Los ingenieros del MIT han desarrollado una aleación de aluminio imprimible que puede soportar altas temperaturas y es cinco veces más resistente que el aluminio fabricado tradicionalmente.
El nuevo metal imprimible está hecho de una mezcla de aluminio y otros fundamentos que el equipo identificó mediante una combinación de simulaciones y enseñanza espontáneo, lo que redujo significativamente el número de posibles combinaciones de materiales para inquirir. Si admisiblemente los métodos tradicionales requerirían afectar más de 1 millón de combinaciones posibles de materiales, el nuevo enfoque basado en enseñanza espontáneo del equipo solo necesitaba evaluar 40 composiciones posibles antaño de identificar una mezcla ideal para una aleación de aluminio imprimible de reincorporación resistor.
Cuando imprimieron la aleación y probaron el material resultante, el equipo confirmó que, como se predijo, la aleación de aluminio era tan válido como las aleaciones de aluminio más resistentes 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 ligeros y resistentes a la temperatura, como las aspas de los ventiladores de los motores a reacción. Las aspas de los ventiladores tradicionalmente se fabrican con titanio (un material que es más del 50 por ciento más pesado y hasta 10 veces más costoso que el aluminio) o se fabrican con compuestos avanzados.
«Si podemos utilizar material más pueril y de reincorporación resistor, se ahorraría una cantidad considerable de energía para la industria del transporte», afirma Mohadeseh Taheri-Mousavi, quien dirigió el trabajo como postdoctorado en el MIT y ahora es profesor asistente en la Universidad Carnegie Mellon.
«Hexaedro que la impresión 3D puede producir geometrías complejas, reservar material y permitir diseños únicos, consideramos que esta aleación imprimible todavía podría estar de moda en bombas de infructifero avanzadas, automóviles de reincorporación viso y dispositivos de refrigeración para centros de datos», añade John Hart, profesor de la promoción de 1922 y principal del Unidad de Ingeniería Mecánica del MIT.
Hart y Taheri-Mousavi brindan detalles sobre el nuevo diseño de aluminio imprimible en un artículo publicado en la revista Materiales avanzados. Los coautores del artículo del MIT incluyen a Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau y Greg Olson, pegado con Florian Hengsbach y Mirko Schaper de la Universidad de Paderborn en Alemania, y Zhaoxuan Ge y Benjamin Glaser de la Universidad Carnegie Mellon.
Microdimensionamiento
El nuevo trabajo surgió de una clase del MIT que Taheri-Mousavi tomó en 2020, impartida por Greg Olson, profesor de maña en el Unidad de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Como parte de la clase, los estudiantes aprendieron a utilizar simulaciones computacionales para diseñar aleaciones de detención rendimiento. Las aleaciones son materiales que se fabrican a partir de una mezcla de diferentes fundamentos, cuya combinación confiere una resistor singular y otras propiedades únicas al material en su conjunto.
Olson desafió a la clase a diseñar una aleación de aluminio que fuera más resistente que la aleación de aluminio imprimible más resistente diseñada hasta la época. Como ocurre con la mayoría de los materiales, la resistor del aluminio depende en gran parte de su microestructura: cuanto más pequeños y más densamente empaquetados estén sus constituyentes microscópicos, o «precipitados», más válido será la aleación.
Con esto en mente, la clase utilizó simulaciones por computadora para combinar metódicamente aluminio con varios tipos y concentraciones de fundamentos, para afectar y predecir la resistor de la aleación resultante. Sin bloqueo, el prueba no logró producir un resultado más sólido. Al final de la clase, Taheri-Mousavi se preguntó: ¿Podría funcionar mejor el enseñanza espontáneo?
«En algún momento, hay muchas cosas que contribuyen de forma no seguido a las propiedades de un material y estás perdido», dice Taheri-Mousavi. «Con las herramientas de enseñanza espontáneo, pueden indicarle dónde debe concentrarse y decirle, por ejemplo, que estos dos fundamentos controlan esta característica. Le permite explorar el espacio de diseño de guisa más válido».
