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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. 

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?

Themenverwandte Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind uns nicht bekannt

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

Vor einer möglichen Standardisierung sind keine Vorarbeiten zu leisten.

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

Die zu standardisierende automatisierte Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen ermöglicht Einsparungen der Ressourcen Personalkapazität und elektrische Energie. Deshalb besteht ein Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt Grün.

Des Weiteren ist die zu standardisierende automatisierte Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen insbesondere für die Batterieforschung z. B. im Bereich der Elektromobilität relevant. Deshalb besteht ein weiterer Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt Grün.

Darüber hinaus sind Simulationen am Computer sind ein wesentlicher Teil der Digitalisierung und von Industrie 4.0. Deshalb besteht ein weiterer Zusammenhang des beantragten Standardisierungsvorhabens zum Themenschwerpunkt digital.

Nutzen und Ziele

Welches Ziel verfolgen Sie mit Ihrer Idee?

Das Ziel der Idee ist es, die entwickelte ressourceneffiziente Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen in einen Standard zu überführen und dadurch eine möglichst große Akzeptanz am Markt für die Innovation zu erreichen. Die Akzeptanz am Markt resultiert aus der Verbindung von aktuellen Forschungsergebnissen mit der hohen Reputation der Marke DIN.

Zu diesem Zweck soll eine Methode zur Ermittlung von ReaxFF+ Parametersätzen standardisiert werden. In diesem Zusammenhang soll weiterhin die Bestimmung und die Festlegung des maximal zulässigen Fehlers beim Fit der ReaxFF+ Parametersätze standardisiert werden. Diese Bestimmung und diese Festlegung erfolgen auf Basis einer Gegenüberstellung der ReaxFF+ Parametersätze mit einem geeigneten ab initio Basisdatensatz oder einem geeigneten experimentellen Basisdatensatz.

Welchen Nutzen generiert Ihre Innovation für welche Zielgruppen?

Zielbranchen sind die chemische Industrie, insbesondere die Batterieforschung, sowie die Halbleiter­industrie und die Mikroelektronik. Allgemein lässt sich festhalten, dass jegliche forschende Industrien profitieren, welche sich auf atomarer Ebene mit Reaktionen in wässrigen Lösungen beschäftigen und dabei insbesondere langreichweitige physikalische Wirkungen betrachten

Wer profitiert von Ihrer Idee und dem daraus entwickeltem Standard?

Die im Vorhaben adressierte Innovation und der Standard sollen sich an Forschungsinstitutionen und Unternehmen richten, welche Materialberechnungen auf atomarem Niveau durchführen. Für diese ergibt sich durch den Standard eine Vergleichbarkeit der Simulationsergebnisse untereinander sowie die Möglichkeit, aufbauend auf Ergebnissen anderer Einrichtungen weitere Untersuchungen durchzuführen ohne die gesamte Simulation erneut zu berechnen.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Im Ergebnis des Vorhabens soll nach Projektabschluss eine DIN SPEC vorliegen, welche eine ressourceneffiziente Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen zum Inhalt hat. Diese DIN SPEC soll durch den DIN e.V. verwertet werden.

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Die ab initio Methoden sind in Europa, in den USA und in Asien etabliert. Die Digitalisierung der Produktion und Industrie 4.0 sind Schlagworte, die bereits weltweite Bedeutung erlangt haben. Die angestrebte DIN SPEC soll einen wesentlichen Beitrag im Bereich Anwendung von digitalen Methoden für die parameterfreie Materialberechnung leisten.

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Als Anwendungsbranchen für die geplanten Ergebnisse sind die chemische Industrie, insbesondere die Batterieforschung, sowie die Halbleiterindustrie und die Mikroelektronik hervorzuheben. Bei Berücksichtigung eines kumulierten Umsatzes von mehr als 200 Mrd. Euro, den die benannten Branchen im Jahr 2020 allein in der Bundesrepublik Deutschland erzielt haben, lässt sich das enorme Marktpotenzial für den angestrebten Standard ableiten [8-10].

Für eine breite Anwendung von reaktiven Force-Field-Methoden in den genannten Branchen und Technologiefeldern ist es essentiell, die Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen und die Genauigkeitsprüfung ressourceneffizienter zu gestalten.

Dies gewinnt vor allem auch in Zusammenhang mit Aspekten wie Einsparung finanzieller und technischer Ressourcen sowie Reduzierung der Umweltbelastung verstärkt an Bedeutung. Unter diesen Gesichtspunkten wird das Potenzial einer Standardisierung einer ressourceneffizienten Genauigkeitsprüfung für die Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen entsprechend hoch eingeschätzt.

