Talento

Alunos do MIT vencem concurso nacional de design de materiais
No Concurso de Design de Graduação de 2023 da ASM Materials Education Foundation, os alunos do último ano Louise Anderfaas e Darsh Grewal projetam uma placa de alumínio superforte para aplicações como aviões e carros.
Por Lauren Paulo - 11/02/2024


Esta imagem metalográfica é uma ampliação da liga DMSE que Louise Anderfaas e Darsh Grewal desenvolveram usando modelos e cálculos de computador. Sua mentora de pós-doutorado, Margianna Tzini, posteriormente sintetizou a liga e testou sua resistência mecânica. Anderfaas e Grewal ganharam o primeiro lugar no Concurso de Design de Graduação de 2023 da ASM Materials Education Foundation por projetar uma liga de alumínio de alta resistência com potencial uso em transporte e aeroespacial. Créditos: Imagem cortesia dos pesquisadores.

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.

Super forte e acessível

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.

Anatomia do design computacional

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.