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L’informatique des matériaux consiste en l'application de l’informatique, de la science des données et de l’intelligence artificielle à la caractérisation, la catégorisation, la sélection et au développement des matériaux.
Avant l'introduction de l'informatique des matériaux, les ingénieurs et les scientifiques créaient des listes de matériaux et stockaient ces informations dans des manuels ou des bases de données simples. Lorsqu'ils avaient besoin d'informations sur un matériau spécifique, ils effectuaient des recherches manuelles dans leurs dossiers.
L'application de l'informatique offre des méthodes améliorées de collecte et d'organisation des données de propriété des matériaux, de suivi de l'historique et de l'utilisation de ces données, de rationalisation et d'automatisation de la recherche de matériaux, et même d'aide au développement de nouveaux matériaux. La science des matériaux dans l'ensemble de votre entreprise bénéficie de l'intégration de la science des données, de l'informatique et de l'intelligence artificielle (IA) à une solution informatique des matériaux.
Au début de la révolution industrielle, les ingénieurs ont appris que comprendre et documenter les caractéristiques des différents matériaux était essentiel au développement de produits. Lors du choix des matériaux à utiliser dans une machine, les ingénieurs devaient connaître la densité, la rigidité, la résistance et le coût de chaque matériau qu'ils souhaitaient utiliser. Avec le temps, la liste des propriétés des matériaux s'est standardisée, ce qui a rendu possible le partage des données.
Avant les ordinateurs, ces informations étaient saisies dans des fiches techniques ou des manuels, et les ingénieurs devaient rechercher les propriétés manuellement, les synthétiser dans des tableaux et faire leurs choix de matériaux en conséquence. Les ingénieurs les plus expérimentés s'appuyaient sur leurs connaissances et les matériaux qu'ils avaient déjà utilisés auparavant. Lorsque les ordinateurs sont apparus, ces listes ont été numérisées dans des bases de données consultables, mais le processus restait manuel.
À mesure que le nombre de matériaux disponibles augmentait et que le domaine de la science et de l'ingénierie des matériaux se développait, les gens ont commencé à appliquer la technologie informatique moderne à leurs données de matériaux, ce qui a conduit au développement de l'informatique des matériaux.
Parmi les technologies clés mises à la disposition des chercheurs, ingénieurs et fabricants de matériaux au cours des dernières années, on peut citer les suivantes :
Au lieu de s'appuyer sur des essais et des erreurs ou sur des connaissances pour effectuer des recherches de matériaux, les ingénieurs ont désormais accès aux dernières méthodologies de recherche, d'optimisation et d'analyse pour la découverte de matériaux et le développement de matériaux. Les personnes ne possédant pas de connaissances spécifiques en science des matériaux peuvent commencer par un objectif de conception et utiliser l'informatique des matériaux pour identifier les matériaux adaptés à leur application.
La chaîne de simulation et le fonctionnement d'un système d'informatique des matériaux peuvent être divisés en deux parties distinctes. Le premier concerne l'obtention et la structure des jeux de données. La seconde consiste à utiliser le système pour la découverte de matériaux ou la conception de matériaux. Même si vous achetez un système prêt à l'emploi, il est important de comprendre comment il a été créé pour s'assurer que les outils des systèmes d'informatique des matériaux tirent pleinement parti des fonctionnalités actuelles et qu'ils peuvent facilement intégrer la prochaine génération d'avancées en matière de science et d'informatique des matériaux.
Avant qu'un système d'informatique des matériaux puisse être utilisé pour la recherche de matériaux, il doit être alimenté avec des jeux de données décrivant les matériaux qu'il gère. Ces données doivent également être organisées de manière à permettre un accès cohérent. Les aspects clés de tout outil d'informatique des matériaux incluent :
Le composant le plus important d'un outil efficace pour l'étude et la sélection des matériaux est le jeu de données représentant chaque matériau et ses variations. Lorsqu'elles sont disponibles, les données peuvent être achetées, obtenues auprès de sources gouvernementales ou académiques, ou fournies par les fournisseurs de matériaux. Les nouvelles plateformes informatiques de matériaux peuvent tirer parti des grands modèles de langage (LLM) pour extraire et numériser les données existantes stockées dans des fiches techniques, des rapports de laboratoire, des manuels et d'anciennes bases de données, et être intégrées à des ensembles de données utilisables. Lorsque les données sont indisponibles ou incomplètes, en particulier pour les matériaux nouveaux ou avancés, une entreprise doit effectuer des tests pour obtenir des données expérimentales ou utiliser les informations existantes provenant de matériaux similaires pour calculer ou estimer les propriétés manquantes.
La manière dont les jeux de données sont structurés est la première étape de la transformation d'une base de données de matériaux en un outil qui exploite l'analyse des données, le calcul et l'intelligence artificielle. La structure de données choisie doit prendre en charge les outils de saisie, de gestion, de recherche et d'accès aux données, à la fois au sein du système et via des outils externes.