Insbesondere für Großserienanwender, welche in Deutschland zum Beispiel jährlich mehrere Millionen Mikroelektronikkomponenten (Intel, Globalfoundries), verschiedenste Chemikalien in großen Mengen (BASF, Bayer) oder unterschiedlichste Batteriezellen (Northvolt, Volkswagen) herstellen, bietet der angestrebte Standard enormes Potenzial, Herstellungsprozesse effizienter und beherrschbarer zu gestalten.

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)

[8] N.N.: Umsatz der wichtigsten Industriebranchen in Deutschland von 2011 bis 2021, de.statista.com, zuletzt geprüft am 22.06.2022

[9] N.N.: Umsatz auf dem Halbleitermarkt in Deutschland in den Jahren 2010 bis 2020, de.statista.com, zuletzt geprüft am 22.06.2022

[10] N.N.: Umsatz der Branche Herstellung von Batterien und Akkus in Deutschland von 2012 bis 2019 und Prognose bis zum Jahr 2025, de.statista.com, zuletzt geprüft am 22.06.2022

Kompetenzen und Ressourcen

Die Firmengründung der AQcomputare Gesellschaft für Materialberechnung mbH erfolgte am 11. November 2009 mit dem Eintrag in das Chemnitzer Handelsregister. Ihren Ursprung hat die AQcomputare im Geschäftsbereich Materialberechnung der GWT-TUD GmbH. Dieser Geschäftsbereich wiederum entstand als Start-up der Professur für Festkörper- und Optoelektronik der TU Chemnitz. In enger Kooperation mit der GWT-TUD GmbH fand die AQcomputare GmbH im Technologie Centrum Chemnitz ihr Domizil. Mit zunächst drei Personen wurden und werden hauptsächlich Aufgabenstellungen auf dem Gebiet der Berechnung von elektronischen Eigenschaften für die Mikroelektronik erfolgreich bearbeitet. Die AQcomputare GmbH versteht sich als wissenschaftlicher Dienstleister für forschende Industrieunternehmen. Der Transfer naturwissenschaftlicher Forschungsergebnisse hin zur industriellen Nutzbarkeit steht im Fokus der Tätigkeit.

Die Geschäftstätigkeit der AQcomputare GmbH gliedert sich in die Bereiche:

• Materialberechnung auf atomarem Niveau
• Simulation mittels FEM-Modellierung
• Vermietung von Computerressourcen

In das Standardisierungsteam werden Partner eingebunden, deren Kompetenzen in den Bereichen Materialsimulation und Prozesssimulation liegen. Zudem werden in das Standardisierungsteam mit Prof. Dr. Matthias Hackert-Oschätzchen und Dr. Gunnar Meichsner zwei Personen eingebunden, die bereits als erfahrene Experten für den DIN e.V. tätig sind. Prof. Hackert-Oschätzchen und Dr. Meichsner haben erfolgreich die Erarbeitung der DIN SPEC 91399 und der DIN SPEC 17028 begleitet und sind Gründungsmitglieder im Netzwerk DIN Young Professionals. Das Standardisierungsprojekt „DIN SPEC 17028 Additive Fertigung – Methode zur zerstörungsfreien Ermittlung von mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen“ wurde 2021 mit dem DIN-Innovatorenpreis ausgezeichnet. Aktuell sind Prof. Hackert-Oschätzchen und Dr. Meichsner in die Erarbeitungen der DIN SPEC 91481 und der VDE SPEC 90028 V1.0 (de) eingebunden.

Standardisierungsscope/Anwendungsbereich

Aus jetziger Sicht ist nach erfolgreicher Umsetzung des Vorhabens zunächst eine Standardisierung auf nationaler Ebene in Aussicht zu stellen, welche in einem weiteren Schritt insbesondere vor dem Hintergrund der internationalen Bedeutung und Notwendigkeit auf europäischer Ebene erfolgen soll. Das skizzierte Vorhaben entspricht dem Gedanken einer Anschubförderung zur Erstellung einer DIN SPEC.

Das Ziel des Vorhabens ist die Standardisierung einer ressourceneffizienten Genauigkeitsprüfung bei der Generierung von digitalen ReaxFF+ Parametersätzen. Hierzu erfolgt die Standardisierung einer Methode zur Ermittlung von ReaxFF+ Parametersätzen sowie der Bestimmung und der Festlegung des maximal zulässigen Fehlers beim Fit der ReaxFF+ Parametersätze.