MIT-Team belegt mit neuartigem 3D-druckbarem Metall den 3. Platz im Materialdesign-Wettbewerb

Vorheriges Bild Nächstes Bild

Die Vereinigten Staaten könnten ihrem Ziel einen Schritt näher kommen, dass im Jahr 2030 die Hälfte aller Neufahrzeuge emissionsfreie Elektrofahrzeuge sein sollen. Das ist einem Paar MIT-Studenten und ihrem Doktoranden-Coach in Deutschland zu verdanken, die eine neue Stahlsorte entwickelt haben, nicht für den Bau der Autos, sondern für die Druckgussformen, die sie in nur wenigen Einzelteilen ausstanzen.

MIT-Junior Ian Chen und Kyle Markland '22 belegten beim Undergraduate Design Competition 2022 der ASM Materials Education Foundation den dritten Platz. Die 3D-druckbare Stahllegierung, die ihnen diese Auszeichnung einbrachte, wurde von einem innovativen Fertigungsansatz namens Giga-Casting inspiriert, der vom Autohersteller Tesla populär gemacht wurde und für den Zusammenbau des vollelektrischen Modells Y verwendet wurde.

Chen nahm die Auszeichnung am 12. September bei einer Zeremonie in New Orleans entgegen und Chen und Markland werden sich den Preis in Höhe von 1.000 US-Dollar teilen. Die ASM Materials Education Foundation ist die gemeinnützige Abteilung der Materialtechnikorganisation ASM International. Ziel ist die Förderung angewandter naturwissenschaftlicher Karrieren bei Studierenden und Lehrkräften.

Eine Design-Herausforderung

Das Projekt von Chen und Markland hat seine Wurzeln in der Klasse 3.041 (Computational Materials Design) vom letzten Frühjahr, die von Gregory Olson, dem Thermo-Calc-Professor für die Praxis am MIT, unterrichtet wurde. Olson ist einer der weltweit führenden Wissenschaftler der computergestützten Materialwissenschaft, der Computermodellierung und -simulation nutzt, um neue Materialien zu verstehen und zu entwerfen. Seine Methodik wurde von Apple bei der Entwicklung der Apple Watch verwendet und erregte die Aufmerksamkeit von Elon Musk, CEO von Tesla.

„Um erschwingliche Elektroautos mit guter Reichweite zu bekommen, musste er Aluminiumstrukturen erschwinglich machen“, sagt Olson über Musk. „Also schaute er sich die Art des Druckgusses für kleine Automodelle an und sagte: ‚Warum nicht skalieren? Wir gießen das ganze Auto.‘“

Tesla nutzte Olsons rechnerischen Ansatz für das Aluminium, das druckgegossen werden konnte – das ist der Metallgussprozess, bei dem geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird, um Objekte zu formen. Autos werden in der Regel aus Hunderten von Druckgussteilen – Motorzylindern, Halterungen und anderen Komponenten – gebaut, die später an einer automatisierten Montagelinie zu einem Fahrzeug zusammengefügt werden. Beim Giga-Casting-Verfahren – benannt nach den riesigen Gussmaschinen namens Giga Press – werden stattdessen nur zwei oder drei große Automobilteile gegossen, was die Komplexität des Prozesses und die damit verbundenen Kosten erheblich reduziert.

Das Problem besteht darin, dass „wenn man den Prozess vergrößert, die Wärmeübertragung langsamer und die Zykluszeiten zu lang sind“, sagt Olson – das heißt, das flüssige Metall braucht länger zum Abkühlen, was den gesamten Prozess weniger effizient und teurer macht .

Eine Technik namens „konforme Kühlung“ kann helfen. Darin folgen schmale Kanäle der Form des zu gießenden Gegenstands oder passen sich dieser an. Durch sie wird Kühlmittel oder Wasser geleitet, um die Abkühlung zu beschleunigen.

So nahm die Herausforderung Gestalt an. Charles Kuehmann, Vizepräsident für Materialtechnik bei SpaceX und Tesla und ehemaliger Schüler von Olson, bestätigte den Bedarf: ein besserer Matrizenstahl, auch Werkzeugstahl genannt, der „druckbar“ ist – ein Material, das in ein 3D-Modell geladen werden könnte Drucker zum Drucken neuer Matrizen mit besserer Festigkeit und thermischen Eigenschaften. Herkömmliche Stähle, sagte Olson, „sind ziemlich spröde und neigen zu Rissen, wenn man versucht, sie zu drucken.“

Offshore-Produktion

Als Berater für das Studententeam wandte sich Olson an Florian Hengsbach, einen Gaststudenten am MIT der Universität Paderborn, der während der Pandemie-Lockdowns im Jahr 2020 nach Deutschland zurückgekehrt war.

