Nová platforma pro vývoj vyspělých kovů v rozsahu

Výrobci špičkových produktů a průlomových technologií jsou často omezeni fyzikálními limity tradičních materiálů. V letectví, obranném průmyslu, energetice a průmyslovém nářadí posouvání těchto limitů zavádí do systému potenciální body selhání, ale společnosti nemají lepší možnosti, vzhledem k tomu, že výroba nových materiálů v rozsahu zahrnuje víceleté časové horizonty a obrovské výdaje.

Společnost Foundation Alloy chce tento stav změnit. Společnost založená týmem z MIT je schopna vyrábět novou třídu ultravysoce výkonných kovových slitin pomocí nového výrobního procesu, který se neobejde bez tavení surovin. Technologie společnosti v oblasti metalurgie pevných látek, která zjednodušuje vývoj a výrobu slitin nové generace, byla vyvinuta v průběhu mnoha let výzkumu bývalého profesora MIT Chrise Schuha a spolupracovníků.

„Jedná se o zcela nový přístup k výrobě kovů,“ říká generální ředitel Jake Guglin MBA '19, který spoluzaložil společnost Foundation Alloy s Schuhem, Jasperem Lienhardem '15, PhD '22 a Timem Rupertem PhD '11. „Dává nám širokou sadu pravidel na straně materiálového inženýrství, která nám umožňuje navrhovat mnoho různých složení s dosud nedosažitelnými vlastnostmi. To využíváme k výrobě produktů, které lépe fungují pro pokročilé průmyslové aplikace.“

Foundation Alloy uvádí, že její kovové slitiny mohou být dvakrát pevnější než tradiční kovy, s desetkrát rychlejší vývoj produktů, což umožňuje společnostem testovat, iterovat a zavádět nové kovy do produktů za měsíce namísto let.

Společnost již navrhuje kovy a dodává demonstrační díly společnostem vyrábějícím komponenty pro letadla, kola a automobily. Také vyrábí zkušební díly pro partnery v průmyslu s delšími vývojovými cykly, jako je obranný a letecký průmysl.

Do budoucna společnost věří, že její přístup umožňuje společnostem budovat výkonnější a spolehlivější systémy, od raket po automobily, reaktorů jaderné fúze a čipů umělé inteligence.

„U pokročilých systémů, jako jsou raketové a proudové motory, pokud je můžete provozovat při vyšších teplotách, můžete dosáhnout efektivnějšího využití paliva a výkonnějšího systému,“ říká Guglin. „Limitujícím faktorem je, zda máte při těchto vyšších teplotách strukturální integritu, a to je v zásadě problém s materiály. V současné době také intenzivně pracujeme na pokročilé výrobě a nástrojích, což je neslavný, ale super kritický základ průmyslového světa, kde schopnost posouvat vlastnosti nahoru bez násobení nákladů může odemknout efektivitu v provozu, výkonu a kapacitě, a to vše způsobem, který je možný pouze s různými materiály.“

Z MIT do světa

Schuh se v roce 2002 připojil k fakultě MIT, aby studoval zpracování, strukturu a vlastnosti kovů a dalších materiálů. V roce 2011 byl jmenován vedoucím katedry materiálových věd a inženýrství, než se v roce 2023 stal děkanem inženýrství na Northwestern University, po více než 20 letech na MIT.

„Chris se chtěl dívat na kovy z různých perspektiv a dělat věci ekonomicky efektivnější a výkonnější, než je možné s tradičními procesy,“ říká Guglin. „Nešlo jen o akademické práce – šlo o vytváření nových metod, které by byly cenné pro průmyslový svět.“

Rupert a Lienhard prováděli své doktoráty v Schuhově laboratoři a Rupert vynalezl doplňkové technologie k procesům v pevném stavu vyvinutému Schuhem a jeho spolupracovníky jako profesorem na Kalifornské univerzitě v Irvine.

Guglin přišel na MIT Sloan School of Management v roce 2017 s nadšením pracovat na vysoce nárazových technologiích.

