Equipe do MIT fica em 3º lugar na competição de design de materiais com novo metal imprimível em 3D

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Os Estados Unidos podem estar um passo mais perto de sua meta de ter metade de todos os veículos novos vendidos em 2030 como veículos elétricos com emissão zero. Isso se deve a um par de alunos de graduação do MIT e seu treinador de pós-graduação na Alemanha, que desenvolveram um novo tipo de aço não para a construção dos carros, mas para os moldes de fundição que os moldam em apenas algumas peças discretas.

O júnior do MIT Ian Chen e Kyle Markland '22 ficaram em terceiro lugar no Concurso de Design de Graduação de 2022 da ASM Materials Education Foundation. A liga de aço imprimível em 3D que lhes rendeu a honra foi inspirada por uma abordagem de fabricação inovadora chamada Giga-casting, popularizada pela montadora Tesla e usada para montar o Modelo Y totalmente elétrico.

Chen aceitou o prêmio em uma cerimônia em Nova Orleans em 12 de setembro, e Chen e Markland dividirão o prêmio de US$ 1.000. ASM Materials Education Foundation é a divisão de caridade da organização de engenharia de materiais ASM International. Seu objetivo é promover carreiras de ciências aplicadas para alunos e professores.

Um desafio de design

O projeto de Chen e Markland tem suas raízes na aula 3.041 (Desenho de Materiais Computacionais) da última primavera, ministrada por Gregory Olson, o professor de Thermo-Calc da prática no MIT. Olson é um dos principais estudiosos do mundo em ciência computacional de materiais, que usa modelagem e simulação de computador para entender e projetar novos materiais. Sua metodologia foi usada pela Apple para criar o Apple Watch e chamou a atenção do CEO da Tesla, Elon Musk.

"Para obter carros elétricos acessíveis com bom alcance, ele teve que tornar as estruturas de alumínio acessíveis", diz Olson, falando de Musk. "Então ele olhou para o tipo de fundição para pequenos modelos de carros e disse: 'Por que não ampliar? Vamos fundir o carro inteiro.'"

Tesla usou a abordagem computacional de Olson para o alumínio que poderia ser fundido - esse é o processo de fundição de metal pelo qual o metal fundido é derramado em um molde para formar objetos. Os carros são normalmente construídos usando centenas de peças fundidas – cilindros do motor, suportes e outros componentes – que são posteriormente montados em uma linha de montagem automatizada para fazer um veículo. O processo de fundição Giga - nomeado para as enormes máquinas de fundição conhecidas como Giga Press - envolve a fundição de apenas duas ou três grandes peças de automóveis, reduzindo enormemente a complexidade do processo e os custos associados.

O problema é que, "quando você aumenta o processo, a transferência de calor é mais lenta e os tempos de ciclo são muito longos", diz Olson - ou seja, o metal líquido leva mais tempo para esfriar, tornando todo o processo menos eficiente e mais caro. .

Uma técnica chamada "resfriamento conforme" pode ajudar. Nela, canais estreitos seguem, ou se adaptam, à forma da coisa que está sendo moldada, e refrigerante ou água correm por eles para acelerar o resfriamento.

Assim o desafio tomou forma. Charles Kuehmann, vice-presidente de engenharia de materiais da SpaceX e da Tesla, e ex-aluno de Olson, confirmou a necessidade: um aço de matriz melhor, também chamado de aço para ferramentas, que seja "imprimível" - um material que pode ser carregado em um 3-D impressora para imprimir novas matrizes com melhor resistência e propriedades térmicas. Os aços convencionais, disse Olson, "são bastante quebradiços e propensos a rachaduras se você tentar imprimi-los".

Produção offshore

Como conselheiro da equipe estudantil, Olson procurou Florian Hengsbach, um estudante visitante do MIT da Paderborn University que voltou à Alemanha durante as paralisações pandêmicas em 2020.

A tese de doutorado de Hengsbach não poderia ter sido mais adequada para o projeto do MIT: projeto de aço ferramenta para manufatura aditiva, um termo frequentemente usado como sinônimo de impressão 3D. Seu supervisor é Mirko Schaper, reitor da faculdade de engenharia mecânica de Paderborn, chefe do departamento de ciência de materiais e especialista em manufatura aditiva.