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L'informatica dei materiali è l'applicazione dell'informatica, della scienza dei dati e dell'intelligenza artificiale alla caratterizzazione, categorizzazione, selezione e sviluppo dei materiali.
Prima dell'avvento dell'informatica dei materiali, gli ingegneri e gli scienziati compilavano elenchi di materiali e archiviavano tali informazioni in manuali o semplici database. Quando avevano bisogno di informazioni su un materiale specifico, cercavano manualmente le informazioni desiderate.
L'applicazione dell'informatica offre metodi migliorati per raccogliere e organizzare i dati sulle proprietà dei materiali, tenere traccia della cronologia e dell'utilizzo di tali dati, semplificare e automatizzare la ricerca di materiali e persino favorire lo sviluppo di nuovi materiali. La scienza dei materiali in tutta l'organizzazione offre vantaggi quando le scienze dei dati, le scienze informatiche e l'intelligenza artificiale (AI) vengono applicate a una soluzione di informatica dei materiali.
Sin dalle prime fasi della rivoluzione industriale, gli ingegneri hanno appreso che comprendere e documentare le caratteristiche dei diversi materiali era una parte essenziale dello sviluppo dei prodotti. Per decidere quali materiali utilizzare in una macchina, gli ingegneri dovevano conoscere la densità, la rigidità, la resistenza e il costo di ciascun materiale che desideravano utilizzare. Nel tempo, la catalogazione delle proprietà dei materiali è diventata standardizzata, rendendo possibile lo scambio di dati.
Prima dei computer, queste informazioni venivano raccolte in schede tecniche o manuali e gli ingegneri consultavano tali fonti manualmente, ricavavano le proprietà rilevanti, le riassumevano in tabelle e sceglievano i materiali di conseguenza. Gli ingegneri più esperti si affidavano alle conoscenze pregresse, preferendo materiali già utilizzati in passato. L'introduzione dei computer portò alla digitalizzazione di questi elenchi in database ricercabili, anche se il processo rimase comunque manuale.
L'aumento dei materiali disponibili e la crescente maturità della scienza e dell'ingegneria dei materiali spinsero le persone ad applicare le moderne tecnologie informatiche ai dati sui materiali, dando impulso allo sviluppo dell'informatica dei materiali.
Alcune delle tecnologie chiave rese disponibili negli ultimi anni a ricercatori, ingegneri e produttori di materiali includono:
Invece di basarsi sul tentativo‑errore o su conoscenze pregresse per effettuare ricerche sui materiali, oggi gli ingegneri hanno accesso alle moderne metodologie più recenti per la ricerca, l'ottimizzazione e l'analisi volte ad accelerare la scoperta e lo sviluppo di nuovi materiali. Anche chi non possiede competenze specifiche nella scienza dei materiali può partire da un obiettivo di progettazione e utilizzare l'informatica dei materiali per identificare i materiali più adatti alla propria applicazione.
Il flusso di lavoro e la funzionalità di qualsiasi sistema informatico dei materiali possono essere suddivisi in due parti. Il primo aspetto riguarda il modo in cui i dati vengono raccolti e organizzati. Il secondo si concentra sull'utilizzo del sistema per la scoperta o la progettazione di materiali. Anche quando si acquista un sistema pronto all'uso, è fondamentale comprendere come è stato sviluppato al fine di assicurarsi che gli strumenti dei sistemi informatici dei materiali sfruttino appieno le funzionalità attuali e siano in grado di integrare facilmente le future innovazioni nella scienza dei materiali e nell'informatica.
