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Aug 09, 2023

Die integrierte Computational Materials Design-Software simuliert komplexe Materialtests

Das erste Jahrhundert der Flugbewegung des Menschen – sowohl über den Wolken als auch im Weltraum – wurde durch einen weitgehend analogen Ansatz in der Materialtechnik unterstützt. Der Fortschritt war im Laufe der Jahre stetig

Das erste Jahrhundert der Flugbewegung des Menschen – sowohl über den Wolken als auch im Weltraum – wurde durch einen weitgehend analogen Ansatz in der Materialtechnik unterstützt. Im Laufe der Jahre gab es stetige Fortschritte, da sich die Technologie weiterentwickelte und unser Verständnis dessen, was möglich war, kontinuierlich erweiterte.

Nun hat eine digitale Transformation der Materialien die Branche drastisch verändert, und die Entwicklung geht bis heute weiter. Versuch-und-Irrtum-Experimente gehören der Vergangenheit an, da mehr Fehler erkannt werden können, lange bevor ein Testflug stattfinden kann.

Eines der Werkzeuge, die die Revolution anführen, istICMD® von QuesTek (Integrated Computational Materials Design) Software. Seine Auswirkungen auf Materialien, Herstellung und Design der Luft- und Raumfahrt sind bereits offensichtlich. Der Zeitrahmen für die Erstellung, Prüfung und Zertifizierung neuartiger Materialien kann halbiert werden, wodurch jahrelange Experimente und Millionen von Dollar eingespart werden.

Aber ICMD trägt auch dazu bei, die Technologie weiter voranzutreiben und bestehende Probleme zu lösen, die derzeit die Grenzen dessen einschränken, was Menschen tun können und wohin wir gehen können. ICMD nutzt computerphysikbasierte Modellierung und leistungsstarke Toolkits, um Materialdesign, beschleunigte Qualifizierung und Zertifizierung, Informatik und Analyse sowie Simulation zu ermöglichen. Dieser Ansatz simuliert komplexe Systeme zum Testen von Materialien auf unterschiedliche Leistungsmerkmale.

Ob es darum geht, neue Materialien zu entwickeln oder die Eigenschaften bestehender Materialien zu verbessern, es gibt vier Hauptpfeiler der ICMD-Fähigkeiten von QuesTek.

Legierungsdesign Das Legierungsdesign bringt völlig neuartige Materialien in die Industrie. Um eine höhere Leistung zu erzielen, benötigen Luft- und Raumfahrthersteller Zugang zu Materialien mit Eigenschaften, die es bisher nicht gab. Durch den Einsatz von ICMD können sie neuartige Materialien in kritischen Flugkomponenten entwerfen, entwickeln, qualifizieren und einsetzen.

Es beginnt mit einer Liste der Zieleigenschaften des Materials, die erreicht werden sollen. Beispielsweise können vorhandene Materialien für Kraftstoffpumpenkomponenten und Gehäuse für Trägerraketen, die unter hohem Druck Sauerstoff ausgesetzt sind, eine gute Verbrennungsbeständigkeit aufweisen. Diese Brennbeständigkeit nimmt jedoch mit den Legierungszusätzen ab, die für Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit erforderlich sind.

Im Handel erhältliche Legierungen haben eine geringere Festigkeit und keine nennenswerte Brennbeständigkeit. ICMD kann potenzielle metallurgische Konzepte identifizieren, die zur Erreichung des Ziels führen könnten.

Durch integriertes Computational Materials Engineering (ICME) – das heißt die Verknüpfung der Verarbeitung, Mikrostruktur, Eigenschaften und Leistung eines Materials durch die Verknüpfung von Informationen aus zwei oder mehr validierten Modellen oder Simulationscodes – werden vielversprechende Zusammensetzungen berechnet, prototypisiert, getestet und demonstriert auf dem richtigen Weg zur notwendigen Verbesserung.

