Výskum materiálov Od atómu po hotový obrobok
Technická univerzita vo Viedni
Je to výzva, ktorá opakovane hrá dôležitú úlohu v mnohých priemyselných odvetviach: Potrebujete kovové materiály, ktoré vydržia extrémne mechanické zaťaženie alebo sú dlhodobo odolné voči korozívnym vplyvom prostredia - napríklad vysokovýkonné koľajnice, valivé ložiská alebo rúry pre ropný a plynárenský priemysel. . Ďalšou dôležitou témou je redukcia hmotnosti pri zachovaní vynikajúcich vlastností, najmä čo sa týka udržateľnosti a nákladov. Vývoj takýchto materiálov sa dlho spoliehal na pokus a omyl. V súčasnosti však existujú metódy predpovedania vlastností materiálov v počítači.
Na Viedenskej technickej univerzite bolo teraz zriadené nové laboratórium Christian Doppler, v ktorom je charakterizovaná interakcia chemicko-fyzikálnych javov pomocou metód analýzy s vysokým rozlíšením, modelovaných a presne simulovaných v počítači s cieľom vyvíjať lepšie materiály pre priemysel. Laboratórium CD podporuje Spolkové ministerstvo pre digitalizáciu a umiestnenie firmy (BMDW) a partnerské spoločnosti voestalpine, Neuman Aluminium a Stahl Judenburg.
„Rakúsko vyrába oceľ a hliník s vysokými požiadavkami na kvalitu a vyváža ich do celého sveta,“ hovorí Dr. Margarete Schramböck, spolková ministerka pre digitalizáciu a umiestnenie firmy. „Základom tohto úspechu je intenzívny základný vedecký a technologický výskum, ktorý je nevyhnutný pre pokračovanie tohto úspešného príbehu. Laboratóriá CD na to ponúkajú optimálny rámec, pretože vďaka nim sú nové poznatky použiteľné pre spoločnosti, a tým umožňujú skutočnú inováciu a trvalé trhové výhody. “
Namiesto pokusov a omylov počítačová simulácia
Aby ste presne pochopili materiálové vlastnosti obrobku, musíte sa na to pozerať súčasne v rôznych mierkach - a práve v tom spočíva veľká výzva z vedeckého hľadiska: „Musíte poznať mikroštruktúru v rozsahu nanometrov a pochopiť, ako atómy medzi sebou interagujú. Zároveň musíte materiál preskúmať v stredne veľkej mierke - môžu existovať oblasti s rôznymi rádmi kryštálov. Nakoniec musíte analyzovať správanie celého obrobku pri zaťažení, aby ste mohli vypočítať účinky typických teplôt a síl procesu, “vysvetľuje profesor Erwin Povoden-Karadeniz. Vedie nové laboratórium CD na Ústave materiálových vied a technológií na TU Wien.
Za posledných niekoľko desaťročí došlo k veľkému pokroku, najmä pokiaľ ide o kovové materiály. „V mnohých experimentoch sme skúmali, ako súvisia mechanické vlastnosti materiálu s mikroštruktúrou a ako je možné túto mikroštruktúru ovplyvniť vhodným výberom zliatiny a výrobným procesom,“ hovorí Povoden-Karadeniz. „Dnes však vidíme, že veda o materiáloch dosiahla v tejto oblasti určitú plošinu. Potrebujeme nové nápady pre ďalší pokrok. ““
A tieto nápady pochádzajú z nových typov počítačových simulácií: „Dizajn materiálov založený na počítačovej simulácii je čoraz dôležitejší,“ hovorí s presvedčením Povoden-Karadeniz. „To znižuje počet potrebných experimentov a so správnymi počítačovými modelmi môžete predvídať správanie materiálu ešte predtým, ako bol vyrobený.“ Týmto sa drasticky skracuje čas, ktorý trvá od myšlienky inovácie po pripravenosť produktu na trh.
Úloha správneho zohľadnenia nevyhnutných nezrovnalostí v materiáli je obzvlášť náročná. So skutočným obrobkom nemáte na mysli dokonalý krištáľ, ale veľké množstvo malých chýb a rozhraní medzi malými zrnkami materiálu. Užitočné výsledky môžete získať, iba ak ich správne zohľadníte v počítačovom modeli - a práve na také zložité úlohy sa špecializoval Erwin Povoden-Karadeniz a jeho tím.