Prima che un sistema informatico dei materiali possa essere utilizzato per la ricerca sui materiali, è necessario popolarlo con dataset che descrivano i materiali gestiti. Questi dati devono inoltre essere strutturati in modo da garantire un accesso coerente. Gli elementi fondamentali di qualsiasi strumento informatico dei materiali includono:
Il componente più importante in uno strumento efficace per l'analisi e la selezione dei materiali è il dataset che rappresenta ciascun materiale e le relative varianti. Quando disponibili, i dati possono essere acquistati, ottenuti da fonti governative o accademiche o forniti da fornitori di materiali. Le piattaforme informatiche dei materiali più recenti possono utilizzare modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) per estrarre e digitalizzare i dati legacy archiviati in schede tecniche, report di laboratorio, manuali e database meno recenti in dataset utilizzabili. Quando i dati non sono disponibili o sono incompleti, in particolare per i materiali nuovi o avanzati, un'organizzazione deve condurre dei test per ottenere dati sperimentali o utilizzare le informazioni esistenti da materiali simili per calcolare o stimare le proprietà mancanti.
Il modo in cui i dataset sono strutturati è il primo passo per trasformare un database di materiali in uno strumento che sfrutta l'analisi dei dati, il calcolo e l'intelligenza artificiale. La struttura di dati scelta deve supportare strumenti per l'immissione, la gestione, la ricerca e l'accesso ai dati, sia all'interno del sistema sia tramite strumenti esterni.
Le considerazioni chiave che la struttura dei dati deve supportare includono:
In definitiva, l'obiettivo di un sistema informatico dei materiali è aiutare gli utenti ad archiviare, gestire, comprendere, scegliere o sviluppare i materiali. Pertanto, l'interfaccia utente è fondamentale per l'utilità di qualsiasi piattaforma. Deve essere intuitiva pur essendo abbastanza potente da gestire studi complessi sui materiali.
Ad esempio, dovrebbe fornire agli ingegneri esperti di ricerca e sviluppo dei materiali le funzionalità necessarie per esplorare famiglie di compositi avanzati destinati a una sonda spaziale, risultando al tempo stesso utilizzabile da un ingegnere di sviluppo dei prodotti che deve confrontare polimeri per un prodotto di consumo.
Un'interfaccia utente efficace include anche strumenti di ricerca intelligenti che consentono agli utenti di filtrare in base alle proprietà e identificare i materiali correlati. Gli strumenti di visualizzazione consentono agli utenti di confrontare le differenze tra i materiali o le variazioni nei dati dei materiali.
Uno degli strumenti più comuni per la selezione sistematica dei materiali è il diagramma di Ashby. Questo grafico a dispersione visualizza due o più proprietà dei materiali in modo da consentire agli ingegneri di confrontarne le caratteristiche e prendere rapidamente decisioni basate sui dati
I dati estratti da un sistema informatico dei materiali devono poter essere trasferiti con facilità ad altri strumenti utilizzati da ingegneri e ricercatori all'interno delle loro interfacce utente (UI) native, per quanto possibile. Una piattaforma dovrebbe essere in grado di connettersi direttamente a strumenti di progettazione assistita da computer (CAD), simulazione, produzione, supply chain e controllo qualità.
Ciò può essere realizzato attraverso:
Un'integrazione multipiattaforma ben progettata garantisce un accesso immediato e senza attriti a un'unica fonte affidabile di dati e informazioni sui materiali, a supporto di ingegneri di progettazione, produzione e simulazione in tutta l'organizzazione.
Strutture di dati robuste, combinate con dataset ampi e di alta qualità, consentono analisi avanzate per il confronto, la classificazione, l'ottimizzazione e l'applicazione di tecniche di machine learning come l'apprendimento profondo e l'analisi predittiva. La simulazione può inoltre supportare l'analisi chimica, la progettazione di metamateriali e la modellazione predittiva. Queste capacità risultano particolarmente utili quando un sistema informatico dei materiali viene impiegato in progetti dedicati alla sintesi di nuovi materiali.
Uno dei vantaggi derivanti dall'applicazione della scienza dell'informazione alla scienza dei materiali è la possibilità di ottenere una tracciabilità completa lungo l'intero processo. Dal monitoraggio degli standard utilizzati per i test sui materiali alla registrazione di chi ha aggiunto o modificato determinati dati e in quale momento, la tracciabilità introduce un ulteriore livello di sicurezza e responsabilità all'interno dei dataset del sistema.