Les aspects clés que la structure de données doit prendre en charge sont les suivants :
En fin de compte, l'objectif d'un système d'informatique des matériaux est d'aider les utilisateurs à stocker, gérer, comprendre, choisir ou développer des matériaux. Par conséquent, l'interface utilisateur est essentielle à l'utilité de toute plateforme. Elle doit être intuitive tout en restant suffisamment puissante pour gérer les études commerciales complexes sur les matériaux.
Par exemple, elle doit fournir aux ingénieurs de la recherche et du développement (R&D) spécialisés dans la science des matériaux les fonctionnalités nécessaires pour explorer les familles de composites avancés nécessaires à la conception d'une sonde pour l'exploration de l'espace lointain, tout en étant utilisables par un ingénieur de développement de produits comparant plusieurs polymères lors de la conception d'un produit de consommation.
Une interface utilisateur robuste comprend également des outils de recherche intelligents qui permettent aux utilisateurs de filtrer par propriétés et d'identifier les matériaux associés. Les outils de visualisation permettent aux utilisateurs de comparer les différences entre les matériaux ou les variations dans les données des matériaux.
L'un des outils les plus courants pour la sélection systématique des matériaux est l'Ashby Plot. Ce nuage de points affiche deux propriétés de matériau ou plus de sorte que les ingénieurs puissent comparer leurs caractéristiques et prendre rapidement des décisions basées sur les données concernant les matériaux.
Les données extraites d'un système d'informatique de matériaux doivent être facilement transférables vers d'autres outils utilisés par les ingénieurs et les chercheurs dans leurs interfaces utilisateur natives, dans la mesure du possible. Une plateforme doit pouvoir se connecter directement aux outils de conception assistée par ordinateur (CAO), de simulation, de fabrication, de chaîne logistique et d'assurance qualité.
Pour cela, les conditions suivantes doivent être réunies :
Une intégration sur plusieurs plateformes bien conçue permet d'accéder sans effort à une source unique d'informations vérifiées sur les matériaux pour les ingénieurs de conception, de fabrication et de simulation de toute l'entreprise.
Des structures de données robustes associées à des jeux de données de grande taille et de haute qualité permettent l'analyse des données à des fins de comparaison, de classement, d'optimisation et d'application de techniques d'apprentissage automatique telles que l'apprentissage profond et l'analyse prédictive. La simulation peut également prendre en charge l'analyse chimique, la conception métamatérielleet la modélisation prédictive. Cela est particulièrement utile lorsqu'un système d'informatique des matériaux est utilisé pour un projet axé sur la synthèse de nouveaux matériaux.
L'un des avantages de l'application de la science de l'information à la science des matériaux est la capacité à obtenir une traçabilité fiable tout au long du processus. Du suivi des normes utilisées pour les tests de matériaux à l'enregistrement des personnes qui ont ajouté ou modifié quelles données et quand, la traçabilité ajoute un niveau de sécurité et de responsabilité supplémentaire aux jeux de données du système.
Les utilisateurs de systèmes d'informatique des matériaux suivent généralement trois types de chaîne de simulation : la sélection d'un matériau, la recherche de données sur un matériau connu et la gestion des données de matériau.
Lorsqu'un ingénieur ou un scientifique souhaite sélectionner un matériau, il suit généralement trois étapes :
Le point de départ de toute exploration des options de matériaux basée sur les données est d'établir les exigences de ce matériau. Les utilisateurs doivent comprendre comment leur système d'informatique des matériaux définit ces exigences ou quelles caractéristiques matérielles les influencent. Les exigences ne sont pas seulement des propriétés mécaniques telles que la densité ou la rigidité. Elles comprennent également des facteurs tels que le coût, la disponibilité, les traitements requis, la manipulation, les objectifs de développement durable, et les restrictions réglementaires.
L'utilisateur utilise ensuite les capacités du système pour explorer, rechercher, comparer et prévoir le matériau qui répond le mieux à ses besoins. Comme de nombreuses exigences peuvent être contradictoires, une simple recherche par plages de valeurs requises fonctionne rarement. L'exploitation des capacités de big data dans un système d'informatique des matériaux permet aux ingénieurs de trouver le matériau le mieux adapté grâce à un processus de sélection des matériaux basé sur les données.
Une fois qu'un matériau est sélectionné, le choix doit être vérifié par le biais de tests ou de simulations. Pour ce faire, il est possible d'effectuer des calculs simples au sein du système d'informatique des matériaux ou par le biais d'une simulation qui utilise les données qui en découlent. Dans les cas où les tests virtuels par simulation ne sont pas adaptés, l'utilisateur doit effectuer des tests physiques. Les résultats de tout test supplémentaire doivent ensuite être saisis dans le système pour améliorer les modèles d'apprentissage automatique. Les utilisateurs doivent également renseigner comment, quand et où ils utilisent les données de matériaux provenant de la plateforme d'informatique des matériaux à des fins de qualité et de traçabilité.
Lorsqu'un utilisateur souhaite accéder aux données d'un matériau connu, il effectue généralement une recherche dans le jeu de données du système à l'aide d'un identifiant tel qu'un nom, un numéro standard ou une nomenclature interne. Une fois les informations trouvées, elles sont extraites dans le format souhaité pour faciliter l'utilisation. Les fichiers de données extraits doivent également contenir des informations sur la source de données.