Die Modellierung wird auch bei der Skalierung des Materials auf den Produktionsmaßstab angewendet. An diesem Punkt übernimmt der Luft- und Raumfahrthersteller und nach mehreren Jahren der Prüfung und Qualifizierung nimmt das Produkt seinen Flug auf.

QuesTek ist der Projektleiter für einARPA-E-Programm mit den Mitarbeitern Pratt und Whitney, der NASA und der University of Minnesota. Der Schwerpunkt des Programms liegt auf der Entwicklung von Turbinenschaufelmaterialien der nächsten Generation für Strahltriebwerke. Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt werden seit vielen Jahren aus Nickel-Superlegierungen hergestellt. Es besteht jedoch ein Bedarf der Industrie an einem Rotorblatt, das heißer laufen kann, um den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Ziel ist es, die Betriebstemperatur eines Strahltriebwerks um 200 °C zu erhöhen. Der Prozess umfasst die Umstellung auf ein Material auf Niobbasis anstelle von Nickel. QuesTek nutzt seine ICMD-Software, um eine Reihe von Nioblegierungen zu entwerfen, die maßgeschneiderte Eigenschaften innerhalb der Komponente in der Mitte und am Rand der Turbinenschaufel erreichen.

In einem anderen Beispiel,Boeing und QuesTek arbeiteten im Rahmen eines America Makes-Programms zusammen um zwei sehr unterschiedliche Materialien gemeinsam für eine Komponente in 3D zu drucken, wobei sich ein Material auf einem Teil und ein zweites Material auf einem anderen Teil befindet. QuesTek wurde damit beauftragt, die präzisen Kompositionsverläufe für einen erfolgreichen Druck zu entwickeln.

QuesTek verwendete ICMD, um die Phasen zu modellieren, die sich beim Drucken des Gradientenmaterials bilden würden, und empfahl Änderungen der Zusammensetzung und Wärmebehandlungsparameter nach dem Drucken, um einen reibungslosen Übergang von einem Legierungstyp zum anderen sicherzustellen. Ein Beispiel für die wichtigsten Modellierungsmetriken: Ein mögliches negatives Ergebnis, das im Voraus erkannt werden kann, ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung unerwünschter, spröder intermetallischer Phasen während der Erstarrung, der Einwirkung hoher Temperaturen oder der Wärmebehandlung.

Berechnungen bewerten die Bedruckbarkeit, den Gefrierbereich und die Rissanfälligkeit des Materials. Ohne die Verwendung von ICMD ist es ein langsamer Prozess, der, wenn man es experimentell versuchen würde, aufgrund der nahezu unendlichen Kombinationsmöglichkeiten nahezu unmöglich wäre.

Materialqualifikation Der Begriff „Materialqualifizierung“ ist selbsterklärend – es handelt sich um den Prozess der Qualifizierung eines Materials für eine neue Anwendung. Digitale Tools wie ICMD sparen Entwicklungszeit und Qualifizierungskosten, indem sie Modelle anwenden, um Eigenschaften vorherzusagen und die Unsicherheit dieser Vorhersagen zu quantifizieren.

QuesTek verwendet eine Methode namens Accelerated Insertion of Materials (AIM), die ursprünglich im Rahmen einer von DARPA finanzierten Initiative entwickelt wurde, wobei die Modellierungsfähigkeit innerhalb dieses Rahmens die Anwendung eines begrenzten Datensatzes ermöglicht, um Modelle zu kalibrieren und Eigenschaften über ein breiteres Spektrum von Produktionschargen vorherzusagen Hi-Fi.

Dies ermöglicht die Verwendung von Modellen, um zu bestimmen, ob die Prozess- und Materialspezifikationen geeignet sind, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Die Einsparungen liegen in der Möglichkeit, Änderungen an bestimmten Spezifikationen in einem frühen Stadium der Datenentwicklung zu steuern, um sicherzustellen, dass ein kostspieliger und aufwändiger Aufwand für die Materialproduktion und -prüfung vermieden wird, der nur dazu führt, dass die beabsichtigten Ziele nicht erreicht werden.

