Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts criaram uma nova liga de alumínio que pode ser impressa em 3D, suportar calor intenso e atingir um nível de resistência que excede em muito o do alumínio convencional. Os testes mostram que este material é cinco vezes mais resistente do que o alumínio fabricado com métodos de fabricação padrão.
A liga é feita combinando o alumínio com diversos outros elementos escolhidos em um processo que combina modelagem computacional 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 determinar a fórmula ideal.
Quando os pesquisadores imprimiram a liga e realizaram 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 um material mais leve e de maior resistência, economizaremos uma quantidade significativa de energia para a indústria de transportes”, diz Mahadeseh Taheri-Mousavi, que liderou a pesquisa quando era estudante de graduação 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 criar geometrias complexas, economizar materiais e criar designs exclusivos, vemos essa liga imprimível como algo que também pode ser usado em bombas de vácuo avançadas, automóveis de última geração e dispositivos de refrigeração para data centers”.
Detalhes da obra aparecem na revista Materiais adicionais. Os co-autores do MIT incluem Michael Xu, Clay Hauser, Shaolu Wei, James Lebo e Greg Olson, com colaboradores adicionais Florian Hengsbach e Mirka Schaper da Universidade de Paderborn na Alemanha, e Zhaoxuan Ge e Benjamin Glaser da Carnegie Mellon University.
Da sala de aula aos materiais inovadores
O projeto decorre de um curso do MIT que Taheri-Mousavi fez em 2020, ministrado por Gregg Olson, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. A aula se concentra no uso de modelagem computacional 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 para impressão que fosse mais resistente do que qualquer liga existente na época. A resistência do alumínio depende em grande parte da sua microestrutura, em particular do tamanho e da densidade de pequenas peças internas chamadas “precipitados”. Precipitados menores e mais compactados geralmente resultam em 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 existentes para impressão. Este resultado levou Taheri-Mousavi a considerar uma abordagem diferente.
“Em algum momento, há muitas coisas que contribuem de forma não linear para as propriedades do material e você se perde”, diz Taheri-Mousavi. “Com ferramentas de aprendizado de máquina, eles podem mostrar onde você precisa se concentrar e dizer, por exemplo, que esses dois elementos impulsionam 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 de onde o projeto da turma parou, aplicando técnicas de aprendizado de máquina para encontrar uma liga de alumínio mais forte. Essas ferramentas examinaram dados de propriedades elementares para revelar padrões e relacionamentos que a modelagem tradicional muitas vezes deixa passar.
Depois de 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 nas tentativas anteriores. Essa estrutura se traduziu diretamente em maior robustez, superando os resultados de 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 resfriá-lo lentamente. Tempos de resfriamento mais longos permitem que a precipitação aumente, 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 a laser (LBPF), um processo no qual camadas de pó metálico são derretidas seletivamente por um laser e solidificadas rapidamente antes que a próxima camada seja adicionada. Este congelamento rápido preserva a estrutura fina dos sedimentos prevista pelo modelo de aprendizado de máquina.
“Às vezes temos que pensar em como tornar o material compatível com a impressão 3D”, diz Hart. “Aqui, a impressão 3D abre novas possibilidades devido às características únicas do processo – em particular, a rápida taxa de resfriamento. O congelamento muito rápido da liga após ter sido derretida pelo laser produz este conjunto especial de propriedades.”
Testes confirmam durabilidade recorde
Para validar seu projeto, os pesquisadores encomendaram um lote de pó metálico para ser impresso com base na nova fórmula da liga. O pó – feito de alumínio combinado com cinco elementos adicionais – foi enviado para funcionários na Alemanha, que imprimiram pequenas amostras de teste usando seu equipamento LPBF.
Essas 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 era cinco vezes mais resistente do que uma versão fundida do mesmo material e 50% mais resistente do que as ligas de alumínio desenvolvidas apenas com modelagem convencional.
A imagem microscópica revelou uma densa população de precipitados finos, 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 melhorar outras propriedades da liga.
“Nossa metodologia abre novas portas para quem deseja imprimir designs de ligas em 3D”, diz Taheri-Mousavi. “Sonho que um dia os passageiros, olhando pela janela de suas aeronaves, verão as pás dos ventiladores de nossos motores feitas de ligas de alumínio.”
