211service.com
Pokročilá výroba a nové materiály
Nové materiály jsou kritickými součástmi nově vznikajících technologií, které slibují, že budou hlavními oblastmi růstu pro ekonomiku, jako je levnější solární energie, baterie pro elektromobily, které vydrží déle mezi nabíjením, lehká přenosná elektronická zařízení a implantabilní lékařská zařízení pro personalizovanou medicínu. Cesta od nového materiálu k produktu však obvykle trvá jednu až dvě desetiletí. Je to z velké části proto, že nové materiály vyžadují pokročilé výrobní technologie, jejichž vývoj může trvat mnoho let.
Surovina: Tento materiál, který by mohl být použit v katodách pro lithium-iontové baterie, byl odhalen pomocí výpočetního screeningu. Různé tvary představují různé části sloučeniny, směs lithia, manganu, boru a kyslíku.
Bílý dům doufá, že tento čas zkrátí na polovinu tím, že do něj investuje 100 milionů dolarů Materials Genome Initiative zaměřené na podporu efektivnějšího využívání nástrojů pro výpočetní modelování, které výzkumníci používají k předpovídání vlastností nových materiálů. Iniciativa, která je součástí Bílého domu Pokročilé výrobní partnerství , bude podporovat otevřený přístup k těmto modelům a databázím napříč komunitou materiálových věd v naději, že propojí akademiky s průmyslem dříve v procesu vývoje.
Jak je to nyní, vědci pracující s novými materiály neberou výrobní problémy v úvahu dostatečně brzy, říká Cyrus Wadia , zástupce ředitele pro výzkum a vývoj čisté energie a materiálů v Úřadu pro vědeckou a technologickou politiku Bílého domu. Výsledkem je, že je jejich výzkum může zavést do slepých uliček. Věří, že způsob, jak to změnit, je povzbudit celou komunitu vědy o materiálech, od akademiků po výrobce, aby sdíleli data a výpočetní nástroje – materiálový genom. Wadia říká, že chce, aby se výzkumníci sami sebe zeptali: Kdo to dělal dříve, co se naučili a co může trh unést?
Materiáloví vědci za posledních 20 let s různým stupněm úspěchu používají prediktivní modely, manipulují s daty o vlastnostech, jako je bod tání, vodivost nebo způsob, jakým sloučenina reaguje s ostatními, aby předpověděli, zda je materiál vhodný pro konkrétní aplikaci, jako je např. elektroda baterie. S tím spojené výpočty jsou velmi složité. Ale jakmile je napsán kód pro předpovídání slibných kandidátů pro konkrétní aplikaci, lze jej použít k testování potenciálu jakéhokoli materiálu, říká Gerbrand Ceder , profesor materiálové vědy na MIT, který se specializuje na počítačové modelování nových materiálů pro baterie a elektrody. Bohužel neexistuje žádná infrastruktura, která by výzkumníkům pomohla sdílet jejich data a kód používaný k jejich rozdrcení, a jen málo modelů vzalo v úvahu výrobní problémy.
Problém s škálováním a výrobou je ten, že nerozumíte všemu, říká Ceder. Pokud bychom dokázali vyrobit věci přesně tak, jak jsme je vyrobili v laboratoři, nebyl by žádný problém. Ale takhle to nefunguje. Drobné rozdíly ve výrobních podmínkách jsou nevyhnutelné při přechodu od výroby gramů materiálu k výrobě po tunách. A materiály vycházející z akademických laboratoří se dnes vyrábějí hůře než materiály z minulosti. Mnoho pokročilých materiálů získává své mimořádné vlastnosti díky molekulární nebo dokonce atomové přesnosti struktury a jejich výroba není jako výroba například oceli. Ocel vyrábíte tavením kovů dohromady v obrovské kádi, říká Alexandra Krále , ředitel Ames National Laboratory v Iowě. Při výrobě pokročilých materiálů, říká King, musíte používat více kontrolované metody, jinak atomy nebudou dělat to, co chcete. Nesrovnalosti v regulaci teploty, míchání nebo jiných faktorech mohou vést k selhání. A techniky používané k dosažení přesnosti v atomovém měřítku v laboratoři mohou být obtížně převedeny na výrobu ve velkém měřítku.
Důsledná výroba velkých sérií složitého materiálu v továrně téměř vždy vyžaduje procesy odlišné od postupů používaných k výrobě malých sérií v laboratoři. To znamená více peněz, času a rizika. Řekněme například, že výzkumná laboratoř vyrobila funkční solární články o velikosti 1 palec čtvereční, jejichž aktivní vrstva je vytvořena tiskem inkoustu ve formě nanočástic. Komercializace takové technologie vyžaduje, aby společnost vyvinula několik výrobních technik. Nejprve musí přijít na to, jak vyrobit nanočástice ve velkých dávkách; pak musí najít výrobce zařízení, který poskytne přizpůsobený stroj pro tisk těchto inkoustů na čtverečních metrech, nebo toto zařízení vyvinout sám. Ale možná se to ani nedostane do této fáze. Co když, když se výzkumníci pokusí vyrobit velké množství těchto solárních článků, nedokážou nanočástice uspořádat konzistentním způsobem a články nebudou fungovat? V jakékoli fázi může být odhalena fatální chyba.
Iniciativa Materials Genome Initiative si klade za cíl předvídat takové výrobní problémy a odvádět vědce a inženýry od nich dříve ve fázi vývoje. Problémy související s přechodem z laboratoře do továrny nejsou nic zvláštního, říká Ceder. Hlavním problémem v současnosti je, že jednotlivé skupiny a společnosti vyvíjejí úryvky kódu a shromažďují data o nových a stávajících materiálech, ale nemají způsob, jak tyto informace sdílet. Podají patent, vydají papír a tam to skončí. Materiálový genom shromáždí všechna taková data do centrální databáze.
Akademická kultura je pro sdílení dat přístupnější než firemní kultura, ale Wadia, která o této iniciativě v posledních několika letech hovořila se zástupci velkých materiálových společností, věří, že přispějí i firemní laboratoře. Bez nich by totiž takový projekt jen těžko uspěl. Začne to v kapsách komunit, ale musíme získat kritické množství, aby to fungovalo, říká. Společnosti, které vyrábějí pokročilé materiály, již generují velké množství dat prostřednictvím každodenního sledování výrobních operací a doufá, že budou tento druh informací sdílet s iniciativou Materials Genome Initiative.
Myslíme si, že klíčovou roli, kterou může průmysl sehrát, je poskytnout náš pohled na to, jak se materiály používají, navrhují a hodnotí pro aplikace průmyslových produktů, říká Christine Furstoss, technická ředitelka výroby a materiálových technologií ve společnosti GE Global Research . Používáme velké množství materiálů, které se používají v různých průmyslových odvětvích, a máme velký zájem pomáhat zlepšovat výkon a vyrobitelnost takových materiálů.
Počátečních 100 milionů dolarů bude rozděleno mezi čtyři vládní agentury: Národní institut pro standardy a technologie, Ministerstvo energetiky, Národní vědeckou nadaci a Ministerstvo obrany. Zástupci Bílého domu se nevyjádřili k tomu, kolik peněz půjde jednotlivým agenturám a na jaké konkrétní projekty, ale důraz je, říká Wadia, kladen na budování výpočetní infrastruktury. Jak by tato infrastruktura měla vypadat, bude vyřešeno během příštího roku. Peníze půjdou také na vzdělávací iniciativy.
Nové materiály jsou klíčové pro výrobu, říká Ceder. Pokud hodláte zvýšit výrobu v USA, neuděláte to na starých technologiích.