L'équipe du MIT se classe 3e au concours de conception de matériaux avec un nouveau métal imprimable en 3D

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Les États-Unis pourraient être un peu plus près de leur objectif de faire en sorte que la moitié de tous les véhicules neufs vendus en 2030 soient des véhicules électriques à zéro émission. C'est grâce à une paire d'étudiants de premier cycle du MIT et à leur entraîneur étudiant diplômé en Allemagne, qui ont développé un nouveau type d'acier non pas pour la construction des voitures, mais pour les moules de moulage sous pression qui les découpent en quelques pièces discrètes.

Le junior du MIT Ian Chen et Kyle Markland '22 se sont classés troisièmes au concours de conception de premier cycle 2022 de l'ASM Materials Education Foundation. L'alliage d'acier imprimable en 3D qui leur a valu cet honneur a été inspiré par une approche de fabrication innovante appelée Giga-casting, popularisée par le constructeur automobile Tesla et utilisée pour assembler le modèle Y tout électrique.

Chen a accepté le prix lors d'une cérémonie à la Nouvelle-Orléans le 12 septembre, et Chen et Markland se partageront le prix de 1 000 $. ASM Materials Education Foundation est la division caritative de l'organisation d'ingénierie des matériaux ASM International. Son objectif est de promouvoir les carrières en sciences appliquées auprès des étudiants et des enseignants.

Un défi de conception

Le projet de Chen et Markland a ses racines dans la classe 3.041 (Computational Materials Design) du printemps dernier, enseignée par Gregory Olson, le professeur Thermo-Calc de la pratique au MIT. Olson est l'un des plus grands spécialistes mondiaux de la science computationnelle des matériaux, qui utilise la modélisation et la simulation informatiques pour comprendre et concevoir de nouveaux matériaux. Sa méthodologie a été utilisée par Apple pour créer l'Apple Watch, et elle a attiré l'attention du PDG de Tesla, Elon Musk.

"Pour obtenir des voitures électriques abordables avec une bonne autonomie, il devait rendre les structures en aluminium abordables", explique Olson en parlant de Musk. "Alors il a regardé le genre de moulage sous pression pour les petits modèles de voitures et a dit:" Pourquoi ne pas le mettre à l'échelle? Nous allons couler toute la voiture. ""

Tesla a utilisé l'approche informatique d'Olson pour l'aluminium qui pourrait être moulé sous pression - c'est le processus de coulée de métal par lequel le métal en fusion est versé dans un moule pour former des objets. Les voitures sont généralement construites à l'aide de centaines de pièces moulées sous pression - cylindres de moteur, supports et autres composants - qui sont ensuite assemblées sur une chaîne de montage automatisée pour fabriquer un véhicule. Le processus de coulée Giga - du nom des machines de coulée massives connues sous le nom de Giga Press - consiste plutôt à couler seulement deux ou trois grandes pièces automobiles, ce qui réduit considérablement la complexité du processus et les coûts associés.

Le problème est que "lorsque vous augmentez le processus, le transfert de chaleur est plus lent et les temps de cycle sont trop longs", explique Olson - c'est-à-dire que le métal liquide prend plus de temps à refroidir, ce qui rend l'ensemble du processus moins efficace et plus coûteux.

Une technique appelée "refroidissement conforme" peut aider. Dans celui-ci, des canaux étroits suivent ou se conforment à la forme de la chose coulée, et du liquide de refroidissement ou de l'eau les traverse pour accélérer le refroidissement.

Alors le défi a pris forme. Charles Kuehmann, vice-président de l'ingénierie des matériaux chez SpaceX et Tesla, et ancien étudiant d'Olson, a confirmé le besoin : un meilleur acier pour matrices, également appelé acier à outils, qui est "imprimable" - un matériau qui pourrait être chargé dans une imprimante 3D pour imprimer de nouvelles matrices avec une meilleure résistance et des propriétés thermiques. Les aciers conventionnels, a déclaré Olson, "sont assez fragiles et sujets aux fissures si vous essayez de les imprimer".

