MITチームは、新しい3D印刷可能な金属を使用した材料設計コンペティションで3位になりました

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米国は、2030年に販売される新車の半分をゼロエミッションの電気自動車にするという目標にまた一歩近づくかもしれない。 これは、MIT の学部生 2 人とドイツの大学院生コーチのおかげです。彼らは、自動車の構造のためではなく、自動車をわずか数個の個別部品で打ち抜くダイカスト金型のために、新しいタイプの鋼を開発しました。

MIT ジュニアのイアン チェンとカイル マークランド '22 は、ASM 材料教育財団の 2022 年度学部デザイン コンペティションで 3 位になりました。 この栄誉を獲得した 3D プリント可能な鋼合金は、自動車メーカーのテスラによって普及され、全電気式モデル Y の組み立てに使用されたギガキャスティングと呼ばれる革新的な製造アプローチからインスピレーションを得たものです。

チェン氏は9月12日にニューオーリンズで行われた授賞式で賞を受け取り、賞金1,000ドルはチェン氏とマークランド氏で分け合うことになる。 ASM Materials Education Foundation は、材料工学団体 ASM International の慈善部門です。 その目的は、学生と教師に応用科学のキャリアを促進することです。

デザインへの挑戦

チェンとマークランドのプロジェクトは、MIT の熱計算実践教授であるグレゴリー・オルソンが教えた昨春のクラス 3.041 (計算材料設計) にそのルーツがあります。 オルソンは、コンピューター モデリングとシミュレーションを使用して新しい材料を理解し、設計する計算材料科学の世界有数の学者の 1 人です。 彼の方法論は Apple によって Apple Watch の開発に使用されており、Tesla CEO のイーロン・マスクの注目を集めました。

「航続距離の長い電気自動車を手頃な価格で入手するには、アルミニウム構造を手頃な価格にする必要がありました」とオルソン氏はマスク氏について語る。 「そこで彼は、小さな自動車モデル用のダイカストの種類を見て、『スケールアップしてみたらどうだろう？ 車全体を鋳造してやろう』と言いました。」

テスラは、ダイカストできるアルミニウムにオルソンの計算アプローチを使用しました。これは、溶融金属を型に流し込んで物体を形成する金属鋳造プロセスです。 通常、自動車は数百ものダイカスト部品 (エンジン シリンダー、ブラケット、その他のコンポーネント) を使用して構築され、その後、自動組立ラインで組み立てられて車両が製造されます。 ギガプレスとして知られる巨大な鋳造機にちなんで名付けられたギガ鋳造プロセスでは、代わりに 2 ～ 3 つの大きな自動車部品を鋳造するだけで済み、プロセスの複雑さと関連コストが大幅に削減されます。

問題は、「プロセスをスケールアップすると、熱伝達が遅くなり、サイクル時間が長すぎることです」とオルソン氏は言います。つまり、液体金属の冷却に時間がかかり、プロセス全体の効率が低下し、コストが高くなるのです。 。

「コンフォーマル冷却」と呼ばれる技術が役に立ちます。 その中には、鋳造される物の形状に沿って狭い溝があり、冷却剤または水がそこを通って冷却を促進します。

こうして挑戦は形になりました。 SpaceX と Tesla の材料工学担当副社長で、オルソン氏の元教え子でもある Charles Kuehmann 氏は、その必要性を認めました。工具鋼とも呼ばれる、「印刷可能」な、より優れたダイス鋼、つまり 3D 画像に読み込むことができる材料です。プリンターで、より優れた強度と熱特性を備えた新しいダイを印刷します。 従来の鋼材は「印刷しようとすると非常に脆く、亀裂が入りやすい」とオルソン氏は言う。

海洋生産

オルソン氏は学生チームのアドバイザーとして、2020年のパンデミックによる閉鎖中にドイツに帰国したパーダーボルン大学出身のMIT客員学生、フロリアン・ヘングスバッハ氏に頼った。

ヘングスバッハ氏の博士論文は、MIT プロジェクトにこれ以上にふさわしいものはありませんでした。それは、3D プリンティングと同義でよく使用される用語、積層造形のための工具鋼の設計です。 彼の上司は、パーダーボルンの機械工学大学の学部長であり、材料科学部門の責任者であり、積層造形の専門家であるミルコ・シェイパーです。

「ここパーダーボルンでは、材料を印刷し、原子レベルまで特性評価し、プロセスと微細構造と性能の相関関係を特定しています」とヘンスバッハ氏は言います。言い換えれば、材料がさまざまな 3D 印刷条件でどのように動作するかを理解しているのです。

ヘングスバッハ氏はヨーロッパで、チェン氏とマークランド氏はマサチューセッツ州ケンブリッジで働き、チームは材料の特性を計算する方法であるCALPHADを使用して新しい金属の設計を開始しました。 熱力学材料モデルを使用することで、チームは新しい材料がさまざまな条件でどのような作用をするかを予測できました。

ヘングスバッハ氏はパーダーボルンの積層造形センターで材料を配合し、テストとして印刷しました。新しい金属合金を作成し、それを溶かし、それを小さな液滴に噴霧して凝固させ、粉末を作りました。 次に、粉末を層にしてレーザーで溶かし、3D プリンターでオブジェクトを作成します。

「これは大成功でした」とヘングスバッハ氏は言う。 「私たちは、熱伝導率、硬度、靱性に関して優れた性能を備え、実際に印刷できる非常に有望な工具鋼を設計しました。」

新しい金属には他の潜在的な製造用途があるとヘンスバッハ氏は言う。プラスチックによく使用される射出成形。 またはプレス硬化。複雑な形状の高張力鋼を形成できます。 または他のプロセス - 「コンフォーマル冷却チャネルを使用したい場所ならどこでも、この材料を使用できます。」

ヘンスバッハ氏は2023年2月にMITに戻り、オルソン氏の研究グループでポスドクとして働く予定だ。

「後悔はしないよ」

チームは新しい印刷可能な金型鋼の米国特許出願を提出しており、次のステップは鋳造金型の用途でのテストです。 テスラとの交渉は進行中だ。

チームの斬新なメタルを支持するものと思われる内容で、マスク氏は9月9日、1億人以上のフォロワーに向けて「材料科学101を考えろ。後悔はしないだろう」とツイートした。

材料科学と工学を専攻する 3 年生のチェンにとって、鋼の設計は、大学院でも材料関連の道に留まりたいと確信したことになります。

「このプロジェクトにより、私はより計算主導の材料分野に向かうようになりました。そこでは計算モデルが材料設計と解析の重要なツールとして使用されます。」とチェン氏は言います。

マークランド氏は材料科学と工学の理学士号を取得して5月に卒業し、最近ミシガン州ディアボーンにあるフォード・モーター・カンパニーでフルタイムで働き始めた。 フォード大学の大学院プログラムの一環として、最初の 2 年間は車両の塗装エンジニアリングと腐食防止から始めて、さまざまなプロジェクトに取り組むことになります。

「私たちの仕事が ASM に認められてとてもうれしいです」とマークランド氏は言います。 「時々、授業が抽象的だったり、現実世界から切り離されているように感じられることがありますが、それは私たちが行ったプロジェクトが単なる授業の課題を超えて評価されているということを新鮮に思い出させてくれます。」

ASM コンペティションの優勝賞品 (2,000 ドル) は、押出成形用のアルミニウム - セリウム - マグネシウム合金の材料特性評価、モデリング、および最適化に対してミシガン工科大学に贈られました。 2位（1,500ドル）はテネシー大学ノックスビル校に贈られ、音楽用オルガンの修復における材料分析が行われた。

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