Passender für das MIT-Projekt hätte Hengsbachs Doktorarbeit nicht sein können: Werkzeugstahldesign für die additive Fertigung, ein Begriff, der oft synonym mit 3D-Druck verwendet wird. Sein Betreuer ist Mirko Schaper, Dekan der Paderborner Hochschule für Maschinenwesen, Leiter des Fachbereichs Materialwissenschaften und Experte für additive Fertigung.

„Hier in Paderborn drucken wir Materialien, charakterisieren sie bis auf die atomare Ebene und ermitteln den Zusammenhang zwischen Prozess, Mikrostruktur und Leistung“, sagt Hengsbach – mit anderen Worten: Wir verstehen, wie sich das Material unter verschiedenen 3D-Druckbedingungen verhält.

Mit Hengsbach in Europa und Chen und Markland in Cambridge, Massachusetts, begann das Team mit der Entwicklung des neuen Metalls mithilfe von CALPHAD, einer Methode zur Berechnung der Materialeigenschaften. Mithilfe thermodynamischer Materialmodelle konnte das Team vorhersagen, wie sich neue Materialien unter verschiedenen Bedingungen verhalten würden.

Hengsbach formulierte das Material im Paderborner Zentrum für additive Fertigung und druckte es als Test – er stellte die neue Metalllegierung her, schmolz sie und zerstäubte sie dann in winzige Tröpfchen, die sich zu einem Pulver verfestigten. Anschließend wird das Pulver schichtweise geschichtet und per Laser in einem 3D-Drucker zu einem Objekt verschmolzen.

„Das war sehr erfolgreich“, sagt Hengsbach. „Wir haben einen vielversprechenden Werkzeugstahl mit überlegener Leistung hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Härte und Zähigkeit entwickelt, der tatsächlich gedruckt werden kann.“

Laut Hengsbach gibt es für das neue Metall noch andere potenzielle Fertigungsanwendungen: Spritzguss, das häufig für Kunststoffe verwendet wird; oder Presshärten, wodurch hochfester Stahl in komplexen Formen geformt werden kann; oder andere Prozesse – „Überall dort, wo man konforme Kühlkanäle nutzen möchte, kann dieses Material eingesetzt werden.“

Hengsbach wird im Februar 2023 ans MIT zurückkehren, um als Postdoc in Olsons Forschungsgruppe zu arbeiten.

„Du wirst es nicht bereuen“

Das Team reichte einen US-Patentantrag für den neuen druckbaren Gesenkstahl ein und der nächste Schritt besteht darin, ihn in Gussformanwendungen zu testen. Gespräche mit Tesla sind im Gange.

Musk twitterte am 9. September an seine mehr als 100 Millionen Follower: „Machen Sie Materialwissenschaft 101. Sie werden es nicht bereuen.“

Für Chen, einen Juniorstudenten mit Hauptfach Materialwissenschaften und -technik, hat die Entwicklung des Stahls bestätigt, dass er für sein Graduiertenstudium in einem materialbezogenen Bereich bleiben möchte.

„Dieses Projekt hat mich in einen stärker rechnergestützten Materialbereich geführt“, sagt Chen, „wo Computermodelle als entscheidendes Werkzeug für Materialdesign und -analyse verwendet werden.“

Markland, der im Mai seinen Bachelor in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen abschloss, begann vor Kurzem eine Vollzeitbeschäftigung bei der Ford Motor Company in Dearborn, Michigan. Im Rahmen des Ford College Graduate-Programms wird er in den ersten beiden Jahren an verschiedenen Projekten arbeiten, beginnend mit der Fahrzeuglackierung und dem Korrosionsschutz.

„Es ist ein tolles Gefühl, dass unsere Arbeit von ASM anerkannt wird“, sagt Markland. „Manchmal wirken Unterrichtsaufgaben abstrakt oder von der realen Welt entfernt, und es ist eine erfrischende Erinnerung daran, dass das Projekt, das wir durchgeführt haben, Anerkennung findet, die über eine bloße Unterrichtsaufgabe hinausgeht.“

Der erste Preis im ASM-Wettbewerb (2.000 US-Dollar) ging an die Michigan Technological University für die Materialcharakterisierung, Modellierung und Optimierung von Aluminium-Cer-Magnesium-Legierungen für die Extrusion; Der zweite Preis (1.500 US-Dollar) ging an die University of Tennessee in Knoxville für Materialanalysen bei der Restaurierung von Musikorgeln.

Vorheriger Artikel Nächster Artikel