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Aug 09, 2023

統合された計算材料設計ソフトウェアは、複雑な材料試験をシミュレートします

人類が雲の上でも宇宙空間でも飛行していた 1 世紀は、材料工学に対するほぼアナログなアプローチによって支えられていました。 長年にわたる進歩は着実でした

人類が雲の上でも宇宙空間でも飛行した 1 世紀は、材料工学に対するほぼアナログなアプローチによって支えられていました。 テクノロジーが進歩し、何が可能なのかについて私たちの理解を継続的に拡張するにつれて、長年にわたる進歩は着実でした。

今、素材のデジタル変革が業界を大きく変え、その進化は今も続いています。 試験飛行が行われるずっと前にさらに多くのエラーが見つかる可能性があるため、試行錯誤の実験は過去のものになりつつあります。

革命をリードするツールの 1 つは、QuesTek の ICMD® (統合計算材料設計) ソフトウェア。 航空宇宙材料、製造、設計への影響はすでに明らかです。 新しい材料の作成、テスト、認証にかかる期間は半分に短縮され、何年にもわたる実験と数百万ドルが不要になります。

しかし、ICMD はテクノロジーをさらに推進し、現在人間ができることや行ける場所の限界を制限している既存の問題を解決するのにも役立ちます。 ICMD は、計算物理ベースのモデリングと強力なツールキットを使用して、材料設計、認定と認証の加速、情報学と分析、シミュレーションを可能にします。 このアプローチは、さまざまな性能特性について材料をテストする複雑なシステムをシミュレートします。

新しい材料を作成する場合でも、既存の材料の特性を改善する場合でも、QuesTek の ICMD 機能には 4 つの主要な柱があります。

合金設計合金設計は、まったく新しい材料を業界にもたらします。 より優れたパフォーマンスを実現するために、航空宇宙メーカーは、これまで存在しなかった特性を持つ材料にアクセスする必要があります。 ICMD を使用することで、重要な飛行コンポーネントに新しい材料を設計、開発、認定、導入できます。

それは、達成したい材料の目標特性のリストから始まります。 例えば、高圧酸素にさらされる宇宙打上げロケットの燃料ポンプ部品およびハウジング用の既存の材料は、良好な耐燃焼性を有する可能性がある。 しかし、その耐燃焼性は、強度、耐食性、耐酸化性のために必要な合金の添加により低下します。

市販の合金は強度が低く、顕著な耐燃焼性はありません。 ICMD は、目標の達成につながる可能性のある潜在的な冶金概念を特定できます。

統合計算材料工学 (ICME) – 2 つ以上の検証されたモデルまたはシミュレーション コードからの情報を橋渡しすることで材料の加工、微細構造、特性、性能を結び付けること – を通じて、有望な組成が計算され、試作され、テストされ、次のとおりであることが実証されます。必要な改善の適切な方向に向かっています。

モデリングは材料を生産規模にスケールアップするためにも適用され、その時点で航空宇宙メーカーが引き継ぎ、数年間のテストと認定を経て製品が飛行します。

QuesTek は、ARPA-E プログラム共同研究者であるプラットとホイットニー、NASA、ミネソタ大学と。 このプログラムは、ジェット エンジン用の次世代タービンブレード材料の開発に焦点を当てています。 航空宇宙産業のタービンブレードは、長年にわたりニッケル超合金で作られています。 しかし、燃料効率を高めるために、より高温になるブレードに対する業界のニーズがあります。

目標は、ジェット エンジンの動作温度を 200°C 上げることです。 このプロセスには、ニッケルの代わりにニオブベースの材料への切り替えが含まれます。 QuesTek は、ICMD ソフトウェアを使用して、タービンブレードの中心と端の部品内で目的に合わせた特性を実現する一連のニオブ合金を設計しています。

別の例では、ボーイングとQuesTekがAmerica Makesプログラムで協力ある部分に 1 つの材料を使用し、別の部分に 2 番目の材料を使用してコンポーネント用に 2 つの大きく異なる材料を一緒に 3D プリントします。 QuesTek は、印刷を成功させるための正確な組成勾配を開発する責任を負っていました。