は、複数の長さスケールで材料モデルをリンクすることにより、製品、それらを構成する材料、および関連する材料加工方法を設計するアプローチです。したがって、ICME は、さまざまなモデルとソフトウェアツールの組み合わせを必然的に必要とします。そのため、ICME に関連するツールの共通の通信標準を定義することにより、ICME を産業応用へと促進することに集中する利害関係者の科学的ネットワークを構築することが共通の目標です。[ 5 ] [ 6 ]
シミュレーション結果の交換のためのデータ形式を標準化および一般化することによって共通言語を生成する取り組みは、ICMEの将来の応用を成功させるための重要な必須ステップです。さまざまなスケールで動作し、標準化されたデータ交換という共通言語によってモジュール式に相互接続された、さまざまな学術的および/または商用シミュレーションツールを含む将来のICMEの構造的フレームワークは、これまでほとんど相互作用していなかった生産チェーンに沿ったさまざまな分野を統合することを可能にします。これにより、先行するステップから発生するコンポーネント履歴を実際のプロセスの初期条件として統合することにより、個々のプロセスの理解が大幅に向上します。最終的には、最適化されたプロセスと生産シナリオにつながり、特定の材料とコンポーネント特性の効果的な調整が可能になります。[ 7 ]
ICMEgプロジェクトとその使命 ICMEg [ 8 ]
ICMEgは、シミュレーションプロバイダーとユーザーの国際ネットワークを構築します。[ 9 ]
ICMEgの使命は
シミュレーションソフトウェアプロバイダー、政府および国際標準化機関、ICMEユーザー、材料および加工分野の協会、学術機関との連絡網を構築および維持する。 ICME言語をオープンで標準化された通信プロトコルの形で定義し、伝達する。 マルチスケール材料設計分野における知識共有を促進する 不足しているツール、モデル、機能を特定し、それらの開発のためのロードマップを提案する。 当初の基準に対する今後の修正について議論し、決定する。 ICMEgの活動には以下が含まれます。
統合計算材料工学のためのソフトウェアソリューションに関する国際ワークショップの組織[ 9 ] ICME向けの利用可能なシミュレーションソフトウェアに関する市場調査とアンケートを実施する[ 8 ] ICMEにおける知識共有のためのフォーラムを作成および維持する[ 8 ] ICMEgプロジェクトは2016年10月に終了しました。その主な成果は以下のとおりです。
ICME向けソフトウェアソリューションハンドブック[ 10 ] ICME環境における微細構造情報交換に適した通信ファイル標準としてHDF5 が特定された[ 11 ] 微細構造のメタデータ記述の仕様[ 12 ] ICME分野における利害関係者のネットワーク ICMEgプロジェクトで開始された活動のほとんどは、欧州材料モデリング評議会とマーケットプレイスプロジェクトによって継続されています。
材料加工におけるマルチスケールモデリング マルチスケールモデリングは 、異なるレベルの情報やモデル、および基本プロセスの特性を用いて、あるレベルでの材料特性や挙動を評価することを目的としています。通常、特定の長さと時間の範囲にわたる現象を扱う以下のレベルが認識されます。
構造スケール：有限要素法 、有限体積法 、有限差分 偏微分方程式は、 固体力学 や輸送現象 などの構造応答を大規模（メートル）スケールでシミュレートするために使用されるソルバーです。 プロセスモデリング／シミュレーション：押出成形、圧延、板金成形、プレス加工、鋳造、溶接など。 製品のモデリング／シミュレーション：性能、衝撃、疲労、腐食など。 マクロスケール：構成方程式（レオロジー方程式）は、固体力学 やミリメートルスケールでの輸送現象 において、連続体レベルで使用されます。 メソスケール：連続体レベルの定式化は、複数のマイクロメートルスケールにおける離散量に対して用いられます。「メソ」は「中間」を意味する曖昧な用語であるため、さまざまな中間スケールを表すために使用されてきました。この文脈では、金属の結晶塑性、あらゆる材料のエシェルビー解、均質化法、および単位セル法からのモデリングを表すことができます。 マイクロスケール：金属の転位ダイナミクスコードや多相材料の相場モデルなど、マイクロメートルスケールを表現するモデリング技術。ナノメートルからミリメートルスケールにおける相転移 、微細構造の 形成と進化の相場モデル。 ナノスケール：分子動力学 （MD）、分子静力学（MS）、モンテカルロ（MC）、および運動学的モンテカルロ（KMC）の定式化では、レナード・ジョーンズ、ブレナーポテンシャル、埋め込み原子法（EAM）ポテンシャル、修正埋め込み原子ポテンシャル（MEAM）など の半経験的原子論的 手法が使用されます。電子スケール：シュレーディンガー方程式は、オングストロームからナノメートルスケールでの電子軌道と結合の密度汎関数理論 （DFT）モデルとして、計算フレームワークで使用されます。 以下のような、異なる長さスケールで動作するソフトウェアコードがいくつかあります。
