211service.com
Avancerad tillverkning och nya material
Nya material är kritiska komponenter i framväxande teknologier som lovar att bli viktiga tillväxtområden för ekonomin, såsom billigare solenergi, elbilsbatterier som kan gå längre mellan laddningar, lätta bärbara elektroniska enheter och implanterbara medicinska apparater för personlig medicin. Men resan från nytt material till produkt tar vanligtvis ett till två decennier. Det beror till stor del på att nya material kräver avancerad tillverkningsteknik som kan ta många år att utveckla.
Råmaterial: Detta material, som kunde användas i katoder för litiumjonbatterier, avslöjades genom beräkningsscreening. De olika formerna representerar olika delar av föreningen, en blandning av litium, mangan, bor och syre.
Vita huset hoppas kunna halvera den tiden genom att investera 100 miljoner dollar i ett Material Genome Initiative syftar till att uppmuntra effektivare användning av de beräkningsmodelleringsverktyg som forskare använder för att förutsäga egenskaperna hos nya material. Initiativet, som är en del av Vita husets Avancerat tillverkningspartnerskap , kommer att stödja öppen åtkomst till dessa modeller och databaser över materialvetenskapsgemenskapen i hopp om att förena akademiker med industrin tidigare i utvecklingsprocessen.
Som det ser ut nu tar forskare som arbetar med nya material inte hänsyn till tillverkningsproblem tidigt nog, säger Cyrus Wadia , biträdande direktör för ren energi och material FoU vid Vita husets kontor för vetenskap och teknologipolitik. Som ett resultat kan deras forskning leda dem in i återvändsgränder. Sättet att ändra på det, tror han, är att uppmuntra hela materialvetenskapssamfundet, från akademiker till tillverkare, att dela data och beräkningsverktyg – materialgenomet. Wadia säger att han vill att forskare ska fråga sig själva: Vem har gjort det tidigare, vad har de lärt sig och vad tål marknaden?
Materialforskare har använt prediktiva modeller med varierande grad av framgång under de senaste 20 åren, manipulerat data om egenskaper som smältpunkt, konduktivitet eller hur en förening reagerar med andra för att förutsäga om ett material är lämpligt för en viss tillämpning som t.ex. en batterielektrod. De involverade beräkningarna är mycket komplicerade. Men när koden för att förutsäga lovande kandidater för en viss applikation är skriven, kan den användas för att testa potentialen hos vilket material som helst, säger Gerbrand Ceder , en professor i materialvetenskap vid MIT som är specialiserad på beräkningsmodellering av nya batterielektrodmaterial. Tyvärr har det inte funnits någon infrastruktur för att hjälpa forskare att dela sina data och koden som används för att knäcka den, och få av modellerna har tagit hänsyn till tillverkningsproblem.
Problemet med skalning och tillverkning är att man inte förstår allt, säger Ceder. Om vi kunde göra saker precis som vi gjorde dem i labbet, skulle det inte vara några problem. Men det fungerar inte så. Mindre skillnader i tillverkningsförhållanden är oundvikliga när man skalar upp från att tillverka gram av ett material till att tillverka det i ton. Och materialet som kommer ut från akademiska laboratorier idag är svårare att tillverka än det förflutnas material. Många avancerade material får sina extraordinära egenskaper genom molekylär eller till och med atomär strukturell precision, och att tillverka dem är inte som att tillverka till exempel stål. Man tillverkar stål genom att smälta samman metaller i ett stort kar, säger man Alexander King , chef för Ames National Laboratory i Iowa. Vid tillverkning av avancerade material, säger King, måste du använda mer kontrollerade metoder, annars kommer atomerna inte att göra som du vill. Inkonsekvenser i temperaturkontroll, blandning eller andra faktorer kan leda till fel. Och tekniker som används för att uppnå precision i atomär skala i labbet kan vara svåra att översätta till storskalig tillverkning.
Att konsekvent tillverka stora partier av ett komplext material i en fabrik kräver nästan alltid processer som skiljer sig från de som används för att göra små partier i labbet. Det betyder mer pengar, tid och risk. Säg till exempel att ett forskningslabb har tillverkat en tums kvadratiska solceller vars aktiva lager skapas genom att trycka en nanopartikelbläck. Att kommersialisera en sådan teknik kräver att ett företag utvecklar flera tillverkningstekniker. Först måste den ta reda på hur man gör nanopartiklarna i stora partier; då måste den hitta en utrustningstillverkare som kan tillhandahålla en skräddarsydd maskin för att skriva ut dessa bläck över kvadratmeter, eller utveckla den utrustningen själv. Men det kanske inte ens kommer till det stadiet. Tänk om, när forskare försöker göra ett stort antal av dessa solceller, de inte kan få nanopartiklarna ordnade på ett konsekvent sätt och cellerna inte fungerar? I vilket skede som helst kan ett fatalt fel upptäckas.
Materials Genome Initiative syftar till att förutsäga sådana tillverkningsproblem och styra bort forskare och ingenjörer tidigare i utvecklingsfasen. Problemen med att skala upp från labbbänk till fabrik är inte något speciellt, säger Ceder. Den största utmaningen just nu är att enskilda grupper och företag har utvecklat kodavsnitt och samlat data om nytt och befintligt material, men de har inget sätt att dela denna information. De lämnar in ett patent, får ett papper publicerat, och det stannar där. Materialgenomet kommer att samla all sådan data till en central databas.
Akademisk kultur är mer mottaglig för att dela data än företagskultur, men Wadia, som har pratat med representanter för de stora materialföretagen om detta initiativ under de senaste åren, tror att företagslabb också kommer att bidra. Det skulle verkligen vara svårt för ett sådant projekt att lyckas utan dem. Det kommer att börja i fickor av samhällen, men vi måste få en kritisk massa för att det här ska fungera, säger han. Företag som tillverkar avancerade material genererar redan en stor mängd data genom daglig övervakning av tillverkningsverksamheten, och han hoppas att de kommer att dela denna typ av information med Materials Genome Initiative.
Vi tror att en nyckelroll industrin kan spela är att tillhandahålla vårt perspektiv på hur material används, designas och utvärderas för industriella produktapplikationer, säger Christine Furstoss, teknisk chef för tillverkning och materialteknik på GE Global Research . Vi använder ett stort antal material som används inom flera branscher och har ett stort intresse av att hjälpa till att förbättra prestanda och tillverkningsbarhet för sådana material.
De första 100 miljonerna dollar kommer att fördelas mellan fyra statliga myndigheter: National Institute of Standards and Technology, Department of Energy, National Science Foundation och Department of Defense. Vita husets representanter skulle inte kommentera hur mycket pengar som skulle gå till varje byrå och för vilka specifika projekt, men tyngdpunkten, säger Wadia, ligger på att bygga beräkningsinfrastruktur. Precis hur den infrastrukturen ska se ut kommer att hashas ut under nästa år. Finansieringen kommer också att gå till utbildningsinsatser.
Nya material är viktiga möjliggörare för tillverkning, säger Ceder. Om du ska öka tillverkningen i USA, kommer du inte att göra det på gammal teknik.