Gli utenti dei sistemi informatici dei materiali seguono generalmente tre tipi di flussi di lavoro: selezione di un materiale, ricerca di dati su un materiale noto e gestione dei dati dei materiali.
Quando un ingegnere o uno scienziato deve selezionare un materiale, in genere segue tre passaggi:
Il punto di partenza per qualsiasi esplorazione basata su dati delle opzioni relative ai materiali è stabilire i requisiti per quel materiale. Gli utenti devono comprendere in che modo il loro sistema informatico dei materiali definisce tali requisiti o quali caratteristiche del materiale li influenzano. I requisiti non sono solo proprietà meccaniche come densità o rigidità. Includono anche fattori quali costi, disponibilità, trattamenti richiesti, gestione, obiettivi di sostenibilità e restrizioni normative.
L'utente utilizza quindi le funzionalità del sistema per esplorare, cercare, confrontare e prevedere la scelta del materiale più adatto alle proprie esigenze. Poiché molti requisiti possono essere in conflitto tra loro, raramente è possibile eseguire una semplice ricerca in base agli intervalli di valori richiesti. La capacità di sfruttare grandi quantità di dati in un sistema informatico dei materiali consente agli ingegneri di individuare il materiale più adatto attraverso un processo di selezione dei materiali guidato dai dati.
Una volta selezionato un materiale, la scelta deve essere verificata mediante test o simulazioni. Questa operazione può essere eseguita con semplici calcoli all'interno del sistema informatico dei materiali o attraverso la simulazione che utilizza i dati ricavati da esso. Nei casi in cui i test virtuali attraverso la simulazione non sono pratici, l'utente deve eseguire i test fisici. I risultati di eventuali test aggiuntivi devono quindi essere reinseriti nel sistema per migliorare i modelli di machine learning. Per scopi di qualità e tracciabilità, gli utenti devono inoltre tenere traccia di come, quando e dove utilizzano i dati dei materiali provenienti dalla piattaforma informatica dei materiali.
Quando un utente desidera accedere ai dati relativi a un materiale noto, in genere effettua una ricerca nel dataset del sistema utilizzando un identificatore come un nome, un numero di standard o una nomenclatura interna. Una volta individuati i dati richiesti, l'utente estrae le informazioni nel formato preferito per facilitarne l'utilizzo. I file di dati estratti dovrebbero inoltre includere alcune informazioni sull'origine dei dati.
Il flusso di lavoro è tra i più importanti: la gestione dei dati dei materiali. Questo processo comporta l'individuazione dei record di dati rilevanti e la loro modifica in modo intuitivo e tracciabile. Può anche includere passaggi per collegare i dati correlati e contrassegnare i dati inesatti o sostituiti come inutilizzabili.
L'informatica dei materiali ha compiuto progressi significativi, passando da semplici database alle attuali suite di strumenti integrati abilitati per l'AI. Le organizzazioni di qualsiasi dimensione possono beneficiare dei vantaggi offerti dall'informatica dei materiali mantenendosi aggiornate sulle tendenze più recenti e adottando gli strumenti di intelligenza dei materiali più adatti alle proprie esigenze.
La tendenza più significativa per l'informatica dei materiali è l'uso continuo di framework di machine learning e deep learning (DL). Queste tecnologie, insieme a modelli linguistici di grandi dimensioni, rendono la scoperta di materiali basata sull'AI una realtà in grado di offrire vantaggi significativi agli utenti.
Un'altra tendenza emergente è una migliore integrazione, sia all'interno delle piattaforme di gestione delle informazioni sui materiali sia tra queste piattaforme e altre applicazioni, come gli strumenti della supply chain, il software CAD e la simulazione. Le aziende più avanzate stanno inoltre utilizzando gli agenti AI per automatizzare attività legate alla manutenzione e alla scoperta dei dati sui materiali, oltre che per integrarli nel proprio flusso di lavoro aziendale.
