Los ingenieros del MIT han desarrollado una aleación de aluminio imprimible que puede soportar altas temperaturas y es cinco veces más fuerte que el aluminio fabricado tradicionalmente.
El nuevo metal imprimible está hecho de una mezcla de aluminio y otros elementos que el equipo identificó utilizando una combinación de simulaciones y aprendizaje automático, que podó significativamente el número de posibles combinaciones de materiales para buscar. Si bien los métodos tradicionales requerirían simular más de 1 millón de combinaciones posibles de materiales, el nuevo enfoque basado en el aprendizaje automático del equipo solo se necesitaba para evaluar 40 composiciones posibles antes de identificar una mezcla ideal para una aleación de aluminio imprimible e imprimible de alta resistencia.
Cuando imprimieron la aleación y probaron el material resultante, el equipo confirmó que, como se predijo, la aleación de aluminio era tan fuerte como las aleaciones de aluminio más fuertes que se fabrican hoy en día utilizando métodos de fundición tradicionales.
Los investigadores imaginan que el nuevo aluminio imprimible podría convertirse en productos más fuertes, más livianos y resistentes a la temperatura, como las cuchillas del ventilador en los motores a reacción. Las cuchillas de los fanáticos se emiten tradicionalmente desde el titanio, un material que es más del 50 por ciento más pesado y hasta 10 veces más costoso que el aluminio, o hecho de compuestos avanzados.
«Si podemos usar material más ligero y de alta resistencia, esto ahorraría una cantidad considerable de energía para la industria del transporte», dice Mohadeseh Taheri-Mousavi, quien dirigió el trabajo como postdoc en el MIT y ahora es profesor asistente en la Universidad Carnegie Mellon.
«Debido a que la impresión 3D puede producir geometrías complejas, guardar material y permitir diseños únicos, vemos esta aleación imprimible como algo que también podría usarse en bombas de vacío avanzadas, automóviles de alta gama y dispositivos de enfriamiento para centros de datos», agrega John Hart, la clase de 1922 y jefe del departamento de Ingeniería Mecánica en MIT.
Hart y Taheri-Mousavi proporcionan detalles sobre el nuevo diseño de aluminio imprimible en un artículo publicado en la revista Materiales avanzados. Los coautores del MIT del periódico incluyen a Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James Lebeau y Greg Olson, junto con Florian Hengsbach y Mirko Schaper de la Universidad Paderborn en Alemania, y Zhaoxuan Ge y Benjamin Glaser de la Universidad Carnegie Mellon.
Microdicion
El nuevo trabajo surgió de una clase del MIT que Taheri-Mousavi tomó en 2020, que fue enseñada por Greg Olson, profesor de la práctica en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Como parte de la clase, los estudiantes aprendieron a usar simulaciones computacionales para diseñar aleaciones de alto rendimiento. Las aleaciones son materiales hechos de una mezcla de diferentes elementos, cuya combinación imparte resistencia excepcional y otras propiedades únicas para el material en su conjunto.
Olson desafió a la clase a diseñar una aleación de aluminio que fuera más fuerte que la aleación de aluminio imprimible más fuerte diseñada hasta la fecha. Como con la mayoría de los materiales, la resistencia del aluminio depende en gran parte de su microestructura: cuanto más pequeños y más densamente empacados sus componentes microscópicos, o «precipitados», más fuerte sería la aleación.
Con esto en mente, la clase utilizó simulaciones informáticas para combinar metódicamente aluminio con varios tipos y concentraciones de elementos, para simular y predecir la fuerza de la aleación resultante. Sin embargo, el ejercicio no logró producir un resultado más fuerte. Al final de la clase, Taheri-Mousavi se preguntó: ¿podría el aprendizaje automático hacerlo mejor?
«En algún momento, hay muchas cosas que contribuyen no linealmente a las propiedades de un material, y usted está perdido», dice Taheri-Mousavi. «Con las herramientas de aprendizaje automático, pueden señalarlo donde necesita concentrarse y decirle, por ejemplo, estos dos elementos están controlando esta característica. Le permite explorar el espacio de diseño de manera más eficiente».
