MEGACHIROTTERA: DARPA - ROBA DA SICUREZZA NAZIONALE

sabato 20 luglio 2019

DARPA - ROBA DA SICUREZZA NAZIONALE

DARPA e l'invenzione di nuovi materiali

Di Ivan Amato e Steve Wax
Il direttore del programma DARPA Dr. Jan Vandenbrande era un collega tecnico e senior manager del gruppo Applied Math, Geometry and Optimization della Boeing, ha presenziato una riunione in cui ha potuto recensire due delle sue famose compagnie aeree: il corpo in alluminio 777 e 787, metà dei quali realizzati in composito rinforzato con fibre di carbonio.

"Quel che notavo nelle strutture era che per me era assolutamente straordinario che le due strutture fossero quasi identiche", ha detto Vandenbrande, niente di più che un decennio tra il volo inaugurale del 777 nel 1994 e il volo inaugurale del 787 nel 2009. "Siamo partiti da metalli che hanno un materiale drammaticamente diverso, un composito, eppure non avevamo cambiato il modo in cui progettiamo e costruiamo gli aerei: le cose erano ancora rivettate insieme e abbiamo ancora modellato i due piani più o meno allo stesso modo".

Mentre i commenti di Vandenbrande evidenziano le attuali sfide nella scienza dei materiali e nel design dal punto di vista del 2018, è facile dimenticare che il percorso per considerare anche le strutture di aerei compositi portanti è stato lungo e arduo. È altrettanto facile dare per scontato tutte le capacità rese possibili dai progressi della scienza dei materiali negli ultimi 50 anni. Strutture leggere di navi e velivoli, motori a reazione ad alta temperatura, specchi satellitari e ottiche, e persino l'armatura in ceramica che ha salvato così tante vite dei nostri soldati che non sarebbero in vita, se non fosse per questi progressi. Compositi, plastiche ad alta resistenza e metalli leggeri hanno anche rivoluzionato il mondo commerciale.

Più di 60 anni fa, nel cuore della Guerra Fredda, tali capacità non esistevano. Molti nella comunità tecnologica nel suo complesso, "Il primo fattore più significativo nello sviluppo dell'energia nucleare, dello spazio e dello sviluppo del sistema nucleare", secondo Richard J. Barber Associates dei primi anni della DARPA. Tuttavia, non era fino all'inizio del termine che era possibile avere una carta con esso. E così iniziò una relazione di quasi 60 anni tra DARPA e la comunità scientifica.

E quella relazione iniziò in una mischia disciplinare di incantesimi. L'11 luglio 1960, DARPA (allora ARPA) annunciò la creazione di tre laboratori interdisciplinari (IDL) presso la Cornell University, l'Università della Pennsylvania e la Northwestern University. Nel corso dei prossimi anni, il roster IDL sarebbe aumentato a una dozzina di università e servirebbe da modello per l'intero paese. DARPA ha fornito agli IDL un finanziamento stabile per la ricerca e le attrezzature e una tolleranza della domanda per un approccio interdisciplinare allo sviluppo di materiali. Con la formazione degli IDL, DARPA è ampiamente riconosciuta per il suo ruolo catalitico nella creazione del campo noto come scienza dei materiali e ingegneria. Mentre DARPA consegnò il programma IDL alla National Science Foundation (NSF) nel 1972, fu solo l'inizio della storia della scienza dei materiali DARPA.

Dagli anni '60 agli anni '70, DARPA ha guidato l'accusa sullo sviluppo della capacità di difesa, spesso con il supporto significativo dei laboratori di servizio del Dipartimento della Difesa, incluso il Naval Research Laboratory, e ora l'Army Research Laboratory e l'Air Force Research Laboratory. Tra la lunga lista di materiali che sono stati resi disponibili per i sistemi di difesa sono state le superleghe a base di nichel ad alta temperatura per motori a getto ad alte prestazioni, armature ceramiche per combattere i progressi nelle armi anti-armatura sovietiche e grandi, precise, stabili, bassi specchi in berillio a basso peso e a bassa dispersione per guida spaziale e missilistica. In questi materiali erano inclusi anche compositi di tutti i tipi: matrice metallica, matrice ceramica, carbonio-carbonio e versioni precedenti di quegli stessi compositi polimerici in Vandenbrande 787.

DARPA ha sviluppato il proprio ruolo nello sviluppo dei materiali. Le proprietà specifiche, i punti di forza e i punti deboli di un materiale derivano sia dalla sua composizione che dalla composizione del processo, che dipendono dalle microstrutture durante una varietà di processi come riscaldamento, raffreddamento, pressatura o estrusione. Questa tesi è un composito ad alte prestazioni, alte prestazioni e prestazioni elevate.

