Ny NIST-forskning kan nedbringe omkostningerne ved at lave nikkel

Nikkel er allestedsnærværende i det amerikanske liv, tumler rundt i lommerne, rulle under autostole, og dukker op fra bagsiden af ​​tørretumblere for at blive brugt igen og igen til utallige indkøb. Men disse spændstige og lidt ydmyge mønter bliver også dyre at producere. Nikkel, møntens egen navnebror, er blevet en værdsat ingrediens i mange moderne produkter, skubbe markedsværdien så meget, at det nogle gange koster så meget som syv cents pr.

Arbejder i samarbejde med U.S. Mint, et forskerhold ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har identificeret en alternativ tilgang, der ville reducere omkostningerne ved materialer til nikkel med så meget som 40 procent. Denne tilgang ville producere en mønt lige så hård og pålidelig som den gamle nikkel, men også lige så velkendt for den amerikanske borger.

Papiret, der beskriver arbejdet, blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Integrering af materialer og fremstillingsinnovation .

Som en ekstra fordel, dataene fra denne forskning har også frembragt resultater, der kan hjælpe højteknologiske virksomheder på udkig efter nye materialer til brug i modstandsdygtig elektronik såsom telefoner og bærbare computere, og i en række radikale nye farver, at starte.

Fremstillingen af ​​mønter er en kompliceret og krævende proces. Mønter må ikke tære i håndfladen af ​​en fugtig hånd, for eksempel. Billederne stemplet på deres ansigter skal være modstandsdygtige nok til at modstå årtiers handel og lejlighedsvis vende gennem vasketøjet. Deres metalliske glans skal altid være genkendelig, og af ensartet tykkelse og tæthed.

Selvom den er usynlig for den gennemsnitlige kunde, der køber en tyggegummi eller en sodavand, alle amerikanske mønter skal også indeholde en forudbestemt mængde elektrisk ledningsevne for at fungere i salgsautomater, som bruger en lille måler til at bestemme en mønts valutasignatur. En parkeringsmåler eller sodavandsmaskine tæller ikke dit nikkel uden denne nøgleegenskab.

På mange måder var nikkelproduktionsudfordringen et ideelt match for NIST Materials Genome Initiative (MGI), som blev startet i 2011 med det ambitiøse mål at reducere den tid, det tager et nyt materiale at nå markedet med mindst det halve, samtidig med at omkostningerne holdes nede. MGI har bygget de beregnings- og it-værktøjer, der er nødvendige for udviklingen af ​​alle slags nye materialer til brug i en bred vifte af fremstillingsapplikationer.

"At genoverveje nikkel var en af ​​de første gange, vi var i stand til at implementere de nye MGI-værktøjer til at designe et materiale til en specifik applikation, " sagde NIST-forsker Carelyn Campbell. "Vi var meget tilfredse med resultaterne."

NIST-teamet arbejdede baglæns, først at identificere de ønskede kvaliteter for det nye nikkelstykke og derefter finde ud af, hvilke legeringer og procedurer der kan være nødvendige for at gøre det til virkelighed. U.S. Mint skitserede også nogle stedspecifikke begrænsninger; nemlig den nye mønt skulle produceres ved hjælp af de eksisterende produktionsfaciliteter i Denver og Philadelphia, som begge bruger en bestemt type langsom afkøling.

Farven viste sig at være særlig udfordrende. Selvom de fleste mennesker ikke ville tænke på, at mønten havde en speciel tone eller farvetone, møntsamlere er en krævende gruppe og vil ofte afvise mønter, der endda er lidt off-tone, og samlere udgør en betydelig andel af markedet for pengestykker. Den brede offentlighed kan heller ikke stole på en mønt, der er for orange eller for gul. Men farve er ofte et subjektivt kriterium, og en, der kan være svær at kvantificere eller reproducere med enhver form for pålidelig standard.

I dette tilfælde, brugen af ​​MGI-processen viste sig at være enorm hjælpsom - og det overraskede selv forskerne selv med, hvor effektivt resultatet var. Startende med sættet af parametre for modstandsdygtighed, ledningsevne og farve, holdet var i stand til at producere en ny blanding af kobber, nikkel og zink, der var 40 procent billigere end den tidligere metalblanding.

Holdet stolede i høj grad på en type materialedesignsystem kendt som en Integrated Computational Materials Engineering (ICME)-ramme. Metoden bruger en stor mængde computermodellering til at opdage, hvordan forskellige komponenter vil reagere, når de blandes sammen. I dette tilfælde, disse komponenter var metallegeringer.

Eksperimentelt arbejde er dyrt og tidskrævende, der henviser til, at det er ret hurtigt og billigt at køre en model på en computer. Ideen er at bruge flere beregningsressourcer og værktøjer til at udføre benarbejdet i designfasen for at skære ned på den tid og de omkostninger, der kræves for at gå fra idé til virkelighed.

"Inden for et år, vi var i stand til at sammensætte en ramme til design af en legering, identificere og bruge vores model for at få den rigtige legering, og så gå videre og faktisk lave prototypen, afprøve det og finde ud af, at vi virkelig opfyldte alle vores mål, " sagde NIST-projektleder og materialeingeniør Eric Lass. Lass er også seniorforfatter af det nye papir. Tidligere, et sådant arbejde ville have taget flere år.

Resultaterne kan potentielt spare US Mint millioner. Ud over, flere virksomheder, der fremstiller højteknologiske varer, har vist interesse for resultaterne, da der er en stærk forbrugerefterspørgsel efter elektronik, der er holdbar, men også tilgængelig i en række forskellige farver såsom metallisk pink.

Der er endnu ikke talt om, hvorvidt nogen aktivt forfølger en telefon, der kan klare en tur i en varm tørretumbler på vaskedagen, selvom.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.