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ICMEコンセプトに基づくマルチスケールな合金開発

科学システムサポート部 CAEサポート課 大場 一輝

[2017/12/01]

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国内においてマルチスケールと言うと複合材に関する数値解析を連想されがちですが、欧米を中心に合金分野においてもマルチスケールな計算手法が盛んに議論されており、それらは"ICME"と総称されています。

ICME(Integrated Computational Materials Engineering)はミシガン大学のアリソン教授により提唱されたコンセプトであり、大雑把に言えば材料開発分野でのCAE推進による開発期間・コストの削減を目標としています。構造解析や流体解析のような既に解析手法が確立された分野とは異なり、金属材料工学は組織写真の観察と評価に代表されるような経験論を多分に含む分野であり、目標性能達成までは非常に遠い道のりとなっています。ICMEは世界各国で精力的に研究が進められており、例えば米国ではMaterials Genome Initiative(MGIとして2011年度から2013年度だけでも250億円以上の投資がされていたり、EUや中国などでも百億円規模の投資がされています。ICME活動の成果として数値計算が材料設計のワークフローに深く取り入れられるまでにはまだかなりの年数が必要であると予測されていますが、ICMEによる材料設計のCAE化は夢物語でないと人々が考えていることは、世界各国の投資額を見れば明らかです。また、米国と欧州では隔年にICME会議が開催されており、活発な議論がされています。

材料に関する理解はナノスケールの量子計算により大部分が得られることは想像に難くないですが、同時に直接ミクロやマクロなスケールに量子計算を持ち込むことが計算量の観点で実質不可能であることも想像に難くないことです。そのため、ICMEでは計算の起点となるデータベースの構築と希望した条件に合致したデータの生成・抽出といったデータベース関連技術、データベースから得られた情報を用いて数値解析する技術の両面でアプローチがされています。前者の技術ではCALPHAD法が非常に発達しており、そのため少なくとも現時点ではCALPHAD法がICMEの中核を形成している印象を受けます。後者の技術ではCALPHAD法と連携して組織形成を直接計算するフェーズフィールド法、得られたミクロ組織構造からマクロの等価材料物性を得る均質化法や結晶塑性法有限要素法などがあり、さらに部品設計との同時進行での材料設計というところまでを考えると、構造解析までを取り込んだマルチスケール計算も視野に入ります。

CTCではICMEに関するソリューションとして、鉄鋼の連続鋳造~熱間圧延を題材に取り、材料のミクロ組織形成ベースの均質化物性の計算とそれに基づいた圧延工程の計算、さらにその影響によるミクロ組織の再結晶までを一連のマルチスケール計算手法として構築しました。CALPHAD法計算ソフトのThermo-Calc、フェーズフィールド法計算ソフトMICRESS、均質化法計算ソフトMICRESS HOMATに、有限要素法ソフトAbaqus、分子動力学計算ソフトLAMMPS、第一原理計算ソフトVASPを加え、それらをICMEコンセプトのもとに統合した、非常にマルチスケールな計算事例となります。この事例は前述のICME会議(2016年スペインバルセロナ、2017年米国ミシガン)をはじめとする国内外のカンファレンスにおいて発表し、非常に高い評価を得てきました。その成果は下記の論文としてまとめられています。 S. Nomoto, M. Oba, K. Mori, and A. Yamanaka,
Microstructure-Based Multiscale Analysis of Hot Rolling of Duplex
Stainless Steel Using Various Simulation Software,
Integr. Mater. Manuf. Innov., Vol.6 (2017), pp.1?14.

前述のICME会議において、Thermo-CalcとMICRESSがそれぞれCALPHAD法、フェーズフィールド法の計算ソフトとして圧倒的なシェアで利用されていたことは、これら製品をサポートする私たちにとって非常に印象的でしたが、製品の方もそれに呼応する形で、今後ICMEのコンセプトを取り入れて機能強化していくことが予定されています。CTCでは世界のICMEの動向を継続的に注視するとともに、これら製品群のトータルなサポートを継続して展開していきたいと思っております。

統合型熱力学計算システムThermo-Calcの紹介ページはこちら
http://www.engineering-eye.com/THERMOCALC/index.html

マルチフェーズフィールド法金属組織形成計算ソフトウェア MICRESSの紹介ページはこちら
http://www.engineering-eye.com/MICRESS/index.html

均質化法計算ソフトウェア MICRESS HOMATの紹介ページはこちら
http://www.engineering-eye.com/HOMAT/index.html