Per affrontare questo problema, DARPA sta lavorando a una vasta gamma di discussioni e di brainstorming che coinvolgono i responsabili del programma DARPA, i professionisti nelle trincee di produzione e i consulenti del Consiglio di ricerca sulle scienze della difesa (DSRC) per determinare come avanzare il campo dell'elaborazione dei materiali per questi materiali complessi emergenti. Il risultato è stato il programma Intelligent Processing of Materials (IPM), che nelle parole del dott. Haydn Wadley, Edgar Starke, professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso l'Università della Virginia, "era così generale che poteva - e alla fine è stato - applicato a quasi tutti i processi materiali, ma proprio perché potrebbe ridurre la variabilità di ciascuno di questi processi".

Il concetto di IPM è in fase di utilizzo per monitorare il design del dispositivo e per confrontarlo con il processo di previsione dello stato del materiale. Se c'è una differenza tra ciò che viene misurato e ciò che è previsto, gli ingegneri possono utilizzare il processo per determinare quale processo devono adeguare al processo sotto controllo. L'IPM era perfetto per DARPA, poiché era stato abilitato da una confluenza di capacità rivoluzionarie nella microelettronica, nell'informatica e in un nuovo concetto, l'intelligenza artificiale - tutte le tecnologie sostenute da DARPA.

L'Ufficio per le scienze della difesa di DARPA (DSO) sta perseguendo in modo aggressivo lo sviluppo di nuovi materiali per aumentare la sicurezza nazionale. Qui sono mostrate le immagini che mostrano (da sinistra a destra) un processo di deposizione di materiali a plasma freddo, un materiale strutturale a densità ultraridotta e una modellazione molecolare di precisione per la progettazione di nuovi materiali.

La visione di IPM non avrebbe potuto essere migliore, ma sarebbe stata meglio per il futuro. "L'idea non era solo quella di misurare il ciclo di riscaldamento, il percorso di pressione, l'ambiente chimico e altre variabili rilevanti in un processo di produzione dei materiali, ma anche il senso delle loro prestazioni", ha spiegato Wadley.
"[IPM] ha avuto un impatto trasformazionale sulla lavorazione dei materiali. "Si sta rapidamente diffondendo e viene ampiamente utilizzato ovunque", ha aggiunto. Inoltre, Wadley ha osservato che la pratica di IPM produce un "gemello digitale" di un materiale prodotto, che è una registrazione digitale dello specifico ambiente in evoluzione che ha portato all'esistenza una serie di materiale. Questo è solo il futuro degli strumenti di intelligenza artificiale (AI) che l'avventura di IPM ha rivelato.
IPM ha cambiato il modo in cui sono stati realizzati i materiali.

Come IPM ha preso piede nei materiali e nelle comunità di produzione negli anni '90, è stato inventato, prodotto e distribuito. Emblematico di questa fase è l'emergere della produzione di SFF (Solid Free Form), oggi più familiare con la stampa 3D o la produzione additiva.
Questo ha aperto la strada per formare strato per strato e persino punto per punto direttamente da un file digitale.

"L'attenzione si è concentrata sui componenti in ceramica, che erano notoriamente difficili da prototipare perché erano costosi da processare, in genere con abrasivi diamantati", ha spiegato il dottor William Coblenz, scienziato ceramico e program manager. "Come risultato, molte delle fantastiche proprietà della ceramica, tra cui l'alta temperatura e la robustezza, sono andate perse per i progettisti, che erano più propensi a fare affidamento su materiali più facili da lavorare".

Anche con l'ascesa dell'IPM, della produzione SFF e di altri progressi nel collegamento dei dati, c'era così tanta arte, conoscenza artigianale e prove empiriche e errori nel mix che i progressi nei materiali rimanevano ancora un lento esercizio. Allo stesso tempo, i progettisti di motori, aerei e altri sistemi stavano sfruttando nuovi strumenti di calcolo per accelerare i loro cicli di progettazione. Un nuovo progetto di motore potrebbe richiedere alcuni anni, mentre potrebbero volerci circa un decennio o due per sviluppare un nuovo materiale al punto che ingegneri e progettisti lo accetterebbero. Questi disallineamenti temporali significavano che i progettisti, incapaci di aspettare il tempo, erano in grado di certificare un nuovo materiale più capace, erano costretti dai materiali che erano già disponibili.

Accettando la sfida, DARPA. Come con IPM, DARPA è stato segnalato per includere il DSRC e il programma Accelerated Insertion of Materials (AIM) è nato. Il concetto di AIM era di integrare il design di un nuovo materiale fin dall'inizio.

