O MIT acaba de tornar o alumínio 5x mais resistente com impressão 3D

A liga é produzida combinando o alumínio com diversos outros elementos, escolhidos por meio de um processo que mescla simulações computacionais com aprendizado de máquina. Essa abordagem restringiu drasticamente a busca pela receita certa. Os métodos tradicionais exigiriam 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 identificar a fórmula ideal.

Quando os pesquisadores imprimiram a liga e a submeteram a testes mecânicos, os resultados corresponderam às suas previsões. O metal impresso teve um desempenho equivalente ao das ligas de alumínio mais resistentes atualmente produzidas por fundição tradicional.

Um metal mais leve e com grande potencial industrial

A equipe acredita que o novo alumínio imprimível pode levar a componentes 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 e pode custar até 10 vezes mais que o alumínio – ou de materiais compósitos avançados.

“Se pudermos usar materiais mais leves e de alta resistência, isso economizaria uma quantidade considerável de energia para a indústria de transportes”, diz Mohadeseh Taheri-Mousavi, que liderou a pesquisa como pós-doutorado no MIT e agora é professor assistente na Universidade Carnegie Mellon.

John Hart, professor da turma de 1922 e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, diz que os benefícios vão muito além da aviação. “Como a impressão 3D pode produzir geometrias complexas, economizar material e permitir designs exclusivos, vemos essa liga imprimível como algo que também poderia ser usado em bombas de vácuo avançadas, automóveis de última geração e dispositivos de refrigeração para 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, com colaboradores adicionais Florian Hengsbach e Mirko Schaper da Universidade Paderborn na Alemanha, e Zhaoxuan Ge e Benjamin Glaser da Carnegie Mellon University.

Do desafio da sala de aula à inovação em materiais

O projeto tem suas raízes em 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. A aula se concentrou no uso de simulações computacionais para projetar ligas de alto desempenho. As ligas são feitas combinando vários elementos, e a mistura específica determina a resistência e outras propriedades importantes.

Olson desafiou os alunos a desenvolver uma liga de alumínio imprimível mais forte do que qualquer outra que existia na época. A resistência do alumínio depende muito de sua microestrutura, particularmente do tamanho e da densidade de pequenas características internas chamadas “precipitados”. Precipitados menores e mais compactados geralmente resultam em um metal mais forte.

Os alunos usaram simulações para testar diferentes combinações de elementos e concentrações, tentando prever quais misturas produziriam a liga mais forte. Apesar da extensa modelagem, o esforço não superou os designs de alumínio imprimíveis existentes. Esse resultado levou Taheri-Mousavi a considerar uma abordagem diferente.

“Em algum momento, há muitas coisas que contribuem de forma não linear para as propriedades de um material e você fica perdido”, diz Taheri-Mousavi. “Com ferramentas de aprendizado de máquina, elas podem indicar onde você precisa se concentrar e dizer, 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-Mousavi continuou onde o projeto da aula terminou, aplicando métodos de aprendizado de máquina para procurar uma liga de alumínio mais forte. Essas ferramentas analisaram dados sobre propriedades elementares para descobrir padrões e relações que as simulações tradicionais muitas vezes não percebem.

Ao analisar apenas 40 composições candidatas, 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 traduziu 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 convencional, que envolve despejar alumínio fundido em um molde e permitir que ele esfrie lentamente. Tempos de resfriamento mais longos permitem que os precipitados cresçam, o que reduz a resistência.

A equipe mostrou que a fabricação aditiva, também conhecida como impressão 3D, permite que o metal esfrie e solidifique muito mais rápido. Eles se concentraram na fusão de pó em leito de laser (LBPF), um processo no qual camadas de pó metálico são derretidas seletivamente por um laser e solidificam rapidamente antes que a próxima camada seja adicionada. Este congelamento rápido preserva a estrutura fina do precipitado prevista pelo modelo de aprendizado de máquina.

“Às vezes temos que pensar em como fazer com que um material seja compatível com a impressão 3D”, diz Hart. “Aqui, a impressão 3D abre uma nova porta devido às características únicas do processo – particularmente, a rápida taxa de resfriamento. O congelamento muito rápido da liga após ser derretida pelo laser cria este conjunto especial de propriedades.”

Teste confirma 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 combinado com cinco elementos adicionais – foi enviado a colaboradores na Alemanha, que imprimiram pequenas amostras de teste utilizando o seu equipamento LPBF.

Essas amostras foram então enviadas de volta ao MIT para testes mecânicos e análises microscópicas. Os resultados confirmaram as previsões de aprendizado de máquina. A liga impressa foi cinco vezes mais resistente do que uma versão fundida do mesmo material e 50% mais resistente do que as ligas de alumínio projetadas apenas com simulações convencionais.

A imagem microscópica revelou uma densa população de pequenos precipitados, 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 as mesmas técnicas de aprendizado de máquina para refinar outras propriedades da liga.

“Nossa metodologia abre novas portas para quem deseja fazer design de ligas por impressão 3D”, diz Taheri-Mousavi. “Meu sonho é que um dia os passageiros que olham pela janela do avião vejam as pás dos ventiladores dos motores feitos com nossas ligas de alumínio.”