El equipo del MIT ocupa el tercer lugar en la competencia de diseño de materiales con un novedoso metal imprimible en 3D

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Estados Unidos podría estar un paso más cerca de su objetivo de que la mitad de todos los vehículos nuevos vendidos en 2030 sean vehículos eléctricos de cero emisiones. Eso es gracias a un par de estudiantes universitarios del MIT y su entrenador de estudiantes graduados en Alemania, quienes desarrollaron un nuevo tipo de acero no para la construcción de los autos, sino para los moldes de fundición a presión que los estampan en solo unas pocas partes discretas.

El estudiante de tercer año del MIT Ian Chen y Kyle Markland '22 ocuparon el tercer lugar en la competencia de diseño de pregrado 2022 de ASM Materials Education Foundation. La aleación de acero imprimible en 3D que les valió el honor se inspiró en un enfoque de fabricación innovador llamado Giga-casting, popularizado por el fabricante de automóviles Tesla y utilizado para ensamblar el Model Y totalmente eléctrico.

Chen aceptó el premio en una ceremonia en Nueva Orleans el 12 de septiembre, y Chen y Markland compartirán el premio de $1,000. ASM Materials Education Foundation es la división benéfica de la organización de ingeniería de materiales ASM International. Su objetivo es promover carreras de ciencias aplicadas a estudiantes y profesores.

Un desafío de diseño

El proyecto de Chen y Markland tiene sus raíces en la clase 3.041 (Diseño de materiales computacionales) de la primavera pasada, impartida por Gregory Olson, profesor de práctica de Thermo-Calc en el MIT. Olson es uno de los principales académicos del mundo en ciencia de materiales computacionales, que utiliza modelado y simulación por computadora para comprender y diseñar nuevos materiales. Su metodología ha sido utilizada por Apple para crear el Apple Watch, y llamó la atención del CEO de Tesla, Elon Musk.

"Para conseguir coches eléctricos asequibles con una buena autonomía, tenía que hacer que las estructuras de aluminio fueran asequibles", dice Olson, hablando de Musk. "Así que miró el tipo de fundición a presión para modelos de autos pequeños y dijo: '¿Por qué no aumentarlo? Vamos a moldear todo el auto'".

Tesla usó el enfoque computacional de Olson para el aluminio que podría moldearse a presión: ese es el proceso de fundición de metal mediante el cual el metal fundido se vierte en un molde para formar objetos. Los automóviles generalmente se construyen con cientos de piezas fundidas a presión (cilindros de motor, soportes y otros componentes) que luego se ensamblan en una línea de ensamblaje automatizada para fabricar un vehículo. El proceso de fundición Giga, llamado así por las máquinas de fundición masivas conocidas como Giga Press, implica fundir solo dos o tres piezas grandes de automóviles, lo que reduce enormemente la complejidad del proceso y los costos asociados.

El problema es que, "cuando aumenta la escala del proceso, la transferencia de calor es más lenta y los tiempos de ciclo son demasiado largos", dice Olson, es decir, el metal líquido tarda más en enfriarse, lo que hace que todo el proceso sea menos eficiente y más costoso. .

Una técnica llamada "enfriamiento conformal" puede ayudar. En él, los canales estrechos siguen, o se ajustan a, la forma de la cosa que se va a moldear, y se hace pasar refrigerante o agua a través de ellos para acelerar el enfriamiento.

Así tomó forma el desafío. Charles Kuehmann, vicepresidente de ingeniería de materiales en SpaceX y Tesla, y ex alumno de Olson, confirmó la necesidad: un mejor acero para troqueles, también llamado acero para herramientas, que sea "imprimible", un material que podría cargarse en un 3-D impresora para imprimir nuevos troqueles con mejor resistencia y propiedades térmicas. Los aceros convencionales, dijo Olson, "son bastante frágiles y propensos a agrietarse si intentas imprimirlos".

Producción en alta mar

Para un asesor del equipo de estudiantes, Olson recurrió a Florian Hengsbach, un estudiante visitante en el MIT de la Universidad de Paderborn que regresó a Alemania durante los cierres por la pandemia en 2020.

