Στη μελέτη υλικών εφαρμοζόταν μέχρι πρότινος η μέθοδος δοκιμής – σφάλματος, η οποία ήταν αρκετά χρονοβόρα και κοστοβόρα. Στην εποχή μας όμως τα πράγματα έχουν αλλάξει, καθώς η αξιοποίηση υπολογιστικών μεθόδων έχει προσφέρει σημαντικές λύσεις στο σχεδιασμό και στην ανάπτυξη υλικών, στο χώρο της βιομηχανίας και όχι μόνο.
Του Dr.-Ing. Σπ. Α. Παπαευθυμίου*
Η προσομοίωση τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχει αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία για τη βιομηχανία, αλλά και για το πανεπιστήμιο. Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών, η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος και η ταυτόχρονη σημαντική μείωση του κόστους απόκτησης και συντήρησης ισχυρών υπολογιστών και συστημάτων, σε συνδυασμό με τη ραγδαία ανάπτυξη ειδικού λογισμικού για τη μελέτη σύνθετων επιστημονικών προβλημάτων, υποστήριξαν την άνθηση και συστηματική θεωρητική μελέτη υλικών, κατεργασιών και φαινομένων, τα οποία άλλοτε αποτελούσαν αντικείμενο μελέτης μέσω αλληλουχίας επαναλήψεων δοκιμής – σφάλματος.
Αρχικά σημειώθηκε πρόοδος στη μελέτη μακροσκοπικών φαινομένων με τη χρήση αριθμητικής ανάλυσης και της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκε υπολογιστική προσέγγιση για τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και ενέργειας. Έτσι, μελέτες για τον υπολογισμό τάσεων και καταπονήσεων, για τη δημιουργία ελαστικών παραμορφώσεων και παραμενουσών τάσεων εξαιτίας θερμικών ανισοκατανομών σε κατασκευές, απλές, σύνθετες και συγκολλητές, έδωσαν την απαραίτητη ώθηση και ενθάρρυναν την αξιοποίηση υπολογιστικών πακέτων σε μελετητικά γραφεία, στην αρχιτεκτονική, στις κατασκευές και στη βιομηχανία.
Τέτοια πακέτα πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element packages) και υπολογιστικής ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamic [CFD packages]) προέκυψαν στις περισσότερες των περιπτώσεων από εταιρείες έντασης γνώσης (spin-offs) των πανεπιστημίων σε Ευρώπη και ΗΠΑ.
Τομείς πλήρους ενσωμάτωσης της μεθοδολογίας αυτής διεθνώς συναντάμε τόσο στην αεροπορική βιομηχανία και στην αεροναυπηγική, όσο και στην αυτοκινητοβιομηχανία οχημάτων ιδιωτικής και επαγγελματικής χρήσης, αλλά φυσικά και στην αμυντική βιομηχανία.
Με τη χρήση τέτοιων τεχνικών μειώθηκε σημαντικά το κόστος ανάπτυξης και ο χρόνος ολοκλήρωσης του εκάστοτε νέου προϊόντος. Ταυτόχρονα, τα εργαλεία αυτά αξιοποιήθηκαν για την εκπαίδευση φοιτητών και προσωπικού. Κατέστησαν δυνατή την οπτικοποίηση κατασκευών και γεωμετριών, τη γρήγορη τροποποίησή τους και τη μελέτη του νέου σχεδίου, χωρίς να μεσολαβήσει κατασκευή πρωτοτύπου –ή η ίδια η κατασκευή– πριν τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού.
Η αξιοποίηση των τεράστιων δυνατοτήτων επέφερε σημαντικές και ταχύτατες βελτιώσεις, σε αρχιτεκτονικές κατασκευές, σε έργα πολιτικού μηχανικού (κτίρια, γέφυρες), σε μηχανολογικό και ηλεκτρολογικό εξοπλισμό, σε κατασκευές ναυπηγικής (πλοία, γιοτ κ.ά.) και αεροπλοΐας, και γενικότερα σε κάθε πτυχή του βίου μας.
Ωστόσο, οι απαιτήσεις για ολοένα και περισσότερο ανθεκτικά υλικά, με έμφαση στα μέταλλα, έστρεψαν γρήγορα την προσοχή των επιστημόνων στη μικροδομή. Από την πρόβλεψη μακροσκοπικών φαινομένων που απορρέουν από τις αλληλεπιδράσεις σε μικροκλίμακα και νανοκλίμακα (όπως είναι τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας και ενέργειας), περάσαμε σήμερα στην πρόβλεψη της εξέλιξης της μικροδομής, με την επακόλουθη δυνατότητα ελέγχου και πρόβλεψης των μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων.
Οι επιστημονικές εξελίξεις στην εξαγωγική (χημική) και στη φυσική Μεταλλουργία διευρύνανε τη γνώση μας και συνέβαλαν στην ανάπτυξη εργαστηριακών αναλυτικών τεχνικών και τεχνικών ανάλυσης της μικροδομής, σε συνδυασμό με την εισαγωγή αριθμητικής ανάλυσης και καταγραφής σε βάσεις δεδομένων κάθε αναλυόμενου στοιχείου και φάσης των μεταλλικών υλικών από θερμοδυναμική και κινητική σκοπιά.