Luft- und Raumfahrt-OEMs müssen ein Paket bei der FAA oder der NASA einreichen, um neue Designs, Komponenten und Materialien zu qualifizieren. Der Umfang der Tests ist erheblich. Aber die FAA und die NASA sind beidesgeöffnet für Empfangen von Datenpaketen oder Qualifizierungspaketen mit weniger Tests, aber mehr gesicherten rechnerischen Vorhersagen. Während die FAA kein Datenpaket von einem großen Luft- und Raumfahrt-OEM mit 15 Datenpunkten und einer Menge ICME-Modellierung akzeptiert, gibt es Möglichkeiten, den Zeitplan zu beschleunigen.

Der normale Qualifizierungsprozess ist äußerst zeitaufwändig, kostspielig und erfordert viel Material. Der Bearbeitungs- und Prüfaufwand ist umfangreich. Mit ICMD besteht frühzeitig Vertrauen in die Fähigkeit, die für das Design erforderlichen Eigenschaften zu erreichen. Die Einsparungen sind extrem, wenn eine Zeitspanne von 10 bis 20 Jahren auf fünf verkürzt werden kann.

AVon NIST gesponserte Fallstudie zu Ferrium® M54-Stahl Beschleunigung beschreibt, wie die Qualifikation eingesetzt wurde und warum der Zeitrahmen verkürzt werden konnte. Die Vorhersagen der Modelle – die den Prozess beschleunigten, indem mehrere Erhitzungen, Wärmebehandlungen und Charakterisierungen im Produktionsmaßstab durch die Modellierung der genau erforderlichen Wärmebehandlung entfielen – gaben der Marine die Zuversicht, mit der Herstellung von Testkomponenten zu beginnen, bevor sie die Luft- und Raumfahrtzertifizierung für das Material erhielt.

Optimierung bestehender Prozesse Die Optimierung bestehender Prozesse für Kunden aus der Luft- und Raumfahrtbranche beginnt dann, wenn sie entweder auf ein Problem mit einem bereits vorhandenen Prozess stoßen oder diesen verbessern möchten. ICMD-Modelle können zur Prozess- und Produktionsoptimierung eingesetzt werden. Es kann auch dabei helfen, Schritte zu eliminieren und/oder Schritte effizienter zu gestalten.

Bessere Eigenschaften werden durch Optimierung des Prozesses erreicht, wie bei Ferriium®C64-Stahl, dessen Verarbeitung mithilfe von ICMD optimiert wurde, um bestimmte Schritte zu eliminieren, die bei der herkömmlichen Zahnradproduktion für die Luft- und Raumfahrt erforderlich sind.

Ferrium C64 wurde ursprünglich vor mehr als einem Jahrzehnt von QuesTek im Rahmen eines von der Marine finanzierten Programms entwickelt. Es zeichnet sich durch Oberflächenhärtbarkeit, Kernfestigkeit und Zähigkeit, hohe Temperaturstabilität, langsamere Abkühlgeschwindigkeiten zur Reduzierung von Verformungen und eine optimierte Verarbeitung aus.

C64-Stahl wurde speziell dafür entwickelt, den hohen Temperaturen standzuhalten, die durch ein entöltes Getriebe entstehen, und die Überlebensfähigkeit bei Ölverlust erheblich zu erhöhen. Es verwendet eine spezielle Art von Karbid, die es ermöglicht, es bei einer extrem hohen Temperatur von etwa 900 °F zu vergüten. Viele etablierte Stähle hingegen werden bei viel niedrigeren Temperaturen wärmebehandelt. Diese Stähle versagen bei hohen Temperaturen, weil die Verstärkungspartikel beginnen, zu vergröbern und sich aufzulösen, wenn die Temperatur diesen Wert überschreitet.

