Kluczową innowacją w dążeniu do opracowania aluminium drukowanego w 3D okazało się połączenie uczenia maszynowego z zaawansowanymi technikami wytwarzania. Efekt takiego połączenia? Nowy materiał wykazuje pięciokrotnie większą wytrzymałość niż aluminium produkowane tradycyjnymi metodami i zachowuje stabilność nawet w ekstremalnych warunkach termicznych, bo do temperatury rzędu 400 stopni Celsjusza. To niezwykle wysoka temperatura, jak na stopy aluminium, co z kolei sugeruje potencjalne zastosowania w znacznie bardziej wymagających środowiskach.
Opracowane przez sztuczną inteligencję aluminium z drukarki ma zmienić nasz świat
Konkretne parametry techniczne tego aluminium drukowanego w 3D robią wrażenie, bo osiągnął on wytrzymałość na rozciąganie 395 MPa po ośmiogodzinnym procesie starzenia, który był przeprowadzany w temperaturze aż 400°C. Dla porównania, jego odlewany odpowiednik okazał się pięć razy słabszy, a nawet najlepsze dotychczasowe stopy aluminium do druku 3D ustępują mu o dobre 50%. Równie imponująco prezentuje się twardość na poziomie 200 HV, co oznacza, że jest o połowę wyższa niż w standardowych stopach do wytwarzania przyrostowego.
Czytaj też: Airbus drukuje przyszłość lotnictwa, aby rozwiązać kluczowy problem obiecujących samolotów
Co szczególnie ważne, nowy materiał rozwiązuje jeden z najpoważniejszych problemów druku 3D metalami, czyli pękanie na gorąco. Jego wskaźnik podatności na to zjawisko wynosi zaledwie 0,05, podczas gdy w przypadku problematycznego stopu Al 7075 wartość ta sięga 1,13. To różnica, która może zdecydować o praktycznym zastosowaniu technologii, więc pozostaje najważniejsze pytanie – dlaczego to akurat aluminium jest tak wyjątkowe?
Unikalna mikrostruktura kluczem
Wyjątkowa wytrzymałość nowego stopu wynika z jego unikalnej mikrostruktury. Szybkie krzepnięcie podczas druku 3D metodą laserowego stapiania proszków tworzy regularne rozmieszczenie nanocząsteczkowych wytrąceń o średnim promieniu zaledwie 0,70 nanometra. Podczas procesu druku powstają początkowo metastabilne fazy trójskładnikowe, które następnie przekształcają się w nanometryczne fazy odpowiadające za niezwykłe właściwości mechaniczne.
Czytaj też: Budownictwo przyszłości już istnieje i ma sześć nóg. Robot Charlotte buduje domy w 24 godziny
Następnie szybkie tempo chłodzenia charakterystyczne dla technologii LBPF pozwala na “zamrożenie” pożądanej struktury krystalicznej, a tak się składa, że ten efekt byłby niemożliwy do osiągnięcia tradycyjnymi metodami odlewania, gdzie proces stygnięcia przebiega znacznie wolniej. Właśnie ta specyfika druku 3D umożliwiła stworzenie materiału o właściwościach niedostępnych wcześniej dla aluminium.
Potęga sztucznej inteligencji w materiałoznawstwie ponownie daje o sobie znać
Metoda opracowana przez zespół z MIT pokazuje, jak sztuczna inteligencja może zrewolucjonizować projektowanie materiałów. Tradycyjne podejście poszukiwania takiego materiału wymagałoby bowiem przeanalizowania ponad miliona kombinacji pierwiastków, ale algorytmy uczenia maszynowego ograniczyły tę liczbę do zaledwie 40 najbardziej obiecujących kompozycji. Jak to się stało? Ano tak, że naukowcy zastosowali hybrydowe algorytmy łączące metodę CALPHAD z optymalizacją bayesowską.
Czytaj też: Najważniejszy samolot USA przyłapany w locie. Jakie tajemnice skrywa nietypowe wydanie?
Sieci neuronowe modelowały właściwości materiałów, podczas gdy algorytmy optymalizacyjne wskazywały kierunki dalszych badań. Tego typu podejście pozwoliło na efektywne przeszukiwanie przestrzeni projektowej i identyfikację kluczowych elementów kontrolujących właściwości stopu.
Jakie sektory może zrewolucjonizować to drukowane aluminium?
Jeśli chodzi o potencjalne zastosowania, to ten materiał opisany w czasopiśmie Advanced Materials mógłby znaleźć użytek w produkcji łopat wentylatorów silników odrzutowych, które obecnie wykonuje się z tytanu, czyli materiału o 50% cięższego i do dziesięciu razy droższego od aluminium. Wykorzystanie lżejszego stopu mogłoby przynieść znaczące oszczędności paliwa w lotnictwie. Inne możliwe obszary wykorzystania obejmują zaawansowane pompy próżniowe, komponenty wysokiej klasy samochodów, urządzenia chłodzące dla centrów danych oraz części silników spalinowych.