Capa por capa
En el nuevo estudio, Taheri-Mousavi continuó donde lo dejó la clase de Olson, esta vez buscando identificar una fórmula más válido para la aleación de aluminio. Esta vez, utilizó técnicas de enseñanza espontáneo diseñadas para analizar de guisa válido datos como las propiedades de los fundamentos, para identificar conexiones y correlaciones secreto que deberían conducir a un resultado o producto más deseable.
Descubrió que, utilizando solo 40 composiciones que mezclaban aluminio con diferentes fundamentos, su enfoque de enseñanza espontáneo rápidamente encontró una fórmula para una aleación de aluminio con una veterano fracción de convexidad de pequeños precipitados y, por lo tanto, veterano resistor que la que identificaron los estudios anteriores. La resistor de la aleación era incluso veterano de lo que pudieron identificar a posteriori de afectar más de 1 millón de posibilidades sin utilizar el enseñanza espontáneo.
Para producir físicamente esta nueva aleación válido y de pequeño precipitado, el equipo se dio cuenta de que la impresión 3D sería el camino a seguir en oficio de la fundición de metal tradicional, en la que el aluminio limpio fundido se vierte en un molde y se deja refrescar y deshumanizar. Cuanto veterano sea este tiempo de refrigeración, más probable será que crezca el precipitado individual.
Los investigadores demostraron que la impresión 3D, todavía conocida como fabricación aditiva, puede ser una forma más rápida de refrescar y solidificar la aleación de aluminio. Específicamente, consideraron la fusión de polvo en veta láser (LBPF), una técnica mediante la cual se deposita un polvo, capa por capa, sobre una superficie en un patrón deseado y luego se funde rápidamente mediante un láser que traza sobre el patrón. El patrón fundido es lo suficientemente delgado como para solidificarse rápidamente antaño de que se deposite otra capa y se “imprima” de guisa similar. El equipo descubrió que el refrigeración y la solidificación inherentemente rápidos del LBPF permitieron la aleación de aluminio de reincorporación resistor y pequeño precipitado que predijo su método de enseñanza espontáneo.
«A veces tenemos que pensar en cómo conseguir que un material sea compatible con la impresión 3D», afirma el coautor del estudio, John Hart. «Aquí, la impresión 3D abre una nueva puerta correcto a las características únicas del proceso, en particular, la rápida velocidad de refrigeración. La congelación muy rápida de la aleación a posteriori de que el láser la derrita crea este conjunto peculiar de propiedades».
Al poner su idea en maña, los investigadores encargaron una formulación de polvo imprimible, basada en su nueva fórmula de aleación de aluminio. Enviaron el polvo (una mezcla de aluminio y otros cinco fundamentos) a colaboradores en Alemania, quienes imprimieron pequeñas muestras de la aleación utilizando su sistema LPBF interno. Luego, las muestras se enviaron al MIT, donde el equipo realizó múltiples pruebas para valorar la resistor de la aleación y obtener imágenes de la microestructura de las muestras.
Sus resultados confirmaron las predicciones hechas en su búsqueda original de enseñanza espontáneo: la aleación impresa era cinco veces más válido que una contraparte fundida y un 50 por ciento más válido que las aleaciones diseñadas mediante simulaciones convencionales sin enseñanza espontáneo. La microestructura de la nueva aleación todavía consistía en una fracción de veterano convexidad de pequeños precipitados y era estable a altas temperaturas de hasta 400 grados Celsius, una temperatura muy reincorporación para las aleaciones de aluminio.
Los investigadores están aplicando técnicas similares de enseñanza espontáneo para optimizar aún más otras propiedades de la aleación.
«Nuestra metodología abre nuevas puertas para cualquiera que quiera diseñar aleaciones mediante impresión 3D», afirma Taheri-Mousavi. «Mi sueño es que algún día los pasajeros que miren por la ventana de su avión vean las aspas de los motores fabricados con nuestras aleaciones de aluminio».
Este trabajo se llevó a promontorio, en parte, utilizando las instalaciones de caracterización de MIT.nano.