ICME Educaon at Northwestern - Carnegie Mellon...

26
ICME Educa*on at Northwestern G.B. Olson Northwestern University & QuesTek Innova*ons LLC Evanston, Illinois

Transcript of ICME Educaon at Northwestern - Carnegie Mellon...

ICME Educa*on  at Northwestern 

G.B. Olson Northwestern University & QuesTek Innova*ons LLC 

Evanston, Illinois 

Program Goals 

Analysis/Knowledge  Synthesis/Evalua*on 

Mechanis*c Perspec*ve to Problem Solving 

Modern Tools 

Sound fundamentals of dynamic microstructure 

Apply math and science to engineering 

Mechanis*c modeling 

Systems Perspec*ve 

Design Integra*on 

10 

11 

Theore*cal Conceptual Computa*onal 

12 

13  Experimental Op*miza*on, Sta*s*cal DOE 

14  Materials and Processes 

15 

16 

Teamwork ‐ within discipline ‐ mul*disciplinary   perspec*ve 

Communica*on ‐ wriYen ‐ spoken ‐ graphical 

Computa*onal materials science 

Basic and advanced instrumenta*on (characteriza*on of structure and proper*es) 

Basic  and advanced processing prac*ce 

Complex problem iden*fica*on and formula*on 

User needs ‐ performance 

Global/societal context 

Professional ethics 

Dynamics: Contemporary issues, Lifelong learning 

Department of Materials Science & Engineering

201 Princ & Prop Matls 

314/315 Thermo 

316‐1,2 Micro Dynamics 

331 Intro Polymers 

332 Mech Behavior 

351‐1,2 Intro Physics Matls 

361 Cryst & Diffrac*on 

390 Materials Design 

391 Process Design 

396‐1,2 Senior Project 

1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16 

analysis/knowledge  synthesis/evalua*on 

X  X X 

X  X  X  X 

X  X  X X 

X  X  X 

X  X  X X  X X 

X  X  X 

X  X X  X  X X  X  X  X X  X 

X  X  X  X  X  X  X  X  X 

X  X X  X  X  X  X 

Curriculum Structure/Property Rela*ons 

X  X X 

EDC 1 EDC 2

Thermo 1 Intro MSE

Thermo 2 Mechanics

Micro Dynamics 1

Micro Dynamics 2 Mech Behavior

SS Physics 1 Materials Design SS Physics 2

Process Design Senior Project Senior Project

MSE Design Curriculum 

F  W  S 

Educa*on: Mul*year Design Sequence 

Bringing Modern Design to the Research University 

DSGN 106‐1,2    Freshman Engineering Design & Communica@on  ‐‐ Cross‐Cultural Teaching of Modern Product Design 

Mat Sci 390  Materials Design  ‐‐ Computa*onal Design of Dynamic Mul*scale Materials 

Mat Sci 391  Process Design  ‐‐ Sta*s*cal Methods of Experimental Process Op*miza*on 

Mat Sci 396‐1,2 Senior Project  ‐‐ Experimental Research & Design Valida*on 

Perspec*ve 

System chart 

SANS, XRD APFIM, AEM σy , H 

SAM 

TC/MART 

CASIS, MAP 

KGB(Δγ) FLAPW 

DVM RW‐S 

TC(Coh)/DICTRA  

ABAQUS/EFG 

LM, TEM 

JIC, γi ABAQUS/SPO 

TC, ΔV 

LM, TEM MQD, DSC 

LM 

SEM/EDS DICTRA 

TC/ΔρL 

PrecipiCalc™ 

Hierarchy of Design Models 

             Computational Labs: MSc390 Materials Design 

Lab 1.   CES Ashby Materials Selec*on Sohware:              Formula*ng Design Objec*ves 

Lab 2.   TCW:               Basic CALPHAD Calcula*ons 

Lab 3.   CMD1:              TCC‐based Design Modeling 

Lab 4.   CMD2:               Model Integra*on in Parametric Design 

Lab 5.   DICTRA/PrecipiCalc:               Dynamics Simula*on 

Example: Design Integra*on with CMD Matrix + Strengthening Dispersion Design 

Grain Pinning Dispersion Design 

n=701 n=129

Probability(Weibullscale) Sim Sim

Sim+15Sim+15

620°C 20°C

YieldStrength,ksi

Feb 06  – Forging demonstra*on complete. 

