Dois alunos de graduação do MIT recentemente conquistaram o primeiro lugar - e US$ 2.000 em prêmios em dinheiro para compartilhar - no concurso anual de design de graduação de 2023 da ASM Materials Education Foundation. Louise Anderfaas e Darsh Grewal, alunos da turma 3.041 do professor Gregory Olson (Design de Materiais Computacionais), trabalharam com a mentora de pós-doutorado do MIT, Margianna Tzini, no projeto complexo.

 

“Este é provavelmente o mais alto nível de complexidade que uma equipe de graduação já assumiu”, diz Olson, que veio da Northwestern University para o MIT em 2020. Ele supervisionou equipes no concurso em ambas as escolas. No ano passado,  o MIT ficou em terceiro lugar  no projeto de uma liga imprimível em 3D para estampar peças Tesla.

 

ASM Materials Education Foundation  é a divisão de caridade da organização de engenharia de materiais ASM International. Promove carreiras em ciências aplicadas para alunos e professores.

O projeto vencedor de Anderfaas e Grewal consistiu na criação de uma placa de alumínio super resistente, com 10 centímetros de espessura, para uso em aplicações como aviões e carros. Era fundamental que o material fosse muito resistente, resistindo a situações como corrosão sob tensão e fraturas. Eles fizeram um vídeo para explicar  passo a passo o processo, usando modelos de computador e cálculos para descobrir a melhor combinação de materiais e design.

 

“Para que o material fosse acessível e pudesse ser usado em aplicações industriais, utilizamos raízes de processamento convencionais”, diz Anderfaas, referindo-se aos métodos tradicionais de fabricação, como corte e fresagem, em vez de técnicas mais avançadas, que oferecem melhor desempenho e outros benefícios. mas muitas vezes são mais caros. “Mas para poder ser usado em aviões, tivemos que fabricar um produto em larga escala.”

 

Anderfaas e seu sócio Grewal, ambos veteranos do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE), tiveram apenas três meses para integrar todas essas propriedades e usar ferramentas computacionais para acelerar seu projeto.

 

A liga de placa de alumínio de ultra-alta resistência atende aos requisitos de propriedade da vida real fornecidos pelo  Laboratório Nacional DSO em Cingapura, que colaborou com o MIT no projeto. Para desenvolver um material que fosse forte e flexível e pudesse suportar tensões sem sofrer corrosão, os alunos usaram ferramentas computacionais baseadas no CALPHAD, um método para calcular as propriedades dos materiais, e incorporaram dados da teoria do funcional da densidade (DFT). Os dados DFT fornecem insights sobre a estrutura eletrônica do material, auxiliando na otimização de suas propriedades.

 

A equipe utilizou otimização multiobjetivo, que foi fundamental para equilibrar as variáveis ??necessárias. “Quando você tenta projetar algo, internamente, sempre há um custo. Quando você tenta aumentar a força, você perde outra coisa”, lembra Grewal. Tornar algo mais forte pode torná-lo menos flexível, por exemplo. Portanto, em vez de nos concentrarmos nas propriedades individuais, “tratamos o sistema como um todo”.

 

Anderfaas e Grewal citaram a abordagem hierárquica clássica para design de materiais que Olson ensina durante suas aulas. “Isso ocorre de duas maneiras: tanto a estrutura afeta as propriedades quanto as propriedades afetam sua estrutura”, diz Grewal. “Você tem que entender esse relacionamento.”

 

O desafio: há muitas relações a serem distinguidas em um problema complexo. “É preciso distinguir quais são as partes importantes e como todas essas partes estão relacionadas e conectadas entre si”, acrescenta Grewal.

A aula de Olson inova em um campo que ele ajudou a inventar: o design computacional de novos materiais. A aula reúne conceitos básicos do currículo de ciência de materiais do MIT – termodinâmica, cinética e propriedades mecânicas, por exemplo – e ensina os alunos como projetar materiais, desenvolvendo uma compreensão das relações processo-estrutura-propriedade-desempenho que definem o comportamento do material. A aula culmina com um projeto final de design - o tema da competição - no qual equipes de alunos projetam um novo material que aborda os atuais desafios práticos dos materiais.

 

“Dediquei minha carreira de pesquisa a essa tecnologia e à sua comercialização”, diz Olson, Professor Thermo-Calc da Prática do DMSE. Através de sua startup,  QuesTek, a tecnologia foi adotada por gigantes da indústria, incluindo Apple, SpaceX e Tesla. “Essas empresas tendem a se interessar muito pelos alunos que frequentam minhas aulas e normalmente oferecem estágios e alguns cargos permanentes.”

 

A turma é organizada em projetos de equipe elaborados a partir de pesquisas de pós-graduação financiadas, para que estudantes de pós-graduação e pós-doutorandos possam servir como treinadores para as equipes de estudantes, permitindo-lhes atingir um nível técnico muito mais elevado do que seria possível de outra forma, diz Olson. Tzini orientou os alunos com detalhes específicos sobre o projeto e os ajudou a distinguir os diferentes aspectos e depois conectá-los.

 

Os bancos de dados utilizados pelos alunos no projeto estão alinhados com a  Materials Genome Initiative, uma iniciativa do governo dos EUA que visa acelerar a descoberta e o desenvolvimento de novos materiais. Eles incluem informações sobre propriedades, estruturas e comportamentos de uma grande variedade de materiais. Da mesma forma que o genoma humano serve como base de dados que dirige a montagem de estruturas de vida, aqui o genoma dos materiais contém dados igualmente fundamentais que podem ser usados para dirigir a montagem de uma microestrutura multiescala de um material que evolui ao longo de fases sequenciais de processamento.

 

“Portanto, os bancos de dados estão nos permitindo pegar o conhecimento mecanicista que temos e aplicá-lo de uma forma quantitativa específica para sistemas. A aula realmente integra todo o currículo do programa de materiais de graduação nesses projetos de design”, diz Olson. Ele está orgulhoso de ver estudantes como Anderfaas e Grewal tendo sucesso com o assunto.

 

Os alunos ficaram surpresos, mas satisfeitos com a vitória na competição ASM. “Era difícil compreender todos esses conceitos e equilibrar tudo”, diz Grewal. “Esta é definitivamente a aula mais difícil que fiz, mas também a mais gratificante.”

 

O segundo prêmio da competição foi para a Universidade de Purdue, por melhorar o processo de achatamento de componentes de alumínio forjado, e o terceiro prêmio foi para a Universidade Tecnológica de Michigan, por reduzir a presença de impurezas de boro na fabricação de ferro fundido a partir de aço reciclado.