Компании, занимающиеся созданием продуктов нового поколения и прорывных технологий, часто ограничены физическими свойствами традиционных материалов. В аэрокосмической, оборонной, энергетической и промышленной сферах расширение этих границ может привести к появлению слабых мест в системе. Однако у компаний нет других вариантов, поскольку производство новых материалов в промышленных масштабах занимает много лет и связано с огромными расходами.
Foundation Alloy хочет изменить ситуацию. Компания, основанная командой из Массачусетского технологического института (MIT), способна производить новый класс сверхвысокопроизводительных металлических сплавов с использованием инновационного производственного процесса, не зависящего от плавления сырья.
Технология твёрдофазной металлургии компании, упрощающая разработку и производство сплавов нового поколения, была разработана в результате многолетних исследований бывшего профессора MIT Криса Шу (Chris Schuh) и его сотрудников.
«Это совершенно новый подход к производству металлов», — говорит генеральный директор Джейк Гуглин (Jake Guglin), соучредитель Foundation Alloy вместе с Шу, Джаспером Линхардом (Jasper Lienhard) и Тимом Рупертом (Tim Rupert). «Он даёт нам широкий набор правил в области материаловедения, который позволяет нам разрабатывать множество различных составов с ранее недостижимыми свойствами. Мы используем это для создания продуктов, которые лучше работают в условиях современного промышленного применения».
Foundation Alloy утверждает, что её металлические сплавы могут быть в два раза прочнее традиционных металлов, а разработка продукции — в 10 раз быстрее. Это позволяет компаниям тестировать, совершенствовать и внедрять новые металлы в продукцию за месяцы, а не за годы.
Компания уже разрабатывает металлы и поставляет демонстрационные детали компаниям, производящим компоненты для самолётов, велосипедов и автомобилей. Она также изготавливает тестовые детали для партнёров в отраслях с более длительными циклами разработки, таких как оборонная и аэрокосмическая.
В будущем компания считает, что её подход позволит компаниям создавать более производительные и надёжные системы — от ракет до автомобилей, ядерных термоядерных реакторов и чипов для искусственного интеллекта.
«Для таких сложных систем, как ракетные и реактивные двигатели, если вы сможете запустить их при более высоких температурах, вы сможете более эффективно использовать топливо и получить более мощную систему», — говорит Гуглин. «Ограничивающим фактором является то, есть ли у вас структурная целостность при этих более высоких температурах, а это, по сути, проблема материалов».
Инновационный подход к производству металлов
Шу присоединился к факультету MIT в 2002 году для изучения обработки, структуры и свойств металлов и других материалов. В 2011 году он был назначен главой кафедры материаловедения и инженерии, а в 2023 году стал деканом инженерного факультета Северо-Западного университета после более чем 20 лет работы в MIT.
«Крис хотел взглянуть на металлы с разных точек зрения и сделать их более экономичными и производительными, чем это возможно при использовании традиционных процессов», — говорит Гуглин. «Речь шла не только об академических работах — речь шла о создании новых методов, которые были бы полезны для промышленного мира».
Руперт и Линхард защитили кандидатские диссертации в лаборатории Шу, а Руперт изобрёл дополнительные технологии для твердофазных процессов, разработанных Шу и его сотрудниками.
Гуглин пришёл в Школу управления Sloan MIT в 2017 году, стремясь работать с высокоэффективными технологиями. «Я хотел пойти туда, где я мог бы найти фундаментальные технологические прорывы, которые создают асимметричную ценность — типы вещей, где, если бы они не произошли здесь, они не произошли бы нигде ещё», — вспоминает Гуглин.
В одном из своих классов аспирант лаборатории Шу практиковался в защите своей диссертации, описывая своё исследование нового способа создания металлических сплавов. «Я ничего не понял — у меня философское образование, — говорит Гуглин. «Но я услышал «более прочные металлы», и я увидел потенциал этой невероятной платформы, над которой работала лаборатория Криса, и это было именно то, почему я хотел поступить в MIT».
Гуглин связался с Шу, и пара оставалась на связи в течение следующих нескольких лет, пока Гуглин учился и работал в аэрокосмических компаниях SpaceX и Blue Origin, где он воочию увидел проблемы, вызванные цепочкой поставок металлических деталей.
В 2022 году пара наконец решила запустить компанию, добавив Руперта и Линхарда и лицензировав технологию у MIT и Калифорнийского университета в Ирвайне.
Первой задачей основателей было масштабирование технологии. «Существует много инженерных процессов, чтобы перейти от выполнения чего-то один раз в 5 граммах к выполнению этого 100 раз в неделю по 100 килограммов за партию», — говорит Гуглин.
Сегодня Foundation Alloys начинает с требований своих клиентов к материалам и выбирает точную смесь порошкообразных сырья, из которого начинается каждый металл. Затем компания использует специализированный промышленный миксер — Гуглин называет его промышленным блендером KitchenAid — для создания металлического порошка, однородного вплоть до атомного уровня.
«В нашем процессе, от сырья до конечной детали, мы никогда не плавим металл», — говорит Гуглин. «Это необычно, если не неизвестно в традиционном производстве металлов».
Затем материал компании можно затвердевать, используя традиционные методы, такие как литьё металла под давлением, прессование или 3D-печать. Последний шаг — спекание в печи. «Мы также много работаем над тем, как металл реагирует в печи для спекания, — говорит Гуглин. «Наши материалы специально разработаны для спекания при относительно низких температурах, относительно быстро и до полной плотности».
Процесс спекания с использованием усовершенствованной технологии использует на порядок меньше тепла, что позволяет сэкономить на затратах, а также отказаться от вторичных процессов контроля качества. Это также даёт Foundation Alloy больше контроля над микроструктурой конечных деталей.
«Именно здесь мы получаем большую часть нашего прироста производительности, — говорит Гуглин. «И, не нуждаясь в этих вторичных этапах обработки, мы экономим дни, если не недели, в дополнение к экономии средств и энергии».
Foundation Alloy в настоящее время проводит пилотные испытания своих металлов в промышленной базе и получила гранты на разработку деталей для критически важных компонентов ядерных термоядерных реакторов. «Название Foundation Alloy во многом возникло из желания стать основой для следующего поколения промышленности», — говорит Гуглин.
В отличие от традиционного производства металлов, где для создания новых сплавов требуются огромные инвестиции, процесс разработки новых сплавов в компании Гуглина практически не отличается от производственных процессов, что позволяет гораздо быстрее масштабировать производство новых материалов.
«В основе нашего подхода лежит рассмотрение проблем, как у материаловедов, с помощью новой технологии, — говорит Гуглин. «Мы не привязаны к идее, что этот тип стали должен решать этот тип проблемы. Мы пытаемся понять, почему эта сталь терпит неудачу, а затем используем наши технологии для решения проблемы таким образом, чтобы добиться не 10-процентного улучшения, а двукратного или пятикратного улучшения производительности».