La chaîne de simulation finale est l'une des plus importantes : la gestion des données de matériaux. Ce processus implique de localiser les enregistrements de données pertinents et de les modifier de manière intuitive et traçable. Il peut également inclure des étapes pour lier les données associées et marquer les données inexactes ou remplacées comme inutilisables.
L'informatique des matériaux a fait des progrès considérables, des bases de données simples aux actuelles suites d'outils intégrées compatibles avec l'IA. Les entreprises de toutes tailles peuvent profiter des avantages de l'informatique des matériaux en restant au fait des dernières tendances et en adoptant l'outil d'intelligence des matériaux adapté à leurs besoins.
La tendance la plus importante pour l'informatique des matériaux est l'utilisation continue des frameworks de machine learning et de deep learning (DL). Ces technologies, associées à de grands modèles linguistiques, font de la découverte de matériaux basée sur l'IA une réalité qui peut offrir des avantages significatifs aux utilisateurs.
Parmi les autres tendances émergentes, il y a une meilleure intégration, à la fois au sein des plateformes d'informations sur les matériaux et entre ces plateformes et d'autres applications telles que les outils de chaîne logistique, les logiciels de CAO et la simulation. Les entreprises plus avancées utilisent également des agents basés sur l'IA pour automatiser les tâches liées à la maintenance et à la découverte des données matérielles, ainsi que pour l'intégration dans leur chaîne de simulation.
Les équipes de science des données et les entreprises spécialisées dans les outils d'informatique des matériaux bénéficient également d'un meilleur accès aux données matérielles, d'infrastructures technologiques basées sur le cloud et d'outils de visualisation et de comparaison plus avancés. Ensemble, ces tendances permettent une utilisation plus précise, plus efficace et plus innovante des données de matériaux.
Les équipes d'ingénierie peuvent améliorer leurs processus de sélection et de gestion des données de matériau grâce à des outils tels que la collection de produits Ansys Granta pour la gestion des données, la sélection et la gestion des matériaux, qui fournit des informations sur les matériaux basées sur les données aux utilisateurs, des ingénieurs en conception aux spécialistes des matériaux. Ces outils permettent aux entreprises de capturer et de protéger les données matérielles tout en prenant en charge l'évaluation et la sélection des matériaux.
Pour les entreprises qui ont besoin d'un système complet d'informations sur les matériaux, une solution telle que le logiciel de gestion des données sur les matériaux Ansys Granta MI Enterprise prend en charge l'intégration avec les outils CAD, l'ingénierie assistée par ordinateur (CAE) et la gestion du cycle de vie des produits (PLM). Les équipes de conception bénéficient d'interfaces utilisateur intuitives et suivent la source unique et vérifiée disponible pour toute l'entreprise. Pour les entreprises principalement intéressées par la sélection de l'informatique des matériaux, des outils spécialisés tels que le logiciel de sélection des matériaux Ansys Granta Selector peuvent aider les utilisateurs à prendre des décisions éclairées pour innover, résoudre les problèmes liés aux matériaux, réduire les coûts et valider les choix de matériaux.
Les entreprises qui mettent en œuvre l'informatique des matériaux doivent également développer leur savoir-faire interne, ou collaborer avec un partenaire, afin de caractériser et de capturer de nouveaux matériaux, de partager des informations sur les matériaux et de développer les meilleures pratiques en matière de science des matériaux et d'utilisation des données des matériaux dans les applications en aval. L'équipe de collaboration Ansys Granta est une référence dans le secteur pour ce type de partenariat.
En intégrant la simulation, l'informatique des matériaux va au-delà de la gestion et de l'analyse des données. La simulation utilise des méthodes de calcul pour prendre en charge les trois phases de la chaîne de simulation : la définition, la sélection et le développement de matériaux. Les propriétés des matériaux étant des éléments fondamentaux dans toute simulation, les ingénieurs peuvent effectuer des analyses pour déterminer les propriétés nécessaires, développer de nouvelles combinaisons de matériaux ou configurations composites, calculer les effets des étapes de post-traitement et vérifier l'efficacité d'un matériau, le tout sans avoir à effectuer de tests physiques coûteux.
La combinaison du logiciel d'analyse structurelle par éléments finis Ansys Mechanical et de la base de données de propriétés Ansys Granta Materials Data for Simulation, une bibliothèque de données de matériaux disponible en option avec les solveurs Ansys clés, illustre parfaitement la façon dont l'informatique des matériaux peut être intégrée directement dans le processus de simulation, et vice versa. Les ingénieurs peuvent choisir des matériaux et évaluer leurs performances dans diverses conditions de charge. Un module d'optimisation et une interface de conception d'expériences, tels que les outils d'exploration de conception intégrés au logiciel Mechanical, peuvent également aider les ingénieurs à évaluer la sensibilité de la conception en fonction des variations des propriétés des matériaux et même à optimiser les exigences d'une conception en matière de matériaux.
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