Blog

Aug 09, 2023

El software integrado de diseño computacional de materiales simula pruebas de materiales complejos

El primer siglo de humanos en vuelo –tanto por encima de las nubes como en el espacio exterior– estuvo respaldado por un enfoque en gran medida analógico de la ingeniería de materiales. El progreso a lo largo de los años fue constante a medida que

El primer siglo de humanos en vuelo –tanto por encima de las nubes como en el espacio exterior– estuvo respaldado por un enfoque en gran medida analógico de la ingeniería de materiales. El progreso a lo largo de los años fue constante a medida que la tecnología avanzaba para ampliar continuamente nuestra comprensión de lo que era posible.

Ahora, una transformación digital de los materiales ha cambiado drásticamente la industria y la evolución continúa hoy. La experimentación de prueba y error se está convirtiendo en una cosa del pasado, ya que se pueden detectar más errores mucho antes de que se pueda realizar cualquier vuelo de prueba.

Una de las herramientas que lideran la revolución esICMD® de Questek Software (Diseño Computacional Integrado de Materiales). Su impacto en los materiales, la fabricación y el diseño aeroespaciales ya es evidente. Los plazos para la creación, prueba y certificación de materiales novedosos se pueden reducir a la mitad, eliminando años de experimentación y millones de dólares de la ecuación.

Pero ICMD también ayuda a impulsar la tecnología aún más, resolviendo problemas existentes que actualmente limitan los límites de lo que los humanos pueden hacer y hacia dónde podemos ir. ICMD utiliza modelos computacionales basados ​​en la física y potentes conjuntos de herramientas para permitir el diseño de materiales, la calificación y certificación aceleradas, la informática, el análisis y la simulación. Este enfoque simula sistemas complejos de prueba de materiales para diferentes atributos de rendimiento.

Ya sea creando nuevos materiales o mejorando las propiedades de los existentes, existen cuatro pilares principales de las capacidades ICMD de QuesTek.

Diseño de aleación El diseño de aleaciones aporta materiales completamente novedosos a la industria. Para lograr un mayor rendimiento, los fabricantes aeroespaciales necesitan acceder a materiales con propiedades que no existían antes. Al utilizar ICMD, pueden diseñar, desarrollar, calificar e implementar materiales novedosos en componentes críticos de vuelo.

Comienza con una lista de propiedades objetivo del material que quieren lograr. Por ejemplo, los materiales existentes para componentes de bombas de combustible y carcasas para vehículos de lanzamiento espacial sometidos a oxígeno a alta presión pueden tener buena resistencia a las quemaduras. Pero esa resistencia a las quemaduras disminuye con las adiciones de aleación necesarias para lograr resistencia, resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación.

Las aleaciones disponibles comercialmente tienen menor resistencia y no tienen una resistencia significativa a la combustión. ICMD puede identificar posibles conceptos metalúrgicos que podrían conducir al logro del objetivo.

A través de la ingeniería computacional integrada de materiales (ICME), que es la vinculación del procesamiento, la microestructura, las propiedades y el rendimiento de un material mediante la unión de información de dos o más modelos validados o códigos de simulación, se calculan, crean prototipos, prueban y demuestran que las composiciones prometedoras son encaminarse en la dirección adecuada de la mejora necesaria.

El modelado también se aplica para llevar el material a escala de producción, momento en el que el fabricante aeroespacial asume el control y, después de varios años de pruebas y cualificación, el producto despega.

Questek es el investigador principal del proyecto para unprograma ARPA-E con los colaboradores Pratt y Whitney, la NASA y la Universidad de Minnesota. El programa se centra en el desarrollo de materiales para palas de turbinas de próxima generación para motores a reacción. Las palas de las turbinas aeroespaciales están hechas de superaleaciones de níquel y lo han sido durante muchos años. Pero existe una necesidad en la industria de una cuchilla que pueda funcionar más caliente para hacerla más eficiente en cuanto a combustible.

El objetivo es aumentar la temperatura de funcionamiento de un motor a reacción en 200°C. El proceso incluye cambiar a un material a base de niobio en lugar de níquel. QuesTek está utilizando su software ICMD para diseñar una serie de aleaciones de niobio que logran propiedades personalizadas dentro del componente en el centro y en el borde de la pala de la turbina.

