KHOA HỌC MỚI VỀ VẬT LIỆU KỸ THUẬT SỐ

Là kỹ sư, chúng ta có xu hướng coi vật liệu chỉ đơn giản là vật liệu. Trong hầu hết các dự án kỹ thuật, vật liệu là “một thứ nhất định”, được xác định khi bắt đầu quá trình thiết kế, và hiếm khi thay đổi trong suốt quá trình đó. Chúng tôi chuẩn bị tinh chỉnh từng tham số hình học để tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật tối ưu, nhưng vật liệu được coi là một hạn chế hơn là một mức độ tự do. Sự phát triển gần đây của “vật liệu kỹ thuật số” có thể được thiết kế, phân tích và tối ưu hóa thông qua mô phỏng sẽ thay đổi mô hình này mãi mãi và mở ra khả năng vô tận cho sự phát triển công nghệ và văn hóa.

Mọi tiến bộ đáng kể trong nền văn minh nhân loại đều được thúc đẩy bởi những phát triển mang tính cách mạng (chứ không phải tiến hóa) trong khoa học vật liệu: từ Thời đại đồ đồng qua thời kỳ đồ đá đến Cách mạng Công nghiệp, cho đến “Thời đại Silicon” hiện tại, những phát triển trong công nghệ vật liệu đã báo trước một kỷ nguyên mới của tiến bộ công nghệ và văn hóa.

Tuy nhiên, cho đến gần đây, tốc độ phát triển của khoa học vật liệu đã tụt hậu so với tốc độ đổi mới phát triển sản phẩm, vì thời gian và chi phí cần thiết để phát triển và thử nghiệm các vật liệu mới thường đòi hỏi sự nghiên cứu thực nghiệm của hàng trăm (nếu không phải hàng nghìn) các biến thể của cấu hình vi mô và công thức hóa học.

Khoa học vật liệu và kỹ thuật

Những tiến bộ công nghệ lớn hầu như luôn phụ thuộc vào việc tạo ra (hoặc khám phá) các vật liệu mới. Sự phát triển mang tính cách mạng trong khoa học vật liệu cho phép mở ra thế hệ tiếp theo của tiến bộ công nghệ. Việc khai thác đầy đủ các công nghệ đó (bởi các kỹ sư) thường sẽ đòi hỏi đầu tư nhiều hơn vào sự phát triển tiến hóa của các vật liệu đó.

Những đổi mới về hình dạng ở cả quy mô vĩ mô và vi mô đang làm gia tăng độ phức tạp của sản phẩm và đang thách thức các công cụ mô phỏng chính thống để bắt kịp tốc độ

Vì vậy, mặc dù các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu truyền cảm hứng cho nhau để tạo ra những cấp độ đổi mới mới thông qua một kiểu “chạy đua vũ trang có đạo đức”, nhưng kỹ thuật và khoa học vật liệu phần lớn là những ngành riêng biệt. Việc hợp tác luôn bị hạn chế bởi thực tế là, mặc dù phần lớn thiết kế kỹ thuật đã chuyển sang mô phỏng CAE, việc phát triển các vật liệu mới thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm hơn là trên máy tính. Điều này gây mất thời gian, khó khăn và tốn kém.

Trạng thái của vật liệu được xác định bởi cấu trúc vi mô của nó. Bao gồm bất kỳ lỗi nào được đưa vào quá trình sản xuất. Sự thất bại bắt đầu ở cấp độ vi mô và lan truyền sang các cấp độ lớn hơn

Công việc của các kỹ sư là cải thiện dần hiệu suất của sản phẩm liên quan đến các mục tiêu như ứng suất, nhiệt độ, sự mỏi (của kim loại), âm thanh, chi phí hoặc tính bền vững, bằng cách thực hiện các thay đổi thiết kế gia tăng. Đôi khi chúng được điều khiển theo cách thủ công, nhưng ngày càng tăng thông qua quá trình khám phá thiết kế tự động, nơi AI xác định sự cải tiến tiếp theo từ kết quả của các mô phỏng trước đó. Mặc dù rõ ràng là có những hạn chế, nhưng tiến bộ kỹ thuật phụ thuộc vào việc khai thác mọi mức độ tự do có thể có, điều chỉnh mọi thông số hình học và cơ học cho đến khi tìm ra giải pháp tối ưu.

Tuy nhiên, quá trình này thường bắt đầu với việc lựa chọn vật liệu có sẵn trên thị trường (từ cơ sở dữ liệu trực tuyến hoặc danh mục PDF) và quá trình thiết kế sẽ tối ưu hóa hiệu suất dựa trên vật liệu đã được chọn. Vì vậy, trong khi quá trình thiết kế có thể thay đổi bất kỳ số lượng thông số hình học nào, các vật liệu vẫn cố định trong suốt. Nói cách khác, vật chất là một ràng buộc, chứ không phải là một mức độ tự do.

Nguồn: Siemens

Leave a Reply

Your email address will not be published.