Die Optimierungsprozesse bei der Entwicklung von C64 wurden durch den rechnerischen Modellierungsansatz von QuesTek erreicht. Beispielsweise kann die Modellierung bei der Optimierung der Wärmebehandlung effizient dabei helfen, die richtige Kombination aus Zeit und Temperatur zu bestimmen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Computermodellierung spart auch Zeit und Ressourcen bei Herausforderungen wie der Reduzierung von Verformungen während des Kühlprozesses. Wie langsam kann man ein Material abkühlen, ohne seine Mikrostruktur so zu verändern, dass wichtige Eigenschaften beeinträchtigt werden? Designeingaben wie diese tragen dazu bei, dass das Material wie vorgesehen funktioniert.

Additive Fertigung Additive Fertigung (AM) ist eine relativ neue Art der Herstellung von Teilen und Komponenten. Viele Branchen investieren viel Zeit und Mühe in iterative Tests. QuesTek unterstützt Kunden dabei, diesen Prozess mithilfe von Modellen zu optimieren, anstatt mehrere Versuche durchführen zu müssen, was Zeit und Geld kostet und erhebliche Materialverschwendung verursacht.

Die ICMD-Software von QuesTek optimiert Materialzusammensetzungen für den additiven Prozess und AM-Parameter, um rissfreie, effiziente Aufbauten zu erstellen und Zieleigenschaften zu erreichen. Es trägt im Wesentlichen dazu bei, Versuchsplanung, iteratives Testen und Versuch und Irrtum zu ersetzen und trägt dazu bei, Vertrauen in diesen Prozess zu schaffen.

Norsk Titanium und QuesTek haben kürzlich zusammengearbeitet um den bahnbrechenden Einsatz von Drähten aus der Nickellegierung Inconel Alloy 625 bei der gerichteten Energieabscheidung AM voranzutreiben. Dies wird Herstellern eine Alternative zum Gießen für große Luft- und Raumfahrt- und Industriekomponenten bieten und es ihnen ermöglichen, erhebliche Verzögerungen in der Lieferkette zu umgehen und gleichzeitig den additiven Prozess für einzigartige Gewichtseinsparungen und Leistungsverbesserungen zu nutzen.

Die Zusammenarbeit wird auch den Zeitplan für die Perfektionierung der Wärmebehandlung von Nickeldraht in AM beschleunigen. Die Verwendung von Versuch und Irrtum könnte Dutzende von Testfällen erfordern, aber die ICMD-Software von QuesTek beschränkt die Anzahl, die für die Demonstration erforderlich ist, auf nur ein oder zwei.

Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung neuer Aluminiumpulver. Das Ziel besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Schaffung einer Materialmikrostruktur, die beim Drucken mit einem additiven Verfahren nicht zu Rissen neigt, und gleichzeitig dem Erreichen der Festigkeitsniveaus herkömmlicher Guss- oder Schmiedematerialien zu erreichen.

ICMD ermöglicht die Modellierung der Bildung einzigartiger mikrostruktureller Phasen mit sehr schnellen Abkühlraten und ermöglicht die Gestaltung von Mikrostrukturen, die diese Phasen für eine erhöhte Festigkeit nutzen und gleichzeitig eine rissfreie Druckbarkeit ausgleichen. Die Bildung dieser neuartigen Phasen ist einzigartig bei den schnellen Abkühlungsraten von AM, und ICMD ermöglicht es zu verstehen, was diese Phasen sind und wie sie genutzt werden können.

Es gibt nirgendwo eine Modellierung, die genau vorhersagen kann, welche Höhen die Luft- und Raumfahrtindustrie letztendlich erreichen wird. Aber mit Tools wie ICMD, die die Branche digital transformieren, Materialien schaffen, die es einst nicht gab, und uns dazu bringen, zu überdenken, was möglich ist, sind keine Grenzen gesetzt.

QuesTek

Jeff Grabowski ist Business Development Director und Kerem Taskin ist Senior Client Solutions Engineer bei QuesTek Innovations. Sie sind unter QuesTek.com erreichbar