Modellierung und Simulation materialwissenschaftlicher Prozesse

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1 Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf Modellierung und Simulation materialwissenschaftlicher Prozesse Dierk Raabe Symposion: Digitale Modellierung, Simulation und Visualisierung

2 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

3 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

4 Stoffe für Struktur und Funktion (meist fest, flüssig) Struktur-Eigenschaft gezielte Aufbereitung, Synthese und Modifikation oft hinter Produkt verborgen Metalle, Keramiken, Polymere, Halbleiter, biologische Materialien, Verbundwerkstoffe, Was ist Materialwissenschaft?

5 Umformung 2000 vor Chr Umformung 2000 nach Chr. Zeitreise / 2 wichtige Beispiele Bierdose 1820 Bierdose 2000

6 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

7 Übersicht Simulationsmethoden Diskussion von Simulationsmethoden in der Materialwissenschaft anhand der Multiskalenproblematik Skalen Methoden / Theorien Diskretisierung

8 Übersicht Simulationsmethoden: Skaleneinteilung Length [m] Bottom up Example: : Crash simulation Mangel dieser Einteilung: Top down Skalendiskrepanz gewährt oft nur scheinbare Verknüpfung finite elements grain structure Statische Parameterübergabe typisch grain boundaries, orientation Verstehen der Mechanismen auf segregations, einer Skala multiple phases crystal plasticity structure, dynamics of dislocations chemical binding / electronic structure Time [s] Similar challenges: Solidification, Forming, Coating,

9 Übersicht Simulationsmethoden: Methoden / Theorien Multi-scale approach scale jumping Complexity scale Mangel dieser Einteilung: Macroscopic Scale: Theorien oft nicht skaliert e.g. constitutive FEM Forming and joining Community - Ansatz Life time Reliability kaum direkte Integration von Mesoscopic MethodenScale: e.g. Phase field simulation kaum generische Theorie jenseits e.g. Dislocation der ab initio dynamics Verfahren jumping scale jumping Atomic scale: Quantum mechanics Parameter-free determination of material parameters Scale

10 Übersicht Simulationsmethoden: Diskretisierung Ab initio Was: intrinsische Eigenschaften, Thermodynamik, Struktur, Elastizität z.b.: DFT Vorteil: Parameter-frei, z.t. makroskopische Gültigkeit Nachteil: kleine Systeme Pseudo-Teilchen / Automaten Was: Komplexität aus einfachem Miteinander von selbstständig agierenden Operatoren z.b.: MD, Gittergase, Automaten Vorteil: kollektive Phänomene (Mechanismen) Nachteil: kleine Systeme, Zeitproblem, leicht Interpretationsfehler Kontinuum Was: Verhalten gemittelt, Komplexität gekoppelter DGLen z.b.: konstitutive Modelle und FEM, FD Vorteil: Komplexe Rand- und Anfangsbedingungen, Vergleich Experiment, kommerzielle Solver, mathematische Untersuchung der Allgemeinheit Nachteil: Mechanismen hineinstecken

11 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

12 Übersicht Simulationsmethoden: Beispiel ab initio (Density-Functional Theory ) Accurate description of interatomic interactions (bonds): Accurate description of total energies: r E, tot ({ R Z }) I I a/a eq,t=0,p=0 [%] F [mryd/ atom] T[K] 800 * J. Neugebauer, M. Friak

13 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

14 Übersicht Simulationsmethoden: Beispiel Pseudoteilchen / Automaten F, Abraham, IBM

15 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

16 Übersicht Simulationsmethoden: Beispiel Kontinuum

17 Übersicht Simulationsmethoden: Beispiel Kontinuum 5mm 5mm 8m m Mises strain experimental 21m m 1m m simulation

18 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

19 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen Nanomechanik Medizinwerkstoffe Automobilwerkstoffe

20 Übersicht Plastizität Was ist auf Materialwissenschaft kleinen Skalen? verstehen Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen Nanomechanik Medizinwerkstoffe Automobilwerkstoffe

21 Nanoindentierung [111] [11-2] [-110]

22 3D EBSD - electron orientation microscopy

23 Crystal Mechanics FEM (General) simulation constitutive law on slip system basis mesh external boundary conditions T T orientation input local homogenization geometrical discreteness

24 Misorientation map experiment Measured simulation Ben Larson Calculated R x 5 o R x 5 o R y R y R z R z 40 µm 40 µm Forces: 4, 6, 8, and 10 mn

25 Indentation - 3D: Oak Ridge, MPI Measured Ben Larson Calculated R x 5 o R x 5 o Z R y R y X Y R z 40 µm R z 40 µm Indent-Induced Rotation Pattern

26 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Titanlegierungen für bessere Übersicht Biokompatibilität Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen Nanomechanik Medizinwerkstoffe Automobilwerkstoffe

27 Ab initio inspired alloy design Example: : Ti alloys for medical applications Problem: stress shielding Industrial alloys (Ti-6Al-4V): 120 GPa Humane bone: GPa Huge elastic mismatch (bone degeneration) Hip implant Aim: Identify Ti-based alloys with tailored mechanical properties low Young modulus

28 Ab initio inspired alloy design Free energy of formation [mev/atom] Thermodynamics of Ti-alloys dual-phase bcc-phase volume fraction Ti Nb Nb [at. % 20] T=0K Ti at. % Nb

29 Ab initio inspired alloy design [001] Young modulus [GPa] Ultra-sonic measurements theory: polycrystals exp. polycrystals! [001] & single-crystals! 0-20 MECHANICAL INSTABILITY!! Ti at. % Nb

30 Ab initio inspired alloy design biocompatible composition; low stiffness; isotropy; texture design Ti-30at%Nb Ti-20wt.%Mo- 7wt.%Zr-5wt.%Ta Ti-35wt.%Nb- 7wt.%Zr-5wt.%Ta

31 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden für Design, Tools, Crash Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen Nanomechanik Medizinwerkstoffe Automobilwerkstoffe

32 Fallbeispiel: Automobil ThyssenKrupp Automotive AG DaimlerChrysler AG Volkswagen AG

33 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

34 Baustellen und Ausblick Sinnvolle Multiskalenmethoden Zwei Theoriegebäude der Materie: Ab initio und Kontinuumstheorie Problem: einige Materialien schlecht homogenisierbar bzw. schlecht verstanden; z.b. hierarchische Materialien mit starker Integration von Struktur, Funktion sowie Nano-, Meso- und Makrodesign Niveau der Experimente muß mithalten Kenntnis über Rand- und Anfangsbedingungen Erfolgreiche Simulation ist nicht identisch mit Verstehen Stärkere Industrienutzung Kommunikation zwischen Disziplinen Nachwuchs

35 Übersicht Was ist Materialwissenschaft? Übersicht Simulationsmethoden Ab initio Pseudoteilchen, Automaten Kontinuum Fallbeispiele Baustellen und Ausblick Förderideen

36 Förderung Schlaue Multiskalenmethoden Nano- und Mikromechanik Medizinwerkstoffe Biologische Werkstoffe Förderung der Industrienutzung Industrienutzbare Codes / modulare Codes / GUI Nachwuchsgruppen zusammen mit Unternehmen Nicht nur Grossprojekte fördern, mehr KMU und Jungwissenschaftler