Inženjeri s MIT-a razvili su aluminijsku leguru pogodnu za 3D ispis koja može izdržati visoke temperature i pet puta je jača od aluminija proizvedenog tradicionalnim metodama. Ova nova legura rezultat je kombinacije aluminija i drugih elemenata, a tim je koristio simulacije i strojnog učenja kako bi značajno smanjio broj mogućih kombinacija materijala koje je trebalo istražiti.
Dok bi tradicionalne metode zahtijevale simulaciju više od milijun mogućih kombinacija materijala, tim je novim pristupom temeljenim na strojnog učenju uspio evaluirati samo 40 mogućih sastava prije nego što je identificirao idealnu mješavinu za visoko čvrstu aluminijsku leguru pogodnu za ispis.
Nakon što su ispisali leguru i testirali dobiveni materijal, tim je potvrdio da je, kao što se predvidjelo, aluminijska legura jednako jaka kao i najjače aluminijske legure koje se danas proizvode tradicionalnim lijevanjem.
Istraživači smatraju da bi nova aluminijska legura mogla biti korištena za jače, lakše i temperature otpornije proizvode, poput lopatica ventilatora u mlaznim motorima. Lopate ventilatora tradicionalno se lijevaju od titana — materijala koji je više od 50 posto teži i do 10 puta skuplji od aluminija — ili se izrađuju od naprednih kompozita.
„Ako možemo koristiti lakši, visoko čvrsti materijal, to bi značajno smanjilo potrošnju energije u transportnoj industriji“, izjavila je Mohadeseh Taheri-Mousavi, koja je vodila rad kao postdoktorand na MIT-u, a sada je asistentica na Carnegie Mellon University.
„Budući da 3D ispis može proizvesti složene geometrije, uštedjeti materijal i omogućiti jedinstvene dizajne, vidimo ovu aluminijsku leguru kao nešto što bi se moglo koristiti i u naprednim vakuumskim pumpama, visokokvalitetnim automobilima i uređajima za hlađenje podatkovnih centara“, dodaje John Hart, profesor na MIT-u i voditelj Odjela za strojno inženjerstvo.
Hart i Taheri-Mousavi pružaju detalje o novom dizajnu aluminijske legure pogodnoj za ispis u članku objavljenom u časopisu Advanced Materials. Među koautorima s MIT-a su Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau i Greg Olson, zajedno s Florianom Hengsbachom i Mirkom Schaperom s Paderborn University u Njemačkoj, te Zhaoxuan Ge i Benjaminom Glaserom s Carnegie Mellon University.
Kako je nastala nova aluminijska legura
Ovaj rad proizašao je iz MIT-ove klase koju je Taheri-Mousavi pohađala 2020. godine, a koju je predavao Greg Olson, profesor na Odjelu za znanost o materijalima i inženjerstvo. Tijekom nastave, studenti su učili koristiti računalne simulacije za dizajn visokoučinkovitih legura. Legure su materijali koji se sastoje od mješavine različitih elemenata, čija kombinacija daje izvanrednu čvrstoću i druge jedinstvene osobine materijalu kao cjelini.
Olson je izazvao razred da dizajnira aluminijsku leguru koja bi bila jača od najjače aluminijske legure koja je do tada bila dizajnirana za ispis. Kao i kod većine materijala, čvrstoća aluminija u velikoj mjeri ovisi o njegovoj mikrostrukturi: što su manji i gušće raspoređeni njegovi mikroskopski sastojci, ili “precipitati”, to će legura biti jača.
Imajući to na umu, razred je koristio računalne simulacije kako bi sustavno kombinirao aluminij s različitim vrstama i koncentracijama elemenata, kako bi simulirao i predvidio čvrstoću rezultantne legure. Međutim, vježba nije dala jači rezultat. Na kraju nastave, Taheri-Mousavi se zapitala: može li strojno učenje postići bolje rezultate?
„U nekom trenutku, postoji mnogo stvari koje doprinose nelinearno svojstvima materijala, i tada se izgubite“, kaže Taheri-Mousavi. „Uz alate strojnog učenja, oni vas mogu usmjeriti na ono što trebate istražiti, i reći vam, na primjer, da ova dva elementa kontroliraju ovu osobinu. To vam omogućuje da učinkovitije istražujete prostor dizajna.“
Proizvodnja sloj po sloj
U novoj studiji, Taheri-Mousavi nastavila je tamo gdje je Olsonova klasa stala, ovaj put tražeći jači recept za aluminijsku leguru. Ovaj put koristila je tehnike strojnog učenja dizajnirane za učinkovito pretraživanje podataka kao što su svojstva elemenata, kako bi identificirala ključne veze i korelacije koje bi trebale dovesti do poželjnijeg rezultata ili proizvoda.