4th Quarter 09 – T38 MLG ERB Planned – First Flight 

Aug 09 – T38 MLG limit and ul*mate tests complete. 

March 03 – ESTCP LG Program starts 

Aug 08 – A10 MLG qualifica*on complete. 

April 08 – A10 MLG tes*ng complete. 

Dec 05 – 1st A10 drag  brace completed. 

    Sep 09 – AF matls. ERB  

Apr 08 – MMPDS complete 

June 05 – Hill AFB ALGLE and MSD Projects start 

June 06 – ESTCP RGA Program starts 

Jan 06 – DARPA S53 AIM Project starts 

Jan 07 – Carpenter license completed 

May 09 – T38 MLG fa*gue rig tes*ng complete. 

 Feb 05 – 2nd produc*on heat is completed and ships. 

Oct 06 – AIM driven process reop*miza*on completed. 

Nov 07 – 11th heat completed. 

Dec 07 – AMS  complete. 

March 07 – JTP tes*ng complete. 

Nov 06  – 5th & 6th heat completed. 

Jan – 04 S53 manufacturing specifica*on released for produc*on 

June 02 ‐ Series 6 designs demonstrate all mechanical property goals 

June 03 ‐ S53A demonstrates scale‐up of tensile proper*es. 

June 01 – SERDP Phase II Program starts 

Dec 00 – ALGLE Bridge Program starts 

S53 Transition Milestones

Dec 99 – SERDP SEED Program starts 

Programma@

c & Fun

ding 

Mileston

es 

Allo

y Design 

Mileston

es 

Nov 00 –Series 1 & 2 designs demonstrate tensile proper*es in 300 lb heats. 

Allo

y Qua

lifica@on

 Mileston

es 

Compo

nent Qua

lifica@on

 Mileston

es 

Jan 05 – 1st produc*on S53D meets specifica*on and quality tests. 

Feb 06 – 3rd heat completed. 

Sept 06  – 4th produc*on heat is out of spec and is scrapped. 

Jan 07  – 7th & 8th heat completed. 

Feb 07  – 9th & 10th heat completed 

Jan 01 ‐ Series 3 designs determine melt prac*ce specifica*ons 

Dec 99 Sep 09 

Oct 07 – Latrobe license completed 

Dec 08 – DoD Corrosion Resistant LG Coopera*ve Program starts 

Design  AIM 

MSc390 Materials Design Spring 2010 

Design Projects 

I.  Civil Shield (EDC) Client: ONR, DHS, Trinity Rail Advisor: Zack Feinberg 

V.  HP Magnesium  Client: ARL, GM, DOE  Advisors: Dr. Dennis Zhang              Stephanie Chan   

IV.  FSW Joinable Aluminum  Client: Ford, Boeing  Advisor: Ryan Glamm 

VI.  HP Shape Memory Alloy  Client: GM, Medtronic  Advisor: Tengfei Jiang 

III.  TRIP800 Automo@ve Steel  Client: ArcelorMiYal, GM  Advisor: Jiadong Gong 

II.  Earthquake Steel (EDC)  Client: ArcelorMiYal  Advisor: George Fraley 

TRIP Ti Experimental Msσ  Calibra*on/Valida*on 

Msσ = ‐67°C 

Msσ = 43°C 

Msσ = 27°C 

Ti5111+740C/4h  Ti5111+1Fe+700C/4h 

Ti5111 as received 

Applied Amorphensite: SuperGum  (2008 Undergraduate Design Compe**on) 

6.4 inches   vs.   10.6 inches (90th percen@le) 

10.6 inches   vs.   8.5 inches (90th percen@le) 

Control  Prototype 3  Prototype 3  HB Max 

9”  9” 

Computational Materials Science Tools

Design Integration:

Macroscopic Processing:

Micromechanics:

Microstructural Evolution:

Phase Stability:

Materials Physics:

390 Theoretical Design 391 Exptl Design

Multiplatform Opt.