La tesis doctoral de Hengsbach no podría haber sido más adecuada para el proyecto del MIT: diseño de acero para herramientas para la fabricación aditiva, un término que a menudo se utiliza como sinónimo de impresión 3D. Su supervisor es Mirko Schaper, decano de la facultad de ingeniería mecánica de Paderborn, jefe del departamento de ciencia de los materiales y experto en fabricación aditiva.

"Aquí en Paderborn, imprimimos materiales, los caracterizamos hasta el nivel atómico y determinamos la correlación proceso-microestructura-rendimiento", dice Hengsbach; en otras palabras, entendemos cómo se comportará el material en diversas condiciones de impresión 3D.

Con Hengsbach trabajando en Europa y Chen y Markland en Cambridge, Massachusetts, el equipo comenzó a diseñar el nuevo metal utilizando CALPHAD, un método para calcular las propiedades de los materiales. Usando modelos de materiales termodinámicos, el equipo pudo predecir qué harían los nuevos materiales en diferentes condiciones.

Hengsbach formuló el material en el centro de fabricación aditiva de Paderborn y lo imprimió como prueba: fabricó la nueva aleación de metal, la fundió y luego la atomizó en pequeñas gotas que se solidificaron y formaron un polvo. Luego, el polvo se coloca en capas y se funde con láser en un objeto en una impresora 3D.

"Esto fue muy exitoso", dice Hengsbach. "Hemos diseñado un acero para herramientas muy prometedor, con un rendimiento superior en cuanto a conductividad térmica, dureza y tenacidad, que en realidad se puede imprimir".

El nuevo metal tiene otros posibles usos de fabricación, dice Hengsbach: moldeo por inyección, que se usa a menudo para plásticos; o endurecimiento a presión, que puede formar acero de alta resistencia en formas complejas; u otros procesos: "dondequiera que desee usar canales de enfriamiento conformados, este material se puede usar".

Hengsbach regresará al MIT en febrero de 2023 para trabajar como postdoctorado en el grupo de investigación de Olson.

"No te arrepentirás"

El equipo presentó una solicitud de patente en los EE. UU. para el nuevo acero imprimible para troqueles, y el siguiente paso es realizar pruebas en aplicaciones de troqueles de fundición. Las conversaciones con Tesla están en marcha.

En lo que podría ser un respaldo al metal novedoso del equipo, Musk tuiteó el 9 de septiembre a sus más de 100 millones de seguidores: "Tomen Materials Science 101. No se arrepentirán".

Para Chen, un estudiante de tercer año que se especializa en ciencia e ingeniería de materiales, el diseño del acero ha confirmado que quiere permanecer en un carril relacionado con los materiales para la escuela de posgrado.

"Este proyecto me ha empujado hacia un área de materiales más impulsada por la computación", dice Chen, "donde los modelos computacionales se utilizan como una herramienta crítica para el diseño y análisis de materiales".

Markland, quien se graduó en mayo con una licenciatura en ciencia e ingeniería de materiales, recientemente comenzó a trabajar a tiempo completo en Ford Motor Company en Dearborn, Michigan. Como parte del programa Ford College Graduate, trabajará en diferentes proyectos durante sus dos primeros años, comenzando con ingeniería de pintura de vehículos y prevención de la corrosión.

"Se siente genial que ASM reconozca nuestro trabajo", dice Markland. "A veces, el trabajo de clase puede sentirse abstracto o alejado del mundo real, y es un recordatorio refrescante de que el proyecto que hicimos tiene reconocimiento más allá de una simple tarea de clase".

El primer premio en la competencia ASM ($ 2,000) fue para la Universidad Tecnológica de Michigan por la caracterización, modelado y optimización de materiales de aleaciones de aluminio, cerio y magnesio para extrusión; y el segundo premio ($1500) fue para la Universidad de Tennessee en Knoxville por análisis de materiales en la restauración de órganos musicales.

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