MIT-Ingenieure haben eine druckbare Aluminiumlegierung entwickelt, die hohen Temperaturen standhält und fünfmal stärker ist als herkömmlich hergestelltes Aluminium.
Das neue druckbare Metall besteht aus einer Mischung aus Aluminium und anderen Elementen, die das Staff mithilfe einer Kombination aus Simulationen und maschinellem Lernen identifiziert hat, wodurch die Anzahl der möglichen Kombinationen von zu durchsuchenden Materialien erheblich reduziert wurde. Während herkömmliche Methoden die Simulation von über einer Million möglicher Materialkombinationen erfordern würden, musste das Staff mit dem neuen, auf maschinellem Lernen basierenden Ansatz nur 40 mögliche Zusammensetzungen bewerten, bevor eine ideale Mischung für eine hochfeste, druckbare Aluminiumlegierung ermittelt werden konnte.
Als sie die Legierung druckten und das resultierende Materials testeten, bestätigte das Staff, dass die Aluminiumlegierung wie vorhergesagt genauso stark struggle wie die stärksten Aluminiumlegierungen, die heute mit traditionellen Gussverfahren hergestellt werden.
Die Forscher stellen sich vor, dass das neue druckbare Aluminium zu stärkeren, leichteren und temperaturbeständigeren Produkten verarbeitet werden könnte, beispielsweise zu Lüfterblättern in Düsentriebwerken. Lüfterflügel werden traditionell aus Titan gegossen – einem Materials, das mehr als 50 Prozent schwerer und bis zu zehnmal teurer als Aluminium ist – oder aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen hergestellt.
„Wenn wir leichteres, hochfestes Materials verwenden könnten, würde dies der Transportindustrie eine beträchtliche Menge Energie einsparen“, sagt Mohadeseh Taheri-Mousavi, der die Arbeit als Postdoktorand am MIT leitete und jetzt Assistenzprofessor an der Carnegie Mellon College ist.
„Da der 3D-Druck komplexe Geometrien erzeugen, Materials einsparen und einzigartige Designs ermöglichen kann, sehen wir diese druckbare Legierung als etwas, das auch in fortschrittlichen Vakuumpumpen, Excessive-Finish-Automobilen und Kühlgeräten für Rechenzentren verwendet werden könnte“, fügt John Hart, Professor der Klasse von 1922 und Leiter der Abteilung für Maschinenbau am MIT, hinzu.
Hart und Taheri-Mousavi liefern Particulars zum neuen druckbaren Aluminiumdesign in einem in der Zeitschrift veröffentlichtes Papier Fortschrittliche Materialien. Zu den MIT-Co-Autoren des Papiers gehören Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau und Greg Olson sowie Florian Hengsbach und Mirko Schaper von der Universität Paderborn in Deutschland sowie Zhaoxuan Ge und Benjamin Glaser von der Carnegie Mellon College.
Mikrogröße
Die neue Arbeit entstand aus einem MIT-Kurs, den Taheri-Mousavi im Jahr 2020 belegte und der von Greg Olson, Professor für die Praxis am Division of Supplies Science and Engineering, unterrichtet wurde. Im Rahmen des Kurses lernten die Studierenden, mithilfe von Computersimulationen Hochleistungslegierungen zu entwerfen. Legierungen sind Materialien, die aus einer Mischung verschiedener Elemente bestehen, deren Kombination dem Materials als Ganzes außergewöhnliche Festigkeit und andere einzigartige Eigenschaften verleiht.
Olson forderte die Klasse auf, eine Aluminiumlegierung zu entwerfen, die stärker ist als die stärkste bisher entwickelte druckbare Aluminiumlegierung. Wie bei den meisten Materialien hängt die Festigkeit von Aluminium zu einem großen Teil von seiner Mikrostruktur ab: Je kleiner und dichter die mikroskopischen Bestandteile oder „Ausscheidungen“ gepackt sind, desto stärker ist die Legierung.
Vor diesem Hintergrund kombinierte die Klasse mithilfe von Computersimulationen Aluminium methodisch mit verschiedenen Arten und Konzentrationen von Elementen, um die Festigkeit der resultierenden Legierung zu simulieren und vorherzusagen. Die Übung führte jedoch nicht zu einem stärkeren Ergebnis. Am Ende des Kurses fragte sich Taheri-Mousavi: Könnte maschinelles Lernen besser sein?