I team di data science e le aziende che sviluppano strumenti informatici dei materiali stanno a loro volta sfruttando un accesso più ampio ai dati sui materiali, stack tecnologici basati sul cloud e strumenti di visualizzazione e confronto sempre più sofisticati. Nel complesso, queste tendenze stanno favorendo un uso dei dati sui materiali più accurato, efficiente e innovativo.
I team di progettazione possono migliorare la gestione e i processi di selezione dei dati sui materiali grazie a strumenti quali la suite di strumenti Ansys Granta dedicati alla gestione delle informazioni, alla selezione e all'utilizzo dei dati sui materiali., che fornisce un'intelligenza sui materiali basata sui dati a un'ampia gamma di utenti che spazia dagli ingegneri di progettazione agli scienziati nel campo dei materiali. Questi strumenti permettono alle organizzazioni di acquisire e proteggere i dati sui materiali, supportando al contempo la valutazione e la selezione dei materiali.
Per le aziende che necessitano di un sistema di gestione delle informazioni sui materiali completo, una soluzione come il software di gestione dei dati sui materiali Ansys Granta MI Enterprise supporta l'integrazione con strumenti CAD, CAE (Computer-Aided Engineering) e PLM (Product Lifecycle Management). I team di progettazione possono usufruire di interfacce utente intuitive e monitorare l'unica fonte di dati in tutta l'azienda. Per le organizzazioni principalmente interessate all'aspetto della selezione dei materiali dell'informatica dei materiali, strumenti specializzati come il software per la selezione dei materiali Ansys Granta Selector possono aiutare gli utenti a prendere decisioni informate per innovare, risolvere problemi legati ai materiali, ridurre i costi e convalidare le scelte di materiali.
Le aziende che implementano l'informatica dei materiali devono inoltre sviluppare competenze interne o collaborare con un partner per caratterizzare e acquisire nuovi materiali, condividere l'intelligenza dei materiali e sviluppare best practice per la scienza dei materiali e l'uso dei dati sui materiali nelle applicazioni a valle. Uno standard riconosciuto nel settore per questo tipo di partnership è il team di collaborazione di Ansys Granta.
L'informatica dei materiali va oltre la gestione e l'analisi dei dati integrando la simulazione. La simulazione utilizza metodi computazionali per supportare tutte e tre le fasi del flusso di lavoro dell'utente: definizione, selezione e sviluppo dei materiali. Poiché le proprietà dei materiali sono input fondamentali di qualsiasi simulazione, gli ingegneri possono condurre analisi per determinare quali proprietà sono necessarie, sviluppare nuove combinazioni di materiali o configurazioni composite, calcolare gli effetti delle fasi di post-elaborazione e verificare l'efficacia di un materiale, il tutto senza costosi test fisici.
La combinazione del software di analisi degli elementi finiti strutturali Ansys Mechanical e del database delle proprietà Ansys Granta Materials Data for Simulation, una libreria di dati sui materiali opzionale disponibile con i risolutori Ansys, è un potente esempio di come è possibile integrare direttamente l'informatica dei materiali nel processo di simulazione e viceversa. Gli ingegneri possono scegliere i materiali e valutarne le prestazioni in un'ampia gamma di condizioni di carico. Un modulo di ottimizzazione e un'interfaccia DoE (Design-of-Experts), come gli strumenti di esplorazione del progetto integrati nel software Mechanical, possono inoltre aiutare gli ingegneri a valutare la sensibilità del progetto alle variazioni delle proprietà dei materiali e persino a ottimizzare i requisiti dei materiali per una determinata progettazione.
Se devi affrontare sfide di progettazione, il nostro team è a tua disposizione per assisterti. Con una vasta esperienza e un impegno per l'innovazione, ti invitiamo a contattarci. Collaboriamo per trasformare i tuoi ostacoli ingegneristici in opportunità di crescita e successo. Contattaci oggi stesso per iniziare la conversazione.