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Projekttitel: Standardisierung einer ressourceneffizienten Genauigkeitsprüfung für die Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen

Ideengeber*in:

Potenzielle Projektpartner*innen

• Dr. Florian Dötz, BASF New Business GmbH
• Markus Woland, Cellforce Group GmbH
• Nicolas Steinbacher, Northvolt Germany GmbH
• Prof. Dr. Matthias Hackert-Oschätzchen, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen
• Dr. Gunnar Meichsner, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen
• Dr. Arthur Riefer, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen
• Forschungsinstitutionen und Unternehmen, die Materialberechnungen auf atomarem Niveau durchführen

Abstract

Für die Digitalisierung von Produktionsprozessen stellen Simulationsmodelle eine wesentliche Basis dar, um Effizienz und Qualität von Herstellungsprozessen zu verbessern. Eine wesentliche Herausforderung besteht aktuell in der Erstellung von Simulationsmodellen für die parameterfreie Materialberechnung auf atomarem Niveau. Für solche Simulationsmodelle wird zunächst auf quantenmechanischer Ebene ein atomares und chemisches Verständnis entwickelt. Hierzu kommen
ab initio Simulationsmethoden zum Einsatz. Diese ab initio Simulationsmethoden sind aktuell auf recht kleine Systeme in der Größenordnung von einigen Tausend Atomen und nur sehr kurze Zeitskalen von einigen Femtosekunden limitiert.

Um über diese Limitierung hinaus qualitativ gleichwertige Ergebnisse, insbesondere für strukturelle und chemische Eigenschaften größerer Systeme zu erhalten, wurde diese Simulationsmethode in den letzten Jahren durch ab initio basierte reaktive Force-Field-Methoden erweitert. Im Rahmen dieser Erweiterung ist das Training ein wesentlicher Teilschritt zur Generierung der ReaxFF+ Parameter. Bei diesem Training wird durch einen mathematischen Fit ein Parametersatz abgeleitet, welcher in Verbindung mit den gegeben Potentialtermen in der Lage ist, die aus ab initio Berechnungen gewonnen Materialeigenschaften zu beschreiben. Im Rahmen dieser Ableitung ist eine hinreichende Genauigkeitsprüfung notwendig. Diese Genauigkeitsprüfung kann konventionell in manueller Form erfolgen, wofür erhebliche Personalressourcen notwendig sind.

Aufbauend auf diesem konventionellen Ansatz, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Atomistische Beschreibung neuer Materialien zur ressourceneffizienten Bestimmung von Prozesseingangsgrößen für das elektrochemische Präzisionsabtragen - eleMentio2“ diese Trainingsmethode um eine ressourceneffiziente automatisierte Iteration erweitert. Innerhalb dieser Iteration erfolgt automatisch die bereits erläuterte Genauigkeitsprüfung sowie falls notwendig eine Erweiterung der ab initio Datenbasis. Das Projekt eleMentio2 wurde im Zeitraum 01.03.2020 bis 30.09.2023 gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Im Rahmen von DIN-Connect 2024 soll die entwickelte ressourceneffiziente Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen standardisiert werden. Durch den Standard soll eine verlässliche Vergleichbarkeit von Simulationsergebnissen sichergestellt werden.

Innovationsgrad

Welche Situation liegt aktuell wie vor?

Mit reinen ab initio Methoden können aktuell chemische Reaktion sehr genau simuliert werden. Aber diese Methoden sind auf Systeme mit einigen tausend Atomen und Zeitskalen von einigen Femtosekunden beschränkt. Um Systeme realistischer Größe und relevanter Zeitskalen auf atomarem Niveau beschreiben zu können, werden häufig klassische Force-Field (FF) Methoden angewendet. Im Sinne eines Multiskalenansatzes können die benötigten FF-Parameter aus ab initio Daten bestimmt werden [1]. Auch die Beschreibung von chemischen Reaktionen kann mit Hilfe von reaktiven FF-Methoden realisiert werden. Dazu ist es allerdings notwendig, Übergangszustände und Reaktionsbarrieren relevanter chemischer Prozesse im Vorfeld vollständig quantenmechanisch mit ab initio Methoden zu berechnen, was mit einem erheblichen Rechenaufwand verbunden ist. Mit solchen ab initio basierten reaktiven FF-Methoden können dann Systeme mit bis zu 10^6 Atomen modelliert werden [2].

Die grundlegende Idee der reaktiven FF-Methoden besteht darin, bindungsordnungsabhängige Potentiale einzuführen. Am weitesten verbreitet sind dabei die sogenannten Tersoff-Potentiale [3] oder das von van Duin und Goddard entwickelte ReaxFF [4-6]. Letzteres wurde in den letzten Jahren maßgeblich durch die AQcomputare GmbH zu dem Programmpaket ReaxFF+ weiterentwickelt.