Όλα αυτά οδήγησαν στην υπολογιστική ανάπτυξη των υλικών, τα οποία άρχισαν να σχεδιάζονται αποδοτικότερα. Τα στοιχεία κραμάτωσής τους επιλέχθηκαν προσεκτικότερα, οι δυνητικοί συνδυασμοί μελετήθηκαν αρτιότερα και τα αποτελέσματα υπήρξαν σπουδαία για την κοινωνία.
Στον χάλυβα και μόνο, τα 2.000 διαφορετικά κράματα που χρησιμοποιούμε καθημερινά, συνεχίζουν να βελτιώνονται ραγδαία. Η αντοχή τους αυξάνεται έναντι στατικών αλλά και δυναμικών φορτίσεων, σε αντίξοες συνθήκες όπως είναι π.χ. συνθήκες έντονης διάβρωσης, υψηλής θερμοκρασίας ή και συνδυασμός αυτών (βλ. αεριοστροβίλους αεροσκαφών ή ηλεκτροπαραγωγής), καθώς και σε καταστάσεις υποβάθμισης της δομής από ακτινοβολία (βλ. πυρηνικούς σταθμούς).
Αντίστοιχα, νέες κατηγορίες υλικών, όπως τα κράματα υψηλής εντροπίας, κάνουν την εμφάνισή τους και διεκδικούν τη θέση τους σε ειδικές και λοιπές εφαρμογές.
Περαιτέρω, αναρίθμητα παραδείγματα υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία αναφορικά με την ανάπτυξη κραμάτων χάλυβα και την επιλογή προσεκτικά σχεδιασμένων κατεργασιών παραγωγής με γνώμονα τη θερμική προϊστορία του κράματος κατά την αλληλουχία στερεοποίησης – διακρυστάλλωσης την ώρα της χύτευσης, ανακρυστάλλωσης κατά την αναθέρμανση, αλλαγής της μικροδομής κατά τη μορφοποίηση – διαμόρφωση. Φυσικά λαμβάνονται υπόψη σε όλα τα στάδια τα φαινόμενα κατακρήμνισης άλλων φάσεων, αλλά και οι κύριοι μετασχηματισμοί φάσης, τόσο κατά την παραγωγή – διαμόρφωση όσο και κατά την πιθανή μετέπειτα ή ταυτόχρονη θερμική επεξεργασία.
Υπολογιστικά μπορούμε σήμερα να μελετήσουμε, να σχεδιάσουμε και να επιβεβαιώσουμε την επίτευξη βέλτιστων ιδιοτήτων μέσω του ελέγχου της εξέλιξης της μικροδομής και του κρυσταλλογραφικού ιστού. Αυτό είναι εξόχως σημαντικό π.χ. στη διαμόρφωση κυαθίων αναψυκτικού, στις διαμορφώσεις λεπτών ελασμάτων, στην ανάπτυξη βελτιστοποιημέων φερομαγνητικών υλικών για χρήση σε αποδοτικούς ηλεκτροκινητήρες νέας γενιάς ηλεκτρικών οχημάτων κ.α.
Μέχρι πρότινος, ο έλεγχος της εξέλιξης του κρυσταλλογραφικού ιστού επιτυγχανόταν έπειτα από αρκετές ώρες δοκιμής – σφάλματος του τελικού προϊόντος, μέσω ελεγχόμενης μηχανικής παραμόρφωσης, ανάλυσης των στοιχείων παραγωγής και επακόλουθου ποιοτικού ελέγχου, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου μικροδομής – μηχανικών ιδιοτήτων. Με τον τρόπο αυτό έχουν αναπτυχθεί τις τελευταίες δεκαετίες όλοι οι προηγμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής και τα προηγμένα υλικά για τις ατράκτους οχημάτων, αεροσκαφών, κατασκευών κτλ.
Οι επιταγές της κυκλικής οικονομίας καθιστούν «εκ των ων ουκ άνευ» τη χρήση υπολογιστικών τεχνικών και για την ανάπτυξη υλικών. Η αύξηση των ροών υλικών που έχουν ολοκληρώσει τον κύκλο ζωής τους θα επιφέρει αύξηση της επιμολυντικής δράσης κάποιων ανεπιθύμητων στοιχείων, τόσο στο χάλυβα όσο και στα μη σιδηρούχα κράματα, κυρίως στα κράματα αλουμινίου και χαλκού. Είναι αδήριτη, λοιπόν, η ανάγκη για ανάπτυξη νέων τεχνικών διαχωρισμού, ανάκτησης και σχεδιασμού των νέων υλικών.
Οι ενσωματωμένες υπολογιστικές τεχνικές προσομοίωσης στην Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών (Integrated Computational Materials Engineering [ICME]) προσφέρουν λύσεις διευρύνοντας τις δυνατότητες της τεχνολογίας. Σε συνδυασμό με τη στοχευμένη πειραματική επιβεβαίωση αποτελούν σήμερα την παρούσα στάθμη της γνώσης («state of the art») στην ανάπτυξη νέων υλικών και στη βελτιστοποίηση υπαρχόντων κραμάτων και κατεργασιών.
*Ο Dr.-Ing. Σπ. Α. Παπαευθυμίου είναι αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
