Ежегодно в рамках Программы развития ранней карьеры преподавателей Национального научного фонда (CAREER) Мичиганским государственным университетом выделяются гранты «начинающим преподавателям, которые потенциально способны стать примером для подражания в сфере образования и научных исследований».
В 2021 году одним из получателей гранта стала исследовательница Шанель Фостер, которая является инженером и доцентом кафедры электротехники и компьютерной инженерии в университете штата Мичиган. Она использует 3D-печать для разработки электродвигателей, раздвигающих границы дизайна и безопасных для окружающей среды.
Разработка инновационных электродвигателей для автомобилей, электроинструментов или игрушек пока не привела к возможности их эффективного производства. Шанель Фостер хочет изменить эту ситуацию с помощью новой технологии 3D-печати, основанной на наблюдениях за самыми ловкими инженерами природы – пауками, плетущими паутину.
Двигатель, изготовленный методом Фостера
В настоящее время доцент Фостер занимается разработкой экологичного двигателя, который будет изготавливаться с применением технологий аддитивного производства, обеспечивающих устранение отходов на каждом производственном этапе. Шанель работает над этим исследованием с 2009 года. При поддержке премии Национального научного фонда она использует 3D-печать для проектирования новых стратегий по улучшению характеристик электродвигателей и их внедрению в производство. В результате будет впервые реализовано производство индивидуальных, надежных, высокоэффективных и недорогих электрических двигателей, напечатанных на 3D-принтере. Фостер планирует использовать гибкость трехмерной печати для создания оригинальных конструкций электродвигателей с учетом аспектов, применяемых пауками при плетении паутины.
Идея разнообразить материалы в двигателях пришла в голову Шанель после наблюдения за пауками. Она заметила, что паучья паутина очень прочна и ее трудно разорвать. Исследовательница задалась вопросом, что делает паутину такой прочной. «Я начала интересоваться этой темой и узнала, что пауки используют разные типы нитей паутины. Они помещают их туда, где они нужны для выполнения определенной функции. Более эластичные нити могут быть использованы для создания центральной части паутины, а более прочные и толстые – для удержания паутины на месте. Это очень похоже на то, что я планирую сделать с моторами», - говорит Шанель.
«Мое исследование нарушит традиционные парадигмы проектирования двигателей и позволит разработчикам «переосмыслить» электромоторы. В настоящее время существует мало понимания того, как технологии трехмерной печати могут улучшить конструкцию электродвигателей», - говорит Шанель. «На мой взгляд, двигатели сами по себе экологичны, но, чтобы сделать их еще более безвредными, нам нужно подумать о том, как они производятся».
По словам Фостер, одним из способов сделать производственный процесс более экологичным является применение аддитивных технологий, позволяющих использовать только то количество материала, которое требуется для производства. Это исключает необходимость резки материала и минимизирует образование отходов.
3D-печать открыла новые возможности в сфере производства двигателей: «Свойства стального сплава однородны по всему объему двигателей . Трехмерная печать позволяет нам не только помещать материал туда, куда нужно, но и использовать тот тип материала, который нам нужен. Таким образом, мы получаем возможность применять разные материалы», - говорит Шанель Фостер.
3D-принтеры могут наносить больше или меньше материала для создания оптимальной конструкции двигателя, которая будет гибкой и прочной именно там, где это необходимо. Применение разных материалов для 3D-печати также позволит уменьшить размер двигателей и сделать их эффективнее.
Наряду с разработкой двигателей, которые можно будет использовать в разных областях, целью Фостер является создание конструкций электромоторов, полезных для окружающей среды.
«Применение электродвигателей и генераторов преобладает во всех отраслях экономики, способствующих выбросам парниковых газов в США», - говорит Фостер. «На электромоторы косвенно приходится свыше 25% мировых выбросов парниковых газов, связанных с выработкой энергии. Повышение эффективности и удельной мощности систем, использующих электродвигатели, поможет снизить количество и уменьшить разнообразие видов загрязняющих веществ, которые выбрасываются в окружающую среду».
Природа поощряет разнообразие, и Фостер объясняет, как это вдохновило ее на работу по разрушению барьеров, вызывающих расовое и гендерное неравенство в инженерной сфере, а также на оказание поддержки следующему поколению инженеров.
«Движимая своей страстью к созданию инклюзивного инженерного конвейера K-12 и рабочей силы нового поколения, я имею проверенный опыт партнерства с подразделениями Инженерного колледжа Мичиганского государственного университета в плане повышения интереса к области преобразования энергии, особенно среди демографических групп, которые традиционно недостаточно представлены в STEM», - говорит Шанель.
Для справки: STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) – образовательная модель, объединяющая в единую интегративную систему естественные науки и инженерные предметы: биологию, физику, химию и математику. Данная модель направлена на рассмотрение проблемы в целом, а не в рамках одной технологии или области науки, с целью решения реальных технологических задач.
Мичиганский государственный университет предоставляет Фостер площадку, где она может помогать будущим инженерам, оставаясь в курсе текущих исследований в своей области и имея возможность расширить их.
«В Мичиганском университете имеется широкий спектр технологий аддитивного производства и опыта, доступного на инженерных факультетах», - говорит Фостер. «Налаженное сотрудничество со специалистами этой сферы позволяет мне оставаться в курсе быстро развивающихся технологий в области 3D-печати и материалов для аддитивного производства».
«Это одна из лучших лабораторий в Мичигане, обладающая массой возможностей, оснащенная передовым исследовательским оборудованием и тесно сотрудничающая с представителями большой тройки автомобильной промышленности – компаниями Chrysler Group LLC, General Motors и Ford Motor Company. Поэтому, когда у меня появилась возможность присоединиться с команде этой лаборатории, я сразу же ею воспользовался», - сказал соратник Шанель Тханг Фан.
