Os engenheiros do MIT criaram uma nova liga de alumínio que pode ser impressa em 3D, pode suportar calor extremo e tem níveis de resistência que excedem em muito os do alumínio tradicional. Testes mostraram que o material é cinco vezes mais resistente que o alumínio feito com técnicas de fabricação padrão.
A liga é produzida combinando o alumínio com diversos outros elementos, que são selecionados por meio de um processo que combina simulações computacionais com aprendizado de máquina. Essa abordagem restringe bastante a busca pela receita certa. Os métodos tradicionais exigiam a avaliação de mais de 1 milhão de combinações possíveis de materiais, mas o modelo de aprendizado de máquina reduziu esse número para apenas 40 opções promissoras antes de decidir pela melhor receita.
Quando os pesquisadores imprimiram a liga e a testaram mecanicamente, os resultados corresponderam às suas previsões. As propriedades do metal impresso são comparáveis às ligas de alumínio mais resistentes atualmente produzidas por fundição convencional.
Metal mais leve com enorme potencial industrial
A equipe acredita que o novo alumínio imprimível poderia criar peças mais fortes, mais leves e mais resistentes ao calor, incluindo pás de ventiladores para motores a jato. Hoje, essas lâminas são normalmente feitas de titânio (que é mais de 50% mais pesado que o alumínio e até 10 vezes mais caro) ou de materiais compósitos avançados.
“Se pudéssemos usar materiais mais leves e resistentes, economizaríamos muita energia para a indústria de transportes”, disse Mohadeseh Taheri-Mousavi, pós-doutorado no MIT e agora professor assistente na Universidade Carnegie Mellon.
Os benefícios vão muito além da aviação, disse John Hart, turma de 1922 e presidente do departamento de engenharia mecânica do MIT. “Como a impressão 3D pode produzir geometrias complexas, economizar material e permitir designs exclusivos, acreditamos que esta liga imprimível também pode ser usada em bombas de vácuo avançadas, automóveis de última geração e equipamentos de refrigeração em data centers”.
Detalhes do trabalho aparecem na revista materiais avançados. Os co-autores do MIT incluem Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau e Greg Olson, juntamente com Florian Hengsbach e Mirko Schaper da Universidade de Paderborn na Alemanha, e Chaoxuan Ge e Benjamin Glaser da Carnegie Mellon University.
Dos desafios da sala de aula às inovações materiais
As raízes do projeto remontam a um curso do MIT que Taheri-Mousavi fez em 2020, ministrado por Greg Olson, professor da prática no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O curso se concentra no uso de simulações computacionais para projetar ligas de alto desempenho. As ligas são feitas combinando vários elementos, com a combinação específica determinando a resistência e outras propriedades importantes.
Olson desafiou os alunos a desenvolver uma liga de alumínio imprimível que fosse mais forte do que qualquer liga de alumínio existente na época. A resistência do alumínio depende em grande parte de sua microestrutura, especificamente do tamanho e da densidade de pequenas características internas chamadas “precipitados”. Precipitados menores e mais compactados geralmente produzem metais mais fortes.
Os alunos usaram simulações para testar diferentes combinações de elementos e concentrações, tentando prever qual mistura produziria a liga mais forte. Apesar da extensa modelagem, o trabalho não superou os designs de alumínio imprimíveis existentes. O resultado levou Taheri-Moussawi a considerar uma abordagem diferente.
“Em algum momento, há tantos fatores que têm um efeito não linear nas propriedades do material que você se perde”, disse Taheri-Moussawi. “Com ferramentas de aprendizado de máquina, elas podem indicar onde você precisa se concentrar e informar, por exemplo, se esses dois elementos estão controlando esse recurso. Isso permite que você explore o espaço de design com mais eficiência.”
Usando aprendizado de máquina para redesenhar o alumínio
No novo estudo, Taheri-Moussawi continuou de onde parou seu projeto de aula, aplicando métodos de aprendizado de máquina para encontrar ligas de alumínio mais fortes. Essas ferramentas analisam dados sobre propriedades de elementos para revelar padrões e relacionamentos que muitas vezes são ignorados pelas simulações tradicionais.
Ao analisar apenas 40 ingredientes candidatos, o sistema de aprendizado de máquina identificou um design de liga com uma proporção muito maior de pequenos precipitados do que as tentativas anteriores. Essa estrutura se traduz diretamente em maior robustez, superando resultados obtidos em mais de 1 milhão de simulações realizadas sem aprendizado de máquina.
Para realmente criar a liga, os pesquisadores recorreram à impressão 3D em vez da fundição tradicional, que envolve despejar alumínio fundido em um molde e permitir que ele esfrie lentamente. Tempos de resfriamento mais longos farão com que os precipitados cresçam, reduzindo assim a resistência.
A equipe mostrou que a fabricação aditiva, também conhecida como impressão 3D, permite que o metal esfrie e solidifique mais rapidamente. Eles se concentram na fusão de pó em leito a laser (LBPF), um processo no qual camadas de pó metálico são derretidas seletivamente por laser e solidificadas rapidamente antes que a próxima camada seja adicionada. Este congelamento rápido preservou a estrutura fina do pellet prevista pelo modelo de aprendizado de máquina.
“Às vezes temos que pensar em como tornar os materiais compatíveis com a impressão 3D”, disse Hart. “Aqui, a impressão 3D abre uma nova porta porque o processo tem propriedades únicas, particularmente a rápida taxa de resfriamento. A liga congela muito rapidamente após ser derretida pelo laser, resultando neste conjunto especial de propriedades.”
Testes confirmam força recorde
Para validar seu projeto, os pesquisadores encomendaram um lote de pó metálico imprimível com base na nova fórmula da liga. O pó, feito de alumínio e cinco elementos adicionais, foi enviado a colaboradores na Alemanha, que utilizaram equipamentos da LPBF para imprimir pequenas amostras de teste.
As amostras foram então enviadas de volta ao MIT para testes mecânicos e análise microscópica. Os resultados confirmaram as previsões de aprendizado de máquina. A liga impressa é cinco vezes mais resistente do que uma versão fundida do mesmo material e 50% mais resistente do que uma liga de alumínio projetada apenas com simulações tradicionais.
A imagem microscópica revelou numerosos pequenos precipitados densamente compactados, e a liga permaneceu estável em temperaturas de até 400 graus Celsius, um limite incomumente alto para materiais à base de alumínio.
A equipe de pesquisa está agora aplicando a mesma técnica de aprendizado de máquina para melhorar outras propriedades da liga.
“Nossa abordagem abre novas portas para quem deseja projetar ligas para impressão 3D”, disse Taheri-Mousavi. “Meu sonho é que um dia os passageiros olhem pela janela do avião e vejam as pás dos ventiladores do motor feitas de nossas ligas de alumínio.”