"In AIM, stiamo ponendo la domanda: che cosa ha bisogno di sapere il progettista sui nuovi materiali?", Ha detto il dott. Leo Christodoulou, che è stato direttore del programma per AIM, direttore dell'Agenzia per la difesa dell'Agenzia per la difesa, e chi è ora il leader della strategia tecnologica aziendale presso Boeing. Era un approccio progettato per mitigare lo stallo causato dalla mancanza di prestazioni di un materiale. "L'obiettivo di AIM è quello di ridurre il tempo necessario per introdurre un nuovo materiale in servizio", ha affermato Christodoulou. "Si trattava di gestire l'incertezza nell'uso di un nuovo materiale. Nessuno voleva essere il primo a usare un materiale, perché qualcosa potrebbe essere sbagliato."

Lo sforzo RLCAM (Rapid Low Cost Additive Manufacturing), parte del programma Open Manufacturing di DARPA, mira a utilizzare i primi principi e la modellazione basata sulla fisica per prevedere i materiali prestazionali per la sinterizzazione laser diretta (DMLS), utilizzando una polvere superlegata a base di nichel . In DMLS, un laser scioglie la polvere di metallo per costruire in modo additivo un prodotto 3D.

Questo nuovo approccio è chiamato per un calcolo, una computazione e una modellazione più potenti e il processo del passato. L'idea alla base di AIM è quella di fare la distinzione tra computazione e sperimentazione.

Oltre al lavoro presso il Dipartimento dell'Energia e la National Science Foundation, il programma AIM è un cambiamento nello sviluppo dei materiali e, in definitiva, nella disciplina dell'Integrated Computational Materials Engineering (ICME). "L'obiettivo DARPA", secondo il dott. Greg Olson, Walter P. Murphy, professore di Scienza dei materiali e ingegneria presso la Northwestern University e fondatore dell'Università di New York. società basata sulla scienza dei materiali computazionali. "Hittites", ha aggiunto Olson, riferendosi al successo anomalo della cultura ittita di fondere ferro circa 3.800 anni fa - mentre il mondo era ancora nella Età del Bronzo.

Il lavoro di follow-up oltre il programma AIM, supportato sia da DARPA che dalla Marina, ha contribuito a stabilire tecniche di caratterizzazione e simulazione 3D per la struttura dei materiali. Gli strumenti computazionali e di simulazione emersi da questi sforzi compiuti dalla DARPA nella difesa della Solid Freeform Manufacturing negli anni '90, un precursore dell'attuale infrastruttura in rapida crescita della produzione additiva e della stampa 3D. "L'adattamento del metodo di accelerazione AIM alla tecnologia di stampa 3D per qualificare rapidamente la tecnologia di stampa 3-D è un enorme progresso", ha detto Olson, riferendosi alla necessità parallela di certificare l'usabilità delle condivisioni 3D nei sistemi attuali insieme a la capacità di creare parti in primo luogo.

Manipolazione microelettromeccanica (MEM) basata su Atom to Product (A2P) di DARPA per assemblare componenti su scala nanometrica su micron in sistemi su scala umana di dimensioni maggiori.

Con Vandenbrande, "abbiamo aperto lo spazio del design in modo significativo." Questo introduce un'altra serie di sfide, ovviamente. La stampa 3-D offre la possibilità di progettare le proprietà di ciascun pixel volumetrico, o voxel, di una parte. La quantità di dati e di calcolo è enorme. "Ciò di cui abbiamo bisogno è un nuovo set di matematica e algoritmi in grado di descrivere materiali e forme che comprendono in un unico modo coeso", ha affermato Vandenbrande. Venendo, ha aggiunto, è la capacità di progettare più funzioni - pensate qui alle pelli che combinano funzioni strutturali, di rilevamento, cloaking e antenna - in un modo completamente integrato.

Tali ingegneri e produttori di materiali potrebbero avere questo tipo di controllo sulla struttura della struttura dell'edificio. L'attuale programma DARPA Atomi per prodotto (A2P), che riguarda lo sviluppo di mezzi per assemblare componenti su scala nanometrica su scala microscopica in sistemi più grandi su scala umana, si dirige in queste direzioni.

Che papà sta prendendo il sopravvento, DARPA sta prendendo piede. Vandenbrande si riferisce a questo problema di fronte al problema del design. "È un missile, un veicolo a terra o un arto protesico - e consegnateli strumenti computazionali e di modellazione che possono essere utilizzati in una varietà di modi in grado di fornire le prestazioni e le funzionalità richieste dalle specifiche di progettazione". I suoi attuali programmi, Fundamental Design (FUN Design) e Transformative Design (TRADES), stanno sviluppando la matematica e gli algoritmi fondamentali per iniziare questa visione.

Vandenbrande immagina un momento in cui i computer diventano un vero partner nel design, in grado di integrare architetture di materiali avanzati ed emergenti, per creare sistemi attualmente inimmaginabili oggi - forse un velivolo additivamente costruisce microstrutture ultraleggere che assomigliano a ossa di uccello. Quando c'è una perfetta integrazione di materiali, design e produzione, Vandenbrande saprà che la sua visione è diventata realtà.