麻省理工学院学生在全国材料设计竞赛中获胜

麻省理工学院的两名本科生最近在一年一度的 ASM 材料教育基金会 2023 年本科生设计竞赛中获得了头把交椅——以及 2,000 美元的奖金。Gregory Olson教授3.041班（计算材料设计）的学生Louise Anderfaas和Darsh Grewal与麻省理工学院博士后导师Margianna Tzini合作开展了这个复杂的项目。
 
“这可能是本科生团队所承担的最高复杂程度，”奥尔森说，他于 2020 年从西北大学来到麻省理工学院。他曾在两所学校的比赛中监督团队。去年，麻省理工学院（MIT）在设计一种用于冲压特斯拉零件的3D可打印合金方面获得了第三名。
 
ASM材料教育基金会是材料工程组织ASM International的慈善机构。它向学生和教师推广应用科学职业。

超强且价格实惠

Anderfaas 和 Grewal 的获奖项目是制造一种 10 厘米厚的超强铝板，用于飞机和汽车等应用。至关重要的是，材料必须非常坚韧，能够抵抗应力腐蚀和断裂等情况。他们制作了一段视频来解释他们的分步过程，使用计算机模型和计算来找出材料和设计的最佳组合。
 
“为了使材料价格合理并用于工业应用，我们使用了传统的加工根，”Anderfaas说，他指的是传统的制造方法，如切割和铣削，而不是更尖端的技术，这些技术提供了更好的性能和其他好处，但通常更昂贵。“但为了在飞机上使用，我们必须制造大规模的产品。
 
Anderfaas和合伙人Grewal都是材料科学与工程系（DMSE）的大四学生，他们只有三个月的时间来整合所有这些特性，并使用计算工具来加速他们的设计。
 
超高强度铝板合金满足新加坡DSO国家实验室提供的实际性能要求，该实验室与麻省理工学院合作开展了该项目。为了开发一种坚固、柔韧且能够承受应力而不会腐蚀的材料，学生们使用了基于CALPHAD的计算工具，这是一种计算材料性能的方法，并结合了密度泛函理论（DFT）数据。DFT数据提供了对材料电子结构的见解，有助于优化其性能。
 
该团队使用了多目标优化，这是平衡必要变量的关键。“当你试图在内部设计一些东西时，总是有成本的。当你试图增加力量时，你正在失去其他东西，“Grewal 回忆道。例如，使某些东西更强大可能会使其不那么灵活。因此，“我们没有关注单个属性，而是将系统视为一个整体。
 
Anderfaas 和 Grewal 引用了 Olson 在课堂上教授的经典材料设计分层方法。“它有两个方面，结构都会影响性能，而属性也会影响你的结构，”Grewal说。“你必须了解这种关系。”
 
挑战：在一个复杂的问题中，有很多关系需要区分。“你必须区分哪些是重要的部分，以及所有这些部分是如何相互关联和联系的，”Grewal补充道。

计算设计剖析

奥尔森的课程在他帮助发明的领域开辟了新天地：新材料的计算设计。该课程汇集了麻省理工学院材料科学课程的核心概念——例如热力学、动力学和机械性能——并通过理解定义材料行为的工艺-结构-性能-性能关系来教学生如何设计材料。该课程的高潮是最终设计项目 – 比赛的主题 – 学生团队设计一种新颖的材料，以解决当前的实际材料挑战。
 
“我的研究生涯致力于这项技术及其商业化，”DMSE实践的Thermo-Calc教授Olson说。通过他的创业公司QuesTek，该技术已被苹果、SpaceX和特斯拉等行业巨头采用。“这些公司往往对参加我课程的学生非常感兴趣，通常会提供实习机会和一些长期职位。
 
奥尔森说，这门课被组织成团队项目，这些项目来自资助的研究生研究，因此研究生和博士后可以担任学生团队的教练，使他们能够达到比其他方式更高的技术水平。Tzini向学生介绍了有关该项目的具体细节，并帮助他们区分不同的方面，然后将它们联系起来。
 
学生们用于该项目的数据库与材料基因组计划（Materials Genome Initiative）保持一致，这是美国政府的一项计划，旨在加速新材料的发现和开发。它们包括有关各种材料的特性、结构和行为的信息。就像人类基因组作为指导生命结构组装的数据库一样，这里的材料基因组包含同样基本的数据，可用于指导材料的多尺度微观结构的组装，该材料在整个处理的连续阶段中进化。
 
“因此，数据库使我们能够获取我们拥有的机理知识，并以特定于系统的定量方式应用它。这门课真正将本科材料课程的整个课程整合到这些设计项目中，“奥尔森说。他很自豪地看到像 Anderfaas 和 Grewal 这样的学生在这个主题上取得了成功。
 
学生们对他们赢得ASM比赛感到惊讶但又高兴。“掌握所有这些概念并平衡一切是很困难的，”Grewal 说。“这绝对是我上过的最难的课，但也是最有成就感的。”
 
比赛的二等奖由普渡大学获得，以改进压扁锻造铝部件的工艺，三等奖由密歇根理工大学获得，以表彰其在用再生钢制造铸铁时减少硼杂质的存在。