En otro ejemplo,Boeing y QuesTek colaboraron en un programa America Makes imprimir en 3D dos materiales muy diferentes juntos para un componente con un material en una parte y un segundo material en otra parte. QuesTek se encargó de desarrollar los gradientes de composición precisos para una impresión exitosa.

QuesTek utilizó ICMD para modelar las fases que se formarían al imprimir el material degradado y recomendar modificaciones de composición y parámetros de tratamiento térmico posterior a la impresión para asegurar un tránsito fluido de un tipo de aleación a otro. Como ejemplo de las métricas clave del modelado, un posible resultado negativo que se puede identificar de antemano es la probabilidad de que se formen fases intermetálicas frágiles e indeseables durante la solidificación, la exposición a altas temperaturas o el tratamiento térmico.

Los cálculos evalúan la imprimibilidad, el rango de congelación y la susceptibilidad al agrietamiento del material. Sin utilizar ICMD es un proceso lento que, si se intentara realizar de forma experimental, sería casi imposible debido a las combinaciones casi infinitas.

Calificación de materiales La calificación de material como término se explica por sí misma: es el proceso de calificar un material para una nueva aplicación. Las herramientas digitales como ICMD ahorran tiempo de desarrollo y costos de calificación al aplicar modelos para predecir propiedades y cuantificar la incertidumbre en esas predicciones.

QuesTek utiliza un método llamado Inserción Acelerada de Materiales (AIM), desarrollado inicialmente bajo una iniciativa financiada por DARPA, donde la capacidad de modelado dentro de ese marco permite aplicar un conjunto de datos limitado para calibrar modelos y predecir propiedades en una gama más amplia de lotes de producción con alta fidelidad.

Eso permite el uso de modelado para determinar si el proceso y las especificaciones del material son apropiados para lograr las propiedades deseadas. Los ahorros radican en la capacidad de guiar los cambios en ciertas especificaciones en una etapa temprana del desarrollo de datos para garantizar que se evite un esfuerzo costoso y exhaustivo de producción y prueba de materiales que solo no alcance los objetivos previstos.

Los fabricantes de equipos originales de aeronaves y aeroespaciales deben presentar un paquete a la FAA o la NASA para calificar nuevos diseños, componentes y materiales. La cantidad de pruebas es significativa. Pero la FAA y la NASA son ambasabierto a recibir paquetes de datos o paquetes de calificación con menos pruebas, pero con predicciones computacionales más respaldadas. Si bien la FAA no aceptará un paquete de datos de un gran OEM aeroespacial con 15 puntos de datos y un montón de modelos ICME, hay formas de acelerar el cronograma.

El proceso de calificación normal requiere mucho tiempo, dinero y mucho material. La cantidad de procesamiento y pruebas es extensa. Con ICMD, existe una confianza temprana en la capacidad de lograr las propiedades necesarias para el diseño. Los ahorros son enormes cuando un lapso de tiempo de 10 a 20 años puede reducirse a cinco.

AEstudio de caso patrocinado por el NIST sobre el acero Ferrium® M54 La aceleración describe cómo se utilizó la calificación y la razón por la cual se pudo acortar el cronograma. Las predicciones de los modelos, que aceleraron el proceso al eliminar múltiples calores, tratamientos térmicos y caracterizaciones a escala de producción al modelar el tratamiento térmico exacto requerido, dieron a la Armada la confianza para comenzar a fabricar componentes de prueba antes de recibir la certificación aeroespacial para el material.

Optimización de los procesos existentes La optimización de los procesos existentes para los clientes aeroespaciales comienza cuando tienen un problema con un proceso que ya está implementado o cuando quieren mejorarlo. Los modelos ICMD se pueden aplicar a la optimización de procesos y producción. También puede ayudar a eliminar pasos y/o hacerlos más eficientes.

Se logran mejores propiedades modificando el proceso, como con Ferrium.®Acero C64, donde se optimizó su procesamiento utilizando ICMD para eliminar ciertos pasos utilizados en la producción de engranajes convencionales para el sector aeroespacial.