Ein wesentlicher Aspekt dieser Simulationen ist die Ableitung von Parametersätzen [7]. Dabei ist aktuell in den meisten Fällen die notwendige Vergleichbarkeit zwischen Parametersätzen, die durch unterschiedliche Marktteilnehmerinnen und Marktteilnehmer generiert wurden, nicht gewährleistet. Ursache dafür ist, dass z. B. die Anzahl der Stützstellen, die für den Fit verwendet werden, beliebig durch die jeweilige Marktteilnehmerin oder den jeweiligen Marktteilnehmer festgelegt werden kann. Darüber hinaus ist aktuell kein Standard für den maximal zulässigen Fehler zwischen den Parametersätzen und den zu Grunde liegenden Basisdaten verfügbar. 

Quellen

[1] R. Leitsmann, P. Plänitz, M. Schreiber „In-vitro Materials Design“ Wiley-VCH (2015)

[2] Aiichiro Nakano et al. „Million-to-billion atom simulation of chemical reactions: embedded divide-and-conquer and hierarchical cellular decomposition frame-works for scalable scientific computing.“ IEEE/ACM Supercomputing Proceedings (2005)

[3] J. Tersoff, Phys. Rev. B 37, 6991 (1988)

[4] A. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, and W. A. Goddard, J. Phys. Chem. A 105, 9396 (2001)

[6] A. van Duin, A. Strachan, S. Stewman, Q. Zhang, X. Xu  and W. A. Goddard, J. Phys. Chem. A 107, 3803 (2003)

[6] J. C. Fogarty, H. M. Aktluga, A. Y. Grama, A. van Duin and S. A. Pandit, J. Chem. Phys. 132, 174704 (2010)

[7] A. Riefer, M. Hackert-Oschätzchen, G. Meichsner, P. Plänitz: Derivation of parameter sets for the ReaxFF+ method for modeling an electrochemical machining process, In: Procedia CIRP, Volume 117, (2023)

Welche Bedarfe und Lösungen (aktueller Stand der Wissenschaft und Technik) liegen bei welchen Marktteilnehmern*innen vor?

Eine Vielzahl an Marktteilnehmerinnen und Marktteilnehmern aus Forschungsinstitutionen und Unternehmen führen Materialberechnungen auf atomarem Niveau durch. Der wesentliche Bedarf für diese Marktteilnehmerinnen und diese Marktteilnehmer leitet sich daraus ab, dass bisher die Genauigkeitsprüfung nicht standardisiert ist wodurch ein Vergleich verschiedener Simulationsergebnisse nur eingeschränkt möglich ist.

Weshalb sind diese vorhandenen Lösungen nicht hinreichend genug?

Die vorhandenen Lösungen sind nicht hinreichend, weil die Ergebnisse der Simulationen nur begrenzt miteinander vergleichbar sind. Darüber hinaus werden durch die aktuell durchgeführten manuellen Genauigkeitsprüfungen erhebliche Ressourcen insbesondere in den Bereichen Personalkapazität und elektrische Energie verbraucht.

Was ist der Fortschritt Ihrer Idee gegenüber dem Stand von Wissenschaft und Technik?

Ein wesentlicher Aspekt der Innovation besteht in der automatisierten und vollständig bedarfsgerechten - also einer geforderten Genauigkeit entsprechenden – Generierung von ReaxFF+ Parametersätzen. Aktuell müssen bei der Erzeugung von ReaxFF+ Parametersätzen manuell die zugrunde liegenden ab inito Berechnungen ausgewählt und durchgeführt werden. Aus dieser Vorgehensweise resultiert ein nicht marktgerechter Personalaufwand. Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsprojekts eleMentio2 ein innovativer Lösungsansatz erarbeitet, der eine automatisierte Genauigkeitsprüfung und die entsprechende Erweiterung der notwendigen Datenbasis von ab inito Berechnungen ermöglicht.

Welche themenverwandten Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind Ihnen bekannt bzw. existieren bereits?

Beschreibung der Vorarbeiten: Welche Vorarbeiten sind vor einer möglichen Standardisierung Ihrer Idee noch zu leisten und mit welchem zeitlichen Faktor rechnen Sie hierbei?

Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Ihrer Idee und dem DIN-Connect Themenschwerpunkt?

Nutzen und Ziele

Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihrer Idee?

Welchen Nutzen generiert Ihre Innovation für welche Zielgruppen?

Wer profitiert von Ihrer Idee und dem daraus entwickeltem Standard?

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Kompetenzen und Ressourcen

Standardisierungsscope/Anwendungsbereich