CALPHADは、平衡 相図 や非平衡相の予測のための計算熱力学ソフトウェアです。 相場場コード 微細構造の 特徴、および特性に関する データベース。 これらのデータベースから、さまざまな長さスケールでの相関関係を導き出すことができる。GeoDict - Math2Marketによるデジタルマテリアルラボ VPS-MICROは、マルチスケール確率論的破壊力学ソフトウェアです。 SwiftCompは、構造ゲノムの力学に基づいたマルチスケール構成モデル化ソフトウェアです。 Digimatはマルチスケール材料モデリングプラットフォームです。 ICMEに関連するソフトウェアツールの包括的な一覧は、ICME向けソフトウェアソリューションハンドブック[ 10 ]に記載されています。
モデル統合の例 小規模モデルは、材料特性 、または特性とパラメータ間の関係（例えば、降伏強度 と温度の関係） を計算し、連続体モデルで使用します。 CALPHAD 計算熱力学ソフトウェアは、組成の関数として自由エネルギーを予測します。次に、相場モデルはこの予測値を用いて構造形成 と発達を予測し、それを物性と相関させることができます。相場モデル やその他の微細構造進化コードによる微細構造進化のモデル化に不可欠な要素は、初期条件と境界条件です。境界条件は、例えば実際のプロセスのシミュレーションから取得できますが、初期条件（つまり、実際のプロセスステップに入る初期微細構造）は、均質で等方性で応力のない溶融状態から始まる統合プロセス履歴全体を含みます。したがって、ICMEを成功させるには、プロセスチェーン全体と関連するすべての長さスケールにわたって効率的な情報交換が必須です。この目的のために組み合わせるモデルには、学術的および/または商用のモデリングツールとシミュレーションソフトウェアパッケージの両方が含まれます。この異種混合のモデリングツール内での情報フローを合理化するために、モジュール式で標準化されたシミュレーションプラットフォームの概念が最近提案されました。[ 5 ] AixViPMaP® - 材料加工用アーヘン仮想プラットフォームです。プロセスモデルは、複合材料 中の繊維密度や配向などの構造特性の空間分布を計算します。次に、小規模モデルは、構造と特性の関係を計算し、部品全体またはシステム全体の挙動の連続体モデルで使用します。大規模モデルは小規模モデルと明示的に完全に結合します。たとえば、破壊 シミュレーションでは、巨視的な変形の連続体固体力学モデルと、亀裂先端での原子運動の有限差分モデルを統合することができます。 大規模、小規模、原子スケール、プロセス構造、構造特性など、様々なモデル群を階層的にシステム設計フレームワークに統合することで、全く新しい材料の計算設計が可能になります。計算材料設計におけるICMEの利用において商業的に主導的な役割を果たしているのが、ノースウェスタン大学のグレッグ・オルソン教授が共同設立したイリノイ州エバンストンの小規模企業、QuesTek Innovations LLC です。QuesTekの高性能Ferrium® 鋼は、ICME手法を用いて設計・開発されました。 マーク・F・ホルステマイヤー教授（ Predictive Design Technologiesの創設者）率いるチーム によって開発されたミシシッピ州立大学の 内部状態変数（ISV）塑性損傷モデル（DMG）[ 13 ]は、キャデラックのコントロールアーム [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] ESI Groupは、 ProCastとSYSWeldという商用有限要素解析ソリューションを提供しており、航空宇宙、自動車、政府機関などの大手メーカーが製造現場で、製造前に金属の局所的な相変化をシミュレーションするために利用しています。PAMFORM は、複合材成形製造シミュレーションにおける材料変化の追跡に活用されています。
教育 カツヨ・ソーントン氏は、2010年のMS&T ICME技術委員会会議で、NSFが2011年からミシガン大学でICMEに関する「 サマースクール」に資金提供することを発表した。ノースウェスタン大学は、2011年秋にICMEの理学修士証明書の提供を開始した。ホルステマイヤー2012 [ 17 ]
参考文献 [ 17 ]
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外部リンク ICMEセクションは、2008年7月16日にWayback Machine のMaterials Technology @ TMSに アーカイブされました。 [ICME実施における進歩：概念と実践」 JOM 2017年5月号（第69巻、第5号）https://link.springer.com/journal/11837/69/5 ]ミシシッピ州立大学におけるICMEのためのサイバーインフラストラクチャ GeoDict デジタルマテリアル研究所 