Ferrium C64 había sido desarrollado inicialmente por QuesTek en el marco de un programa financiado por la Marina hace más de una década. Ofrece templabilidad de la superficie, resistencia y tenacidad del núcleo, estabilidad a altas temperaturas, velocidades de enfriamiento más lentas para mitigar la distorsión y un procesamiento optimizado.

El acero C64 fue diseñado específicamente para soportar el tipo de altas temperaturas que resultan de una caja de cambios sin aceite y aumentar en gran medida la capacidad de supervivencia sin aceite. Utiliza un tipo específico de carburo que permite templarlo a una temperatura extremadamente alta, alrededor de 900°F. Por otra parte, muchos aceros actuales se tratan térmicamente a temperaturas mucho más bajas. Esos aceros fallan a altas temperaturas porque las partículas de refuerzo comienzan a espesarse y disolverse cuando la temperatura excede ese número.

Los procesos de optimización en el desarrollo de C64 se lograron mediante el enfoque de modelado computacional de QuesTek. Por ejemplo, con la optimización del tratamiento térmico, el modelado puede ayudar de manera eficiente a determinar la combinación correcta de tiempo y temperatura para lograr las propiedades deseadas.

El modelado computacional también ahorra tiempo y recursos en desafíos como cómo reducir la distorsión durante el proceso de enfriamiento. ¿Con qué lentitud se puede enfriar un material sin alterar su microestructura de manera que comprometa propiedades clave? Aportes de diseño como este ayudan a garantizar que el material funcione según lo previsto.

Fabricación aditiva La fabricación aditiva (AM) es una forma relativamente nueva de construir piezas y fabricar componentes. Muchas industrias están dedicando mucho tiempo y esfuerzo a las pruebas iterativas. QuesTek ayuda a los clientes a optimizar ese proceso mediante el modelado en lugar de pasar por múltiples pruebas, lo que cuesta tiempo, dinero y genera un importante desperdicio de material.

El software ICMD de QuesTek optimiza las composiciones de materiales para el proceso de aditivos y los parámetros de AM para realizar construcciones eficientes y sin grietas y lograr las propiedades objetivo. Básicamente, ayuda a reemplazar el diseño de experimentos, las pruebas iterativas y el ensayo y error, y ayuda a aportar confianza a ese proceso.

Norsk Titanium y QuesTek colaboraron recientemente avanzar en el uso innovador del alambre de aleación de níquel Inconel Alloy 625 en la deposición de energía dirigida AM. Esto proporcionará a los fabricantes una alternativa a la fundición para grandes componentes aeroespaciales e industriales y les permitirá evitar importantes retrasos en la cadena de suministro, al tiempo que aprovechará el proceso de aditivos para lograr ahorros de peso y mejoras de rendimiento únicos.

La colaboración también acelerará el cronograma para perfeccionar el tratamiento térmico del alambre de níquel en AM. El uso de prueba y error podría requerir docenas de casos de prueba, pero el software ICMD de QuesTek reduce el número necesario a sólo uno o dos para la demostración.

Otro ejemplo es el desarrollo de nuevos polvos de aluminio. El objetivo es equilibrar la creación de una microestructura de material que no sea propensa a agrietarse cuando se imprime mediante un proceso aditivo y, al mismo tiempo, lograr niveles de resistencia de los materiales convencionales de fundición o forja.

ICMD permite modelar la formación de fases microestructurales únicas con velocidades de enfriamiento muy rápidas y permite el diseño de microestructuras que aprovechan estas fases para mejorar la resistencia y al mismo tiempo equilibrar la capacidad de impresión sin grietas. La formación de estas nuevas fases es exclusiva de las rápidas velocidades de enfriamiento de la AM, y ICMD permite comprender cuáles son estas fases y cómo se pueden aprovechar.

No existe ningún modelo que pueda predecir con precisión las alturas que eventualmente alcanzará la industria aeroespacial. Pero con herramientas como ICMD transformando digitalmente la industria, creando materiales que antes no existían y haciéndonos reconsiderar lo que es posible, el cielo definitivamente no es el límite.

QuesTek

Jeff Grabowski es director de desarrollo empresarial y Kerem Taskin es ingeniero senior de soluciones para clientes en QuesTek Innovations. Puede contactarlos en QuesTek.com