„Chtěl jsem jít někam, kde bych mohl najít druhy zásadních technických průlomů, které vytvářejí asymetrickou hodnotu – druhy věcí, kde kdyby se nestaly zde, nestaly by se nikde jinde,“ vzpomíná Guglin.

V jedné ze svých přednášek doktorand v Schuhově laboratoři nacvičoval svou obhajobu dizertační práce popisem svého výzkumu nového způsobu vytváření kovových slitin.

„Nerozuměl jsem tomu – mám filozofické vzdělání,“ říká Guglin. „Ale slyšel jsem „silnější kovy“ a viděl jsem potenciál této úžasné platformy, na které pracovala Chrisova laboratoř, a to se přesně shodovalo s tím, proč jsem chtěl přijít na MIT.“

Guglin se spojil se Schuhem a dvojice si udržovala kontakt v následujících letech, když Guglin absolvoval a šel pracovat pro letecké společnosti SpaceX a Blue Origin, kde z první ruky viděl problémy způsobené dodavatelským řetězcem kovových dílů.

V roce 2022 se dvojice konečně rozhodla spustit společnost, přidala Ruperta a Lienharda a licencovala technologii z MIT a UC Irvine.

První výzvou zakladatelů bylo zvětšení technologie.

„Je tu spousta procesního inženýrství, které se musí posunout od provedení něčeho jednou na 5 gramů k jeho provedení 100krát týdně na 100 kilogramů na dávku,“ říká Guglin.

Dnes Foundation Alloys začíná s požadavky zákazníků na materiál a rozhoduje se o přesné směsi práškových surovin, ze kterých každý kov vychází. Poté použije speciální průmyslový mixér – Guglin jej nazývá průmyslovým mixérem KitchenAid – k vytvoření kovového prášku, který je homogenní až na atomové úrovni.

„V našem procesu, od suroviny až po finální díl, kov nikdy netavíme,“ říká Guglin. „To je neobvyklé, ne-li neznámé v tradiční výrobě kovů.

Odtud může být materiál společnosti ztužen pomocí tradičních metod, jako je vstřikování kovu, lisování nebo 3D tisk. Posledním krokem je spékání v peci.

„Také hodně pracujeme na tom, jak kov reaguje v spékací peci,“ říká Guglin. „Naše materiály jsou speciálně navrženy tak, aby se spékaly při relativně nízkých teplotách, relativně rychle a až k plné hustotě.“

Pokročilý proces spékání využívá o řád méně tepla, čímž se šetří náklady a umožňuje společnosti vyhnout se sekundárním procesům pro kontrolu kvality. Dává také Foundation Alloy větší kontrolu nad mikrostrukturou finálních dílů.

„Odtud získáváme velkou část našeho výkonnostního posílení,“ říká Guglin. „A tím, že nepotřebujeme tyto sekundární procesní kroky, šetříme dny, ne-li týdny, kromě úspor nákladů a energie.“

Základ pro průmysl

Foundation Alloy v současné době testuje své kovy v průmyslové základně a také obdržela granty na vývoj součástí pro kritické komponenty reaktorů jaderné fúze.

„Název Foundation Alloy v mnoha ohledech pochází z touhy být základem pro příští generaci průmyslu,“ říká Guglin.

Na rozdíl od tradiční výroby kovů, kde nové slitiny vyžadují obrovské investice do zvětšení, Guglin říká, že proces společnosti pro vývoj nových slitin je téměř stejný jako její výrobní procesy, což jí umožňuje mnohem rychleji zvětšovat výrobu nových materiálů.

„V jádru našeho přístupu je pohled na problémy jako u materiálových vědců s novou technologií,“ říká Guglin. „Nejsme vázáni myšlenkou, že tento typ oceli musí řešit tento typ problému. Snažíme se pochopit, proč tato ocel selhává, a poté použít naši technologii k vyřešení problému způsobem, který nepřináší 10% zlepšení, ale dvojnásobné nebo pětinásobné zlepšení z hlediska výkonu.“