„Irgendwann gibt es viele Dinge, die nichtlinear zu den Eigenschaften eines Supplies beitragen, und dann ist man verloren“, sagt Taheri-Mousavi. „Mit Instruments für maschinelles Lernen können sie Sie darauf hinweisen, worauf Sie sich konzentrieren müssen, und Ihnen beispielsweise sagen, dass diese beiden Elemente diese Funktion steuern. Dadurch können Sie den Designraum effizienter erkunden.“
Schicht für Schicht
In der neuen Studie machte Taheri-Mousavi dort weiter, wo Olsons Kurs aufgehört hatte, und versuchte dieses Mal, ein stärkeres Rezept für eine Aluminiumlegierung zu finden. Dieses Mal nutzte sie Techniken des maschinellen Lernens, um Daten wie die Eigenschaften von Elementen effizient zu durchsuchen und wichtige Verbindungen und Korrelationen zu identifizieren, die zu einem wünschenswerteren Ergebnis oder Produkt führen sollten.
Sie fand heraus, dass ihr maschineller Lernansatz durch die Verwendung von nur 40 Zusammensetzungen, in denen Aluminium mit verschiedenen Elementen gemischt wurde, schnell zu einem Rezept für eine Aluminiumlegierung mit einem höheren Volumenanteil kleiner Ausscheidungen und damit höherer Festigkeit führte, als dies in früheren Studien festgestellt wurde. Die Festigkeit der Legierung struggle sogar höher als das, was sie nach der Simulation von über 1 Million Möglichkeiten ohne maschinelles Lernen ermitteln konnten.
Um diese neue starke Legierung mit kleinen Ausscheidungen physisch herzustellen, erkannte das Staff, dass 3D-Druck anstelle des herkömmlichen Metallgusses, bei dem geschmolzenes flüssiges Aluminium in eine Kind gegossen und abkühlen und aushärten gelassen wird, der richtige Weg wäre. Je länger diese Abkühlzeit ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass der einzelne Niederschlag wächst.
Die Forscher zeigten, dass der 3D-Druck, allgemein auch als additive Fertigung bekannt, eine schnellere Möglichkeit sein kann, die Aluminiumlegierung abzukühlen und zu verfestigen. Konkret erwogen sie die Laserbett-Pulverschmelzung (LBPF) – eine Technik, bei der ein Pulver Schicht für Schicht in einem gewünschten Muster auf einer Oberfläche aufgetragen und dann schnell von einem Laser geschmolzen wird, der das Muster nachzeichnet. Das geschmolzene Muster ist dünn genug, dass es schnell erstarrt, bevor eine weitere Schicht aufgetragen und auf ähnliche Weise „gedruckt“ wird. Das Staff stellte fest, dass die von Natur aus schnelle Abkühlung und Erstarrung von LBPF die hochfeste Aluminiumlegierung mit kleinen Ausscheidungen ermöglichte, die ihre maschinelle Lernmethode vorhergesagt hatte.
„Manchmal müssen wir darüber nachdenken, wie wir ein Materials mit dem 3D-Druck kompatibel machen“, sagt John Hart, Co-Autor der Studie. „Hier öffnet der 3D-Druck aufgrund der einzigartigen Eigenschaften des Prozesses – insbesondere der schnellen Abkühlrate – neue Türen. Durch das sehr schnelle Erstarren der Legierung nach dem Schmelzen durch den Laser entstehen diese besonderen Eigenschaften.“
Um ihre Idee in die Tat umzusetzen, bestellten die Forscher eine Formulierung aus druckbarem Pulver, basierend auf ihrer neuen Aluminiumlegierungsrezeptur. Sie schickten das Pulver – eine Mischung aus Aluminium und fünf anderen Elementen – an Mitarbeiter in Deutschland, die mit ihrem hauseigenen LPBF-System kleine Proben der Legierung druckten. Anschließend wurden die Proben an das MIT geschickt, wo das Staff mehrere Assessments durchführte, um die Festigkeit der Legierung zu messen und die Mikrostruktur der Proben abzubilden.
Ihre Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen ihrer anfänglichen maschinellen Lernsuche: Die gedruckte Legierung struggle fünfmal stärker als ein gegossenes Gegenstück und 50 Prozent stärker als Legierungen, die mit herkömmlichen Simulationen ohne maschinelles Lernen entworfen wurden. Die Mikrostruktur der neuen Legierung bestand außerdem aus einem höheren Volumenanteil kleiner Ausscheidungen und struggle bei hohen Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius stabil – einer für Aluminiumlegierungen sehr hohen Temperatur.
Die Forscher wenden ähnliche Techniken des maschinellen Lernens an, um andere Eigenschaften der Legierung weiter zu optimieren.
„Unsere Methodik öffnet neue Türen für jeden, der Legierungsdesign im 3D-Druck betreiben möchte“, sagt Taheri-Mousavi. „Mein Traum ist, dass eines Tages Passagiere, die aus ihrem Flugzeugfenster schauen, Lüfterflügel von Triebwerken sehen werden, die aus unseren Aluminiumlegierungen hergestellt sind.“
Diese Arbeit wurde teilweise mit den Charakterisierungseinrichtungen von MIT.nano durchgeführt.