Изследване на материали От атома до готовия детайл
технически университет във Виена
Това е предизвикателство, което многократно играе важна роля в много индустриални сектори: имате нужда от метални материали, които могат да издържат на екстремни механични натоварвания или са устойчиви на корозивни влияния на околната среда за дълъг период от време - например релси за тежък режим на работа, ролкови лагери или тръби за петролната и газовата промишленост . Друга важна тема е намаляването на теглото при запазване на отлични свойства, особено по отношение на устойчивостта и разходите. Дълго време разработването на такива материали разчита на опити и грешки. Сега обаче има методи за предсказване на свойствата на материалите на компютъра.
Понастоящем във Виенския технологичен университет е създадена нова лаборатория на Кристиан Доплер, в която взаимодействието на химико-физичните явления се характеризира с помощта на методи за анализ с висока разделителна способност, моделирани и прецизно симулирани на компютъра, за да се разработят по-добри материали за индустрията. CD лабораторията се поддържа от Федералното министерство за цифровизация и бизнес местоположение (BMDW) и компаниите партньори voestalpine, Neuman Aluminium и Stahl Judenburg.
„Австрия произвежда стомана и алуминий с високи изисквания за качество и ги изнася по целия свят“, казва д-р. Маргарете Шрамбьок, федерален министър на цифровизацията и местоположението на бизнеса. „Основата за този успех са интензивни основни научни и технологични изследвания, които са необходими за продължаването на тази история на успеха. CD лабораториите предлагат оптимална рамка за това, защото те правят нови знания използваеми за компаниите и по този начин дават възможност за реални иновации и трайни пазарни предимства. "
Компютърна симулация вместо проби и грешки
За да разберете точно материалните свойства на детайла, трябва да го разгледате едновременно в различни мащаби - и точно тук се крие голямото предизвикателство от научна гледна точка: „Трябва да познавате микроструктурата в нанометровия диапазон и да разберете как атомите си взаимодействат. В същото време трябва да изследвате материала в среден мащаб - може да има области с различни кристални подреждания. В края на краищата трябва да анализирате поведението на целия детайл под товар, за да изчислите ефектите от типичните температури и сили на процеса “, обяснява проф. Ервин Поводен-Карадениз. Той ръководи новата лаборатория за CD в Института по материалознание и технологии в TU Wien.
През последните няколко десетилетия имаше голям напредък, особено при металните материали. „В много експерименти сме изследвали как механичните свойства на материала са свързани с микроструктурата и как тази микроструктура може да бъде повлияна чрез подходящия избор на сплав и производствения процес“, казва Поводен-Карадениз. „Днес обаче виждаме, че науката за материалите е достигнала определено плато в тази област. Имаме нужда от нови идеи за по-нататъшен напредък. "
И тези идеи идват от нови видове компютърни симулации: „Проектирането на материали, основано на компютърна симулация, става все по-важно“, убеден е Поводен-Карадениз. „Това намалява броя на необходимите експерименти и с правилните компютърни модели може да се предскаже поведението на материала, преди той дори да е бил произведен.“ Това драстично намалява времето, което изтича от идеята за иновация до зрелостта на продукта.
Задачата за правилно отчитане на неизбежните нередности в материала е особено предизвикателна. С истински детайл нямате работа с перфектен кристал, а с множество малки дефекти и с интерфейси между малки зърна материал. Полезни резултати можете да получите само ако ги вземете правилно под внимание в компютърния модел - а Ервин Поводен-Карадениз и неговият екип са се специализирали точно в такива сложни задачи.