Materialdesign-Wettbewerb: Platz 3 für MIT-Team für neuartiges 3D-druckbares Metall

Die Vereinigten Staaten könnten ihrem Ziel, dass im Jahr 2030 die Hälfte aller verkauften Neufahrzeuge emissionsfreie Elektrofahrzeuge sein sollen, einen Schritt näher gekommen sein. Zu verdanken ist dies zwei MIT-Studenten und ihrem Betreuer in Deutschland, die eine neue Stahlsorte entwickelt haben, die nicht für den Bau der Autos, sondern für die Druckgussformen verwendet wird, mit denen sie in wenigen Einzelteilen hergestellt werden.

Der MIT-Junior Ian Chen und Kyle Markland (22) belegten den dritten Platz im ASM Materials Education Foundation’s 2022 Undergraduate Design Competition. Die 3D-druckbare Stahllegierung, die ihnen die Auszeichnung einbrachte, wurde durch ein innovatives Herstellungsverfahren namens Giga-Casting inspiriert, das vom Autohersteller Tesla eingeführt wurde und für die Montage des vollelektrischen Model Y verwendet wird.

Chen nahm die Auszeichnung bei einer Zeremonie in New Orleans am 12. September entgegen, und Chen und Markland teilen sich den mit 1.000 Dollar dotierten Preis. Die ASM Materials Education Foundation ist die wohltätige Abteilung der Werkstofftechnik-Organisation ASM International. Ihr Ziel ist es, bei Schülern und Lehrern für angewandte wissenschaftliche Berufe zu werben.

Eine konstruktive Herausforderung

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

“Um erschwingliche Elektroautos mit guter Reichweite zu bekommen, musste er Aluminiumstrukturen erschwinglich machen”, sagt Olson über Musk. “Er sah sich also die Art des Druckgusses für kleine Automodelle an und sagte: ‘Warum nicht in größerem Maßstab? Wir werden das ganze Auto gießen.'”

Tesla nutzte Olsons Berechnungsansatz für das Aluminium, das im Druckgussverfahren gegossen werden konnte – das ist ein Metallgussverfahren, 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 auf einem automatischen Fließband zu einem Fahrzeug zusammengesetzt werden. Beim Giga-Casting-Verfahren – benannt nach den massiven Gießmaschinen, die als Giga Press bekannt sind – werden stattdessen nur zwei oder drei große Autoteile gegossen, was die Komplexität des Prozesses und die damit verbundenen Kosten erheblich reduziert.

Das Problem ist, “dass bei einer Vergrößerung des Prozesses die Wärmeübertragung langsamer ist und die Zykluszeiten zu lang sind”, sagt Olson – das heißt, das flüssige Metall braucht länger, um abzukühlen, was den gesamten Prozess weniger effizient und teurer macht.

Eine Technik namens “konforme Kühlung” kann Abhilfe schaffen. Dabei folgen schmale Kanäle der Form des zu gießenden Gegenstands, durch die Kühlmittel oder Wasser geleitet wird, um die Abkühlung zu beschleunigen.

So nahm die Herausforderung Gestalt an. Charles Kuehmann, Vizepräsident für Werkstofftechnik bei SpaceX und Tesla und ehemaliger Student von Olson, bestätigte den Bedarf: ein besserer Formenstahl, auch Werkzeugstahl genannt, der “druckbar” ist – ein Material, das in einen 3-D-Drucker geladen werden kann, um neue Formen mit besserer Festigkeit und thermischen Eigenschaften zu drucken. Herkömmliche Stähle, so Olson, “sind ziemlich spröde und rissanfällig, wenn man versucht, sie zu drucken”.

Offshore-Produktion

Als Berater für das Studententeam wandte sich Olson an Florian Hengsbach, einen Gaststudenten der Universität Paderborn am MIT, der während der Pandemieabschaltung im Jahr 2020 nach Deutschland zurückkehrte.

Hengsbachs Doktorarbeit hätte für das MIT-Projekt nicht passender 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 Fachhochschule für Maschinenbau, Leiter des Fachbereichs Werkstoffwissenschaften und Experte für additive Fertigung.

“Hier in Paderborn drucken wir Materialien, charakterisieren sie bis auf atomarer Ebene und bestimmen die Prozess-Mikrostruktur-Leistungs-Korrelation”, sagt Hengsbach.

Mit anderen Worten, sie verstehen, wie sich das Material unter verschiedenen 3D-Druckbedingungen verhält.

Während Hengsbach in Europa und Chen und Markland in Cambridge, Massachusetts, arbeiteten, begann das Team mit der Entwicklung des neuen Metalls mithilfe von CALPHAD, einer Methode zur Berechnung der Eigenschaften von Materialien. 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 testweise – er stellte die neue Metalllegierung her, schmolz sie und zerstäubte sie dann in winzige Tröpfchen, die sich verfestigten und ein Pulver bildeten. Dann wird das Pulver geschichtet und mit einem Laser zu einem Objekt in einem 3D-Drucker geschmolzen.

“Das war sehr erfolgreich”, sagt Hengsbach. “Wir haben einen vielversprechenden Werkzeugstahl entwickelt, der hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Härte und Zähigkeit aufweist und tatsächlich gedruckt werden kann.”

Das neue Metall kann laut Hengsbach auch für andere Fertigungsverfahren eingesetzt werden: Spritzguss, der häufig für Kunststoffe verwendet wird, oder Presshärten, bei dem hochfester Stahl in komplexe Formen gebracht werden kann, oder andere Verfahren – “überall dort, wo man konforme Kühlkanäle verwenden möchte, kann dieses Material eingesetzt werden.”

Hengsbach wird im Februar 2023 an das MIT zurückkehren und als Postdoc in Olsons Forschungsgruppe arbeiten.

“Sie werden es nicht bereuen”

Das Team hat einen US-Patentantrag für den neuen bedruckbaren Druckgussstahl eingereicht, und der nächste Schritt ist die Erprobung in Gussanwendungen. Gespräche mit Tesla sind im Gange.

Am 9. September twitterte Musk an seine mehr als 100 Millionen Anhänger: “Nehmt den Kurs Materialwissenschaft 101. Ihr werdet es nicht bereuen.”

Für Chen, ein Student der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens, hat die Entwicklung des Stahls bestätigt, dass er in einer materialbezogenen Richtung bleiben möchte, um sein Studium abzuschließen.

“Dieses Projekt hat mich dazu gebracht, mich mehr mit rechnergestützten Werkstoffen zu beschäftigen”, sagt Chen, “wo Berechnungsmodelle als wichtiges Werkzeug für die Konstruktion und Analyse von Werkstoffen eingesetzt werden.”

Markland, der im Mai sein Studium der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens mit einem Bachelor abgeschlossen hat, arbeitet seit kurzem in Vollzeit 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, angefangen bei der Entwicklung von Fahrzeuglacken und dem Korrosionsschutz.

“Es ist ein tolles Gefühl, dass unsere Arbeit von der ASM anerkannt wird”, sagt Markland. “Manchmal fühlen sich Klassenarbeiten abstrakt oder weit weg von der realen Welt an, und es ist eine erfrischende Erinnerung daran, dass das Projekt, das wir durchgeführt haben, über eine reine Klassenarbeit hinaus Anerkennung findet.”

Der erste Preis des ASM-Wettbewerbs (2.000 $) ging an die Michigan Technological University für die Materialcharakterisierung, Modellierung und Optimierung von Aluminium-Cerium-Magnesium-Legierungen für das Strangpressen; der zweite Preis (1.500 $) ging an die University of Tennessee in Knoxville für die Materialanalyse bei der Restaurierung von Musikorgeln.

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