Otkrila je da, koristeći samo 40 sastava koji miješaju aluminij s različitim elementima, njihov pristup strojnog učenja brzo je došao do recepta za aluminijsku leguru s višim volumenom malih precipitata, a time i većom čvrstoćom, nego što su prethodne studije identificirale. Čvrstoća legure bila je čak i veća od one koju su mogli identificirati nakon simulacije više od milijun mogućnosti bez korištenja strojnog učenja.
Kako bi fizički proizveli ovu novu jaku leguru s malim precipitima, tim je shvatio da bi 3D ispis bio najbolji način umjesto tradicionalnog lijevanja metala, pri čemu se tekući aluminij izlijeva u kalup i ostavlja da se ohladi i stvrdne. Što je duže vrijeme hlađenja, to je vjerojatnije da će pojedini precipitati rasti.
Istraživači su pokazali da 3D ispis, poznat i kao aditivna proizvodnja, može biti brži način hlađenja i stvrdnjavanja aluminijske legure. Konkretno, razmatrali su fuziju praha laserskog sloja (LBPF) — tehniku u kojoj se prah polaže, sloj po sloj, na površinu u željenom uzorku, a zatim se brzo topi laserom koji prati uzorak. Topli uzorak je dovoljno tanak da se brzo stvrdne prije nego što se položi još jedan sloj i slično „ispisuje“. Tim je otkrio da inherentno brzo hlađenje i stvrdnjavanje LBPF-a omogućava malu preciznost, visoko čvrstu aluminijsku leguru koju je njihova metoda strojnog učenja predvidjela.
Prednosti i izazovi nove legure
Nova aluminijska legura donosi brojne prednosti, ali i izazove. Evo nekoliko ključnih točaka:
- Prednosti:
- Izuzetna čvrstoća: Legura je pet puta jača od tradicionalnog aluminija.
- Manja težina: Mogućnost izrade lakših dijelova zrakoplova i drugih proizvoda.
- Otpornost na visoke temperature: Idealna za primjene u ekstremnim uvjetima.
- Fleksibilnost dizajna: 3D ispis omogućava kompleksne oblike i strukture.
- Izazovi:
- Troškovi proizvodnje: Iako je aluminij jeftiniji od titana, troškovi 3D ispisa mogu biti visoki.
- Tehnološka prilagodba: Potrebno je prilagoditi postojeće proizvodne procese za novu leguru.
- Regulatorni izazovi: Potrebna su dodatna istraživanja i odobrenja za korištenje u zrakoplovstvu.
Zaključak
Razvoj nove aluminijske legure pogodna za 3D ispis predstavlja značajan korak naprijed u materijalnoj znanosti i inženjerstvu. Ova legura ne samo da nudi izvanredne performanse, već također otvara vrata novim mogućnostima u industriji zrakoplovstva i drugih sektora. S daljnjim istraživanjima i razvojem, možemo očekivati da će ova tehnologija postati standard u budućnosti.
Česta pitanja (FAQ)
Koje su glavne prednosti nove aluminijske legure?
Nova aluminijska legura nudi izuzetnu čvrstoću, manju težinu, otpornost na visoke temperature i fleksibilnost dizajna zahvaljujući 3D ispisu.
Kako se nova legura proizvodi?
Legura se proizvodi korištenjem 3D ispisa, posebno tehnikom fuzije praha laserskog sloja (LBPF), koja omogućava brzo hlađenje i stvrdnjavanje materijala.
Koje su moguće primjene nove aluminijske legure?
Legura se može koristiti u zrakoplovstvu, automobilskoj industriji, proizvodnji vakuumskih pumpi i uređaja za hlađenje podatkovnih centara.
Postoje li izazovi u korištenju ove legure?
Da, izazovi uključuju troškove proizvodnje, potrebu za prilagodbom postojećih procesa i regulatorne prepreke za korištenje u zrakoplovstvu.
Kako strojno učenje pomaže u razvoju novih legura?
Strojno učenje omogućava brže i učinkovitije pretraživanje mogućih kombinacija materijala, što dovodi do otkrivanja jačih i otpornijih legura.
