Inženjeri s MIT-a razvili su tiskivi aluminijski leguru koja može izdržati visoke temperature i pet puta je jača od tradicionalno izrade aluminija. Ova inovacija može otvoriti put ka lakšim, efikasnijim i otpornijim proizvodima, kao što su lopatice za mlazne motore.
Aluminij je jedan od najčešće korištenih metala u industriji zbog svoje lahkosti i otpornosti na koroziju. Međutim, tradicionalne metode izrade aluminija imaju svoje ograničenja. Novi tiskivi aluminij, razvijen s MIT-a, donosi revoluciju u ovom području. Ovaj materijal je rezultat kombinacije aluminija i drugih elemenata koje je tim identificirao koristeći simulacije i strojno učenje. Ovaj pristup značajno je smanjio broj mogućih kombinacija materijala koje je potrebno ispitati, što je ubrzalo proces otkrivanja idealne legure.
Tradicionalne metode zahtijevaju simulaciju više od milijun mogućih kombinacija materijala. Međutim, tim s MIT-a je koristio pristup temeljen na strojnom učenju koji je potreban za evaluaciju samo 40 mogućih kompozicija prije nego što je identificirao idealnu mješavinu za visoko jaku, tiskivu aluminijsku leguru. Kada su leguru ispisali i testirali dobiveni materijal, tim je potvrdio da je, kao što je predviđeno, aluminijska legura jednako jaka kao i najjači aluminijski legure koje se danas proizvode tradicionalnim lijevanjem.
Ova inovacija može imati značajne implikacije za industriju. Na primjer, tiskivi aluminij može se koristiti za izradu lopatica za mlazne motore koje su tradicionalno lijevane od titanija, materijala koji je više od 50% teži i do 10 puta skuplji od aluminija. Također, može se koristiti u naprednim vakuumskim pumparima, visokoklasnim automobilima i uređajima za hlađenje u data centrima.
“Koristeći lakši, visoko jaki materijal, ovo bi uštedilo znatnu količinu energije za transportnu industriju,” kaže Mohadeseh Taheri-Mousavi, koja je vodila rad kao postdoktorand na MIT-u i sada je docentica na Carnegie Mellon University.
John Hart, Class of 1922 profesor i šef Odjela za mehaničko inženjerstvo na MIT-u, dodaje: “3D tiskanje može proizvesti složene geometrije, uštedjeti materijal i omogućiti jedinstvene dizajne. Vidimo ovaj tiskivi leguru kao nešto što se također može koristiti u naprednim vakuumskim pumparima, visokoklasnim automobilima i uređajima za hlađenje u data centrima.”
Detalje o novom tiskivom aluminiju objavili su Hart i Taheri-Mousavi u članku objavljenom u časopisu Advanced Materials. Suautori članka s MIT-a uključuju Michaela Xu-a, Claya Housera, Shaoloua Weia, Jamesa LeBeaua i Grega Olsona, kao i Floriana Hengsbacha i Mirka Schapera s Univerziteta u Paderbornu u Njemačkoj, te Zhaoxuana Gea i Benjamina Glasera s Carnegie Mellon University.
Ovaj rad nastao je iz MIT-ovog predmeta koji je Taheri-Mousavi pohađala 2020. godine, predmet koji je predavao Greg Olson, profesor prakse u Odjelu za materijalno inženjerstvo. Kao dio predmeta, studenti su naučili koristiti računalne simulacije za dizajniranje visokoperformansnih legura. Legure su materijali koji se sastoje od mješavine različitih elemenata, čija kombinacija daje materijalu izuzetnu jakost i druge jedinstvene osobine.
Olson je izazvao klasu da dizajnira aluminijsku leguru koja bi bila jača od najjačeg tiskivog aluminija do tada. Kao i kod većine materijala, jakost aluminija ovisi u velikoj mjeri na njegovoj mikrostrukturi: što su manji i gušće pakirani njegovi mikroskopski sastojci, to će legura biti jača.
S tim u vidu, klasa je koristila računalne simulacije da sistematski kombinira aluminij s različitim vrstama i koncentracijama elemenata, kako bi simulirala i predvidjela jakost dobivene legure. Međutim, ovaj zadatak nije dao jači rezultat. Na kraju predmeta, Taheri-Mousavi se pitala: Može li strojno učenje postići bolje rezultate?
“Na nekom trenutku, mnogo stvari ne linearno doprinosi svojstvima materijala, i gubimo se,” kaže Taheri-Mousavi. “S alatom za strojno učenje, oni mogu vas usmjeriti na mjesto na koje treba fokusirati i reći, na primjer, da ova dva elementa kontroliraju ovu osobinu. To vam omogućuje da efikasnije istražujete prostor dizajna.”
U novom studiju, Taheri-Mousavi je nastavila tamo gdje je klasa profesora Olsona završila, ovaj put tražeći jači recept za aluminijsku leguru. Ovaj put je koristila tehnike strojnog učenja dizajnirane za efikasno pretraživanje podataka kao što su svojstva elemenata, kako bi identificirala ključne veze i korelacije koje bi trebale voditi do željnijeg ishoda ili proizvoda.
