Engenheiros do MIT desenvolveram uma liga de alumínio imprimível que pode suportar altas temperaturas e é cinco vezes mais forte que o alumínio fabricado tradicionalmente.

O novo metal imprimível é feito de uma mistura de alumínio e outros elementos que a equipe identificou usando uma combinação de simulações e aprendizado de máquina, o que reduziu significativamente o número de combinações possíveis de materiais a serem pesquisadas. Enquanto os métodos tradicionais exigiriam a simulação de mais de 1 milhão de combinações possíveis de materiais, a nova abordagem da equipe, baseada em aprendizado de máquina, precisou apenas avaliar 40 composições possíveis antes de identificar uma mistura ideal para uma liga de alumínio imprimível de alta resistência.

Quando imprimiram a liga e testaram o material resultante, a equipe confirmou que, como previsto, a liga de alumínio era tão forte quanto as ligas de alumínio mais fortes fabricadas hoje usando métodos de fundição tradicionais.

Os pesquisadores preveem que o novo alumínio imprimível poderá ser transformado em produtos mais fortes, leves e resistentes à temperatura, como as pás de ventiladores de motores a jato. As pás são tradicionalmente fundidas em titânio — um material mais de 50% mais pesado e até 10 vezes mais caro que o alumínio — ou feitas de compósitos avançados.

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

“Como a impressão 3D pode produzir geometrias complexas, economizar material e permitir 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 resfriamento para data centers”, acrescenta John Hart, professor da turma de 1922 e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

Hart e Taheri-Mousavi fornecem detalhes sobre o novo design de alumínio imprimível em um artigo publicado na revista Advanced Materials . Os coautores do artigo no MIT incluem Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau e Greg Olson, além de Florian Hengsbach e Mirko Schaper, da Universidade de Paderborn, na Alemanha, e Zhaoxuan Ge e Benjamin Glaser, da Universidade Carnegie Mellon.

O novo trabalho surgiu de uma aula do MIT que Taheri-Mousavi fez em 2020, ministrada por Greg Olson, professor de prática no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Como parte da aula, os alunos aprenderam a usar simulações computacionais para projetar ligas de alto desempenho. Ligas são materiais feitos de uma mistura de diferentes elementos, cuja combinação confere resistência excepcional e outras propriedades únicas ao material como um todo.

Olson desafiou a turma a projetar uma liga de alumínio que fosse mais resistente do que a liga de alumínio imprimível mais resistente já projetada. Como acontece com a maioria dos materiais, a resistência do alumínio depende em grande parte de sua microestrutura: quanto menores e mais densamente compactados forem seus constituintes microscópicos, ou "precipitados", mais resistente será a liga.

Com isso em mente, a turma utilizou simulações computacionais para combinar metodicamente alumínio com vários tipos e concentrações de elementos, a fim de simular e prever a resistência da liga resultante. No entanto, o exercício não produziu um resultado mais consistente. Ao final da aula, Taheri-Mousavi se perguntou: o aprendizado de máquina poderia fazer melhor?

No novo estudo, Taheri-Mousavi deu continuidade ao trabalho da turma de Olson, desta vez buscando identificar uma receita mais robusta para a liga de alumínio. Desta vez, ela utilizou técnicas de aprendizado de máquina projetadas para analisar com eficiência dados como as propriedades dos elementos, a fim de identificar conexões e correlações essenciais que levariam a um resultado ou produto mais desejável.

Ela descobriu que, usando apenas 40 composições misturando alumínio com diferentes elementos, sua abordagem de aprendizado de máquina rapidamente se concentrou em uma receita para uma liga de alumínio com maior fração volumétrica de pequenos precipitados e, portanto, maior resistência do que a identificada em estudos anteriores. A resistência da liga foi ainda maior do que a que eles conseguiram identificar após simular mais de 1 milhão de possibilidades sem usar aprendizado de máquina.

Para produzir fisicamente essa nova liga resistente e com pequena quantidade de precipitado, a equipe percebeu que a impressão 3D seria a solução ideal, em vez da fundição tradicional de metal, na qual o alumínio líquido derretido é despejado em um molde e deixado para esfriar e endurecer. Quanto maior o tempo de resfriamento, maior a probabilidade de o precipitado individual crescer.

Os pesquisadores demonstraram que a impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, pode ser uma maneira mais rápida de resfriar e solidificar a liga de alumínio. Especificamente, eles consideraram a fusão de pó em leito a laser (LBPF) — uma técnica pela qual um pó é depositado, camada por camada, sobre uma superfície em um padrão desejado e, em seguida, rapidamente derretido por um laser que traça sobre o padrão. O padrão derretido é fino o suficiente para solidificar rapidamente antes que outra camada seja depositada e similarmente "impressa". A equipe descobriu que o resfriamento e a solidificação inerentemente rápidos da LBPF possibilitaram a obtenção da liga de alumínio de alta resistência e com precipitado pequeno, prevista por seu método de aprendizado de máquina.

“Às vezes, precisamos pensar em como tornar um material compatível com a impressão 3D”, diz o coautor do estudo, John Hart. “Aqui, a impressão 3D abre uma nova porta devido às características únicas do processo — em particular, a rápida taxa de resfriamento. O congelamento muito rápido da liga após sua fusão pelo laser cria esse conjunto especial de propriedades.”

Colocando a ideia em prática, os pesquisadores encomendaram uma formulação de pó imprimível, com base na nova fórmula da liga de alumínio. Eles enviaram o pó — uma mistura de alumínio e cinco outros elementos — para colaboradores na Alemanha, que imprimiram pequenas amostras da liga usando seu sistema LPBF interno. As amostras foram então enviadas ao MIT, onde a equipe realizou diversos testes para medir a resistência da liga e obter imagens da microestrutura das amostras.

Os resultados confirmaram as previsões feitas pela busca inicial por aprendizado de máquina: a liga impressa era cinco vezes mais resistente do que uma liga fundida e 50% mais resistente do que ligas projetadas usando simulações convencionais sem aprendizado de máquina. A microestrutura da nova liga também consistia em uma fração volumétrica maior de pequenos precipitados e era estável em altas temperaturas de até 400 graus Celsius — uma temperatura muito alta para ligas de alumínio.

Os pesquisadores estão aplicando técnicas semelhantes de aprendizado de máquina para otimizar ainda mais outras propriedades da liga.

“Nossa metodologia abre novas portas para qualquer pessoa que queira projetar ligas por impressão 3D”, diz Taheri-Mousavi. “Meu sonho é que um dia, os passageiros que olharem pela janela do avião vejam as pás dos ventiladores dos motores feitas com nossas ligas de alumínio.”

Este trabalho foi realizado, em parte, usando os recursos de caracterização do MIT.nano.