iSIGHT (ESI)

Design of Experiments

Design-Expert (Stat-Ease)

DEFORM-HT (SFTC)

Heat Transfer & Diffusion, Deformation Processing Multiphase Deformation

PrecipiCalc (QuesTek)

Precipitation

Thermocalc (TCAB)

Multicomponent Thermodynamics

DICTRA (TCAB)

Multicomponent Diffusion

PWscf (DEMOCRITOS)

Pseudopotential DFT

FLAPW (QMD)

All-Electron DFT

Model Integration

CMD (QuesTek)

315 (ternary)

Note: DEFORM-HT and FLAPW are not yet implemented within the curriculum.

CES

Matls. Selection

318 Mat Selection

351-2

316-2 demo 316-2

demo

Our vision 

EMBODIMENT DESIGN 

User Feedback Refine Specifica@on Alpha prototype Design review 

Vendor selec@on 

DETAIL DESIGN 

Working prototypes User tes@ng Lab tes@ng 

Agency approval Revisions 

Vendor release 

PRE‐PRODUCTION 

Tooling design Tool revision Pilot runs Tes@ng Revision 

Inspired by the HLB Process; courtesy Walter Herbst 

IDEA 298  IDEA 398 

IDEA 308 EDC 

 Design Elec@ve 

 Design Elec@ve 

 Dept.  Capstone 

 Design Elec@ve 

399  399  399 

or 

Design phases 

• Matthieu Chardon

• Michael McCarren

• Kelvin Chuu

• Stephanie Fruth

• Constance Lee

• Timothy Forbes

• Erick Haro

• Dennis Kouo

IDEA 298/398 WQ2004

Professors Olson and Herbst

Terminator 4: Biomime.c Self‐Healing Mg Composite  Team Members Ben Mangrich Charles Moore Chiew Yen Thai 

Kevin Lee Mark Rocco 

Team Advisor Michele Manuel 

Objec@ves:  

•  Design and test a magnesium‐based alloy composite embedded with shape memory alloys that demonstrates crack closure and self‐healing.   

•  Increase toughness of briYle materials through composite toughening: crack bridging and interfacial debonding. 

Inspira@on: To mimic both the structure‐property rela*onship and spirit of biological materials to op*mize composite design 

Mat. Sci. 390: Materials Design Spring 2005 

Predic*ve Science & Engineering Design (PS&ED) Graduate Interdisciplinary Clusters  in the Sciences and Engineering 

Directors: Wei Chen, Greg Olson & Wing Kam Liu 

– Discover, develop, and teach the common principles and techniques underlying PSED 

– Engage faculty in collabora*ve, interdisciplinary research to pursue new funding opportuni*es 

– Lay a founda*on for future large‐scale interdisciplinary research and educa*on programs 

– Provide an alterna*ve intellectual community with “dual ci*zenship” 

– Enhance the technical depth of design ini*a*ves – AYract gihed and talented students 

Design Integra*on 

Qualifica*on 

Conceptual 

Detail 

Embodiment 

Parametric 

Model Alloys & Mul*ples 

Manufacturing Varia*on Predic*on 

Prototype Alloys 

Component Selec*on 

Component Assessment 

Database Extension 

Model Valida*on 

System Process Op*miza*on 

Small Heats 

Produc*on Heats 

Designer Knowledge 

Base 

LEAP Microanalysis 

LOM Tomography 

LEAP/FSL FIB/SEM 

Tomography 

TECD 

Strength  Simulator 

DFrac‐3D DEFORM‐3D 

TC/DICTRA FLAPW 

PrecipiCalc  3D 

NRL  Atlas 

iSight/CMD/IDL 

AIM Materials By Design 

iSIGHT Monte Carlo 

Model Calibra*on 

‐ Shihing the Core   

Descrip*ve Science 

Explora*on for Discovery 

Empirical Measurement 

Determinis*c Science 

Reduc*onist Analysis 

Knowledge Genera*on 

Materials 

The New Materiallurgy 

Predic*ve Science 

Pioneering by Design 

Validated Simula*on 

Probabilis*c Science 

Systems Synthesis 

Value Crea*on 

Concurrent Materials & Structures