Production en mer

Pour un conseiller de l'équipe étudiante, Olson s'est tourné vers Florian Hengsbach, un étudiant invité au MIT de l'Université de Paderborn qui est retourné en Allemagne lors des fermetures pandémiques en 2020.

La thèse de doctorat de Hengsbach n'aurait pas pu être plus appropriée pour le projet du MIT : la conception d'acier à outils pour la fabrication additive, un terme souvent utilisé comme synonyme d'impression 3D. Son superviseur est Mirko Schaper, doyen de l'université de génie mécanique de Paderborn, chef de son département de science des matériaux et expert en fabrication additive.

"Ici à Paderborn, nous imprimons des matériaux, les caractérisons jusqu'au niveau atomique et déterminons la corrélation processus-microstructure-performance", explique Hengsbach. En d'autres termes, nous comprenons comment le matériau se comportera dans diverses conditions d'impression 3D.

Avec Hengsbach travaillant en Europe et Chen et Markland à Cambridge, Massachusetts, l'équipe a commencé à concevoir le nouveau métal en utilisant CALPHAD, une méthode de calcul des propriétés des matériaux. À l'aide de modèles de matériaux thermodynamiques, l'équipe a pu prédire ce que de nouveaux matériaux feraient dans différentes conditions.

Hengsbach a formulé le matériau au centre de fabrication additive de Paderborn et l'a imprimé comme test - en fabriquant le nouvel alliage métallique, en le faisant fondre, puis en l'atomisant en minuscules gouttelettes qui se solidifient, créant une poudre. Ensuite, la poudre est stratifiée et fondue au laser en un objet dans une imprimante 3D.

"Cela a été un grand succès", déclare Hengsbach. "Nous avons conçu un acier à outils très prometteur, avec des performances supérieures en termes de conductivité thermique, de dureté et de ténacité, qui peut réellement être imprimé."

Le nouveau métal a d'autres utilisations potentielles dans la fabrication, dit Hengsbach - le moulage par injection, souvent utilisé pour les plastiques; ou l'écrouissage à la presse, qui peut former de l'acier à haute résistance dans des formes complexes ; ou d'autres processus - "partout où vous souhaitez utiliser des canaux de refroidissement conformes, ce matériau peut être utilisé."

Hengsbach retournera au MIT en février 2023 pour travailler comme postdoc dans le groupe de recherche d'Olson.

"Vous ne le regretterez pas"

L'équipe a déposé une demande de brevet américain pour le nouvel acier de matrice imprimable, et la prochaine étape consiste à tester des applications de matrice de coulée. Des discussions avec Tesla sont en cours.

Dans ce qui pourrait être une approbation du roman métal de l'équipe, Musk a tweeté le 9 septembre à ses plus de 100 millions de followers, "Prenez la science des matériaux 101. Vous ne le regretterez pas."

Pour Chen, un junior spécialisé en science et ingénierie des matériaux, la conception de l'acier a confirmé qu'il souhaitait rester dans une filière liée aux matériaux pour ses études supérieures.

"Ce projet m'a poussé vers un domaine des matériaux plus axé sur le calcul", déclare Chen, "où les modèles informatiques sont utilisés comme un outil essentiel pour la conception et l'analyse des matériaux".

Markland, qui a obtenu en mai un BS en science et ingénierie des matériaux, a récemment commencé à travailler à temps plein chez Ford Motor Company à Dearborn, Michigan. Dans le cadre du programme d'études supérieures du Ford College, il travaillera sur différents projets au cours de ses deux premières années, en commençant par l'ingénierie de la peinture automobile et la prévention de la corrosion.

"C'est formidable que notre travail soit reconnu par l'ASM", déclare Markland. "Parfois, le travail en classe peut sembler abstrait ou éloigné du monde réel, et c'est un rappel rafraîchissant que le projet que nous avons fait a une reconnaissance au-delà d'un simple devoir de classe."

Le premier prix du concours ASM (2 000 $) a été attribué à la Michigan Technological University pour la caractérisation, la modélisation et l'optimisation des alliages aluminium-cérium-magnésium pour l'extrusion ; et le deuxième prix (1 500 $) est allé à l'Université du Tennessee à Knoxville pour l'analyse des matériaux dans la restauration d'orgues de musique.

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