Capa por capa
En el nuevo estudio, Taheri-Mousavi continuó donde la clase de Olson lo dejó, esta vez buscando identificar una receta más fuerte para la aleación de aluminio. Esta vez, utilizó técnicas de aprendizaje automático diseñadas para peinar eficientemente a través de datos como las propiedades de los elementos, para identificar conexiones y correlaciones clave que deberían conducir a un resultado o producto más deseable.
Descubrió que, utilizando solo 40 composiciones que mezclan aluminio con diferentes elementos, su enfoque de aprendizaje automático se dirigió rápidamente a una receta para una aleación de aluminio con una fracción de mayor volumen de pequeños precipitados y, por lo tanto, una mayor resistencia, lo que los estudios anteriores identificaron. La fuerza de la aleación fue incluso mayor de lo que podían identificar después de simular más de 1 millón de posibilidades sin usar el aprendizaje automático.
Para producir físicamente esta nueva aleación fuerte y pequeña de precipitado, el equipo se dio cuenta de que la impresión 3D sería el camino a seguir en lugar de la fundición de metal tradicional, en la que el aluminio líquido fundido se vierte en un molde y se deja enfriar y endurecer. Cuanto más tiempo sea este tiempo de enfriamiento, más probable es que crezca el precipitado individual.
Los investigadores mostraron que la impresión 3D, en general también conocida como fabricación de aditivos, puede ser una forma más rápida de enfriar y solidificar la aleación de aluminio. Específicamente, consideraron la fusión de polvo del lecho láser (LBPF), una técnica por la cual se deposita un polvo, capa por capa, en una superficie en un patrón deseado y luego se derritió rápidamente por un láser que traza el patrón. El patrón derretido es lo suficientemente delgado como para que se soldea rápidamente antes de que se deposite otra capa y se «impresa» de manera similar. El equipo descubrió que el enfriamiento inherentemente rápido y la solidificación de LBPF permitieron la aleación de aluminio de alta resistencia y precipitado que predijo su método de aprendizaje automático.
«A veces tenemos que pensar en cómo hacer que un material sea compatible con la impresión 3D», dice el coautor del estudio, John Hart. «Aquí, la impresión 3D abre una nueva puerta debido a las características únicas del proceso, particularmente, la velocidad de enfriamiento rápida. La congelación muy rápida de la aleación después de que el láser se derrite crea este conjunto especial de propiedades».
Al poner en práctica su idea, los investigadores ordenaron una formulación de polvo imprimible, basado en su nueva receta de aleación de aluminio. Enviaron el polvo, una mezcla de aluminio y otros cinco elementos, a los colaboradores en Alemania, que imprimieron pequeñas muestras de la aleación utilizando su sistema LPBF interno. Las muestras se enviaron luego al MIT, donde el equipo realizó múltiples pruebas para medir la fuerza de la aleación y la imagen de la microestructura de las muestras.
Sus resultados confirmaron las predicciones hechas por su búsqueda inicial de aprendizaje automático: la aleación impresa fue cinco veces más fuerte que una contraparte fundida y un 50 por ciento más fuerte que las aleaciones diseñadas utilizando simulaciones convencionales sin aprendizaje automático. La microestructura de la nueva aleación también consistió en una fracción de menor volumen de pequeños precipitados, y era estable a altas temperaturas de hasta 400 grados Celsius, una temperatura muy alta para las aleaciones de aluminio.
Los investigadores están aplicando técnicas similares de aprendizaje automático para optimizar aún más otras propiedades de la aleación.
«Nuestra metodología abre nuevas puertas para cualquiera que quiera hacer un diseño de aleación de impresión en 3D», dice Taheri-Mousavi. «Mi sueño es que algún día, los pasajeros que miran por la ventana de su avión verán hojas de motores de ventilador hechos con nuestras aleaciones de aluminio».