Našla je da je, koristeći samo 40 kompozicija koje miješaju aluminij s različitim elementima, njihov pristup temeljen na strojnom učenju brzo usmjerio na recept za aluminijsku leguru s većim udjelom malih taloga i stoga većom jakosti, nego što su prethodni studiji identificirali. Jakost legure bila je čak veća nego što su mogli identificirati nakon simulacije više od milijun mogućnosti bez korištenja strojnog učenja.
Da bi fizički proizveli ovu novu jaku leguru s malim talozima, tim je shvatio da će 3D tiskanje biti način zaći umjesto tradicionalnog lijevanja. Kako bi to postigli, koristili su laser za sintriranje, tehniku koja koristi laserski snop da zagrijava i stisne prah metalnih čestica u slojeve, stvarajući čvrstu, kompaktnu strukturu.
Kada su testirali dobiveni materijal, tim je potvrdio da je legura jednako jaka kao i najjači aluminijski legure koje se danas proizvode tradicionalnim lijevanjem. Također, legura je pokazala izuzetnu otpornost na visoke temperature, što je ključno za mnoge industrijske primjene.
Ova inovacija može imati široke implikacije za industriju. Na primjer, tiskivi aluminij može se koristiti za izradu lopatica za mlazne motore koje su tradicionalno lijevane od titanija, materijala koji je više od 50% teži i do 10 puta skuplji od aluminija. Također, može se koristiti u naprednim vakuumskim pumparima, visokoklasnim automobilima i uređajima za hlađenje u data centrima.
“Koristeći lakši, visoko jaki materijal, ovo bi uštedilo znatnu količinu energije za transportnu industriju,” kaže Taheri-Mousavi.
Hart dodaje: “3D tiskanje može proizvesti složene geometrije, uštedjeti materijal i omogućiti jedinstvene dizajne. Vidimo ovaj tiskivi leguru kao nešto što se također može koristiti u naprednim vakuumskim pumparima, visokoklasnim automobilima i uređajima za hlađenje u data centrima.”
Ova inovacija predstavlja samo početak. Tim s MIT-a nastavlja istraživati mogućnosti tiskivog aluminija, istražujući nove kombinacije elemenata i tehnike za poboljšanje njegovih svojstava. Njihov cilj je razviti materijal koji će biti još jači, lakši i otporniji na visoke temperature, što bi moglo otvoriti put ka novim vrstama proizvoda i aplikacija.
Često postavljana pitanja
Kako tiskivi aluminij može poboljšati efikasnost mlaznih motora? Tiskivi aluminij može zamijeniti titanij u izradi lopatica za mlazne motore, što bi rezultiralo lakšim i jeftinijim motorima. Aluminij je lakši od titanija i može se tiskati u slojevima, omogućujući složene geometrije koje su teže postići s tradicionalnim metodama.
Može li tiskivi aluminij biti korišten u automobilskoj industriji? Da, tiskivi aluminij može se koristiti za izradu različitih komponenti u automobilima, uključujući dijelove šasije, poklopce motora i dijelove za prenošenje snage. Ovaj materijal može smanjiti ukupnu težinu vozila, što bi rezultiralo poboljšanim potrošnjom goriva i smanjenim emisijama.
Kako strojno učenje pomaže u dizajniranju novih materijala? Strojno učenje može efikasno pretraživati velike skupove podataka i identificirati ključne veze i korelacije koje bi mogle voditi do novih i boljih materijala. Ovaj pristup može značajno smanjiti vrijeme i troškove istraživanja i razvoja.
Koji su glavni izazovi u razvoju tiskivih metala? Glavni izazovi uključuju kontrolu mikrostrukture materijala, osiguravanje konzistentnosti svojstava između različitih ispisa i razvoj tehnika za tiskanje složenih geometrija. Također, potrebno je razviti metode za recikliranje tiskivih metala kako bi se smanjili ekološki utjecaji.
Kako tiskivi aluminij može utjecati na industriju vakuumskih pumpi? Tiskivi aluminij može se koristiti za izradu dijelova vakuumskih pumpi koji su izloženi visokim temperaturama i mehaničkim opterećenjima. Ovaj materijal može poboljšati otpornost na koroziju i povećati životni vijek pumpi, što bi rezultiralo smanjenim održavanjem i većim isplativosti.
Može li tiskivi aluminij biti korišten u data centrima? Da, tiskivi aluminij može se koristiti za izradu dijelova uređaja za hlađenje u data centrima. Ovaj materijal može poboljšati efikasnost hlađenja i smanjiti potrošnju energije, što je ključno za održavanje optimalnih uvjeta rada u data centrima.
Koji su budući ciljevi istraživanja tiskivih metala? Budući ciljevi uključuju razvoj materijala s još većim jakostima, boljom otpornošću na visoke temperature i smanjenom težinom. Također, istraživači se fokusiraju na razvoj novih tehnika za tiskanje složenih geometrija i poboljšanje reciklabilnosti tiskivih metala.
