美国距离2030年新售汽车中一半为零排放电动汽车的目标可能又近了一步。据外媒报道，美国麻省理工学院（MIT）两名本科生与德国研究生合作研发出一种新型钢材，这种钢材不用于生产汽车，但可用于压铸模具，将汽车压成几个独立的部件。

麻省理工学院三年级学生 Ian Chen 和 Kyle Markland 凭借他们的 3D 打印钢合金获得了 ASM 材料教育基金会 2022 年本科生设计大赛的第三名，该合金的灵感来自于一种名为 Giga-casting 的创新制造方法，汽车制造商特斯拉正在为其全电动 Model Y 推广这种方法。

设计挑战

陈和马克兰的项目源于他们去年春天选修的一门计算材料设计课程，该课程由麻省理工学院热计算实践教授格雷戈里·奥尔森讲授。奥尔森是计算材料科学领域的世界顶尖学者之一，该学科使用计算机建模和模拟来理解和设计新材料。他的方法是苹果公司用来制造 Mac 电脑的，并引起了特斯拉首席执行官埃隆·马斯克的注意。

特斯拉利用奥尔森的计算结果计算出可以压铸多少铝，压铸是一种将熔融金属倒入模具中形成物体的金属铸造工艺。汽车通常由数百个压铸件制成，例如发动机气缸、支架和其他部件，然后在自动化生产线上将它们组装在一起制成汽车。Giga Press 以其 Giga Press 命名，只需要两三个大型汽车零件，大大降低了汽车制造过程的复杂性和相关成本。

问题是，“随着生产规模的扩大，热传递速度会减慢，循环时间会变长”，这意味着液态金属需要更长的时间来冷却，最终导致整个过程效率降低且成本增加。然而，一种称为保形冷却的技术可以提供帮助。通过将冷却剂或水倒入遵循或符合铸造物体形状的狭窄通道中，可以加速冷却。

于是，挑战出现了。SpaceX 和特斯拉材料工程副总裁查尔斯·库曼（奥尔森教授的前学生）证实，需要一种更好的模具钢，即工具钢，这是一种可打印材料，可以送入 3D 打印机，打印出强度更高、热性能更好的新模具。奥尔森教授说：“传统钢材非常脆，如果你试图打印它们，它们很容易断裂。”

海外生产

作为学生团队的顾问，奥尔森获得了德国帕德博恩大学麻省理工学院访问学生弗洛里安·亨斯巴赫 (Florian Hengsbach) 的帮助，他的博士论文与该项目特别相关：用于增材制造的工具钢设计。

“在帕德博恩，我们打印材料，在原子层面上对其进行表征，并确定工艺-微观结构-性能相关性，”亨斯巴赫说。换句话说，了解材料在各种 3D 打印条件下的表现。

当 Hengsbach 在欧洲、Chen 和 Markland 在马萨诸塞州剑桥时，团队开始使用 CALPHAD（材料特性计算方法）设计新金属。利用热力学材料模型，团队可以预测新材料在不同条件下的表现。

亨斯巴赫在位于帕德博恩的增材制造中心生产这种材料，并将其打印出来进行测试，制造出新的金属合金，将其熔化，将其雾化成微小液滴，将其凝固成粉末，将粉末分层，然后使用 3D 打印机中的激光将其熔化成物体。

“它非常成功，”Hengsbach 说道，“我们设计了一种非常有前景的工具钢，它在导热性、硬度和韧性方面都具有出色的性能，而且还可以打印。”这种新金属还有其他潜在的制造用途，例如塑料的注塑成型，或模压硬化，可制成具有复杂形状的高强度钢，或其他工艺。“任何你想使用这种保形冷却通道的地方，你都可以使用这种材料。”

目前，该团队已在美国为这种新型可打印模具钢申请了专利，下一步将测试这种材料在铸造模具中的应用，此外，该团队还在与特斯拉进行洽谈。