Engenheiros do MIT criaram uma nova liga de alumínio que pode ser impressa em 3D, tolera temperaturas extremas e atinge níveis de resistência muito além do alumínio convencional. Testes mostram que o material é cinco vezes mais forte do que o alumínio produzido com técnicas de manufatura padrão.
A liga é produzida pela combinação de alumínio com vários outros elementos, escolhidos por meio de um processo que combina simulações computacionais com aprendizado de máquina. Essa abordagem reduziu drasticamente a busca pela receita certa. Métodos tradicionais teriam exigido a avaliação de mais de 1 milhão de possíveis combinações de materiais, mas o modelo de aprendizado de máquina reduziu esse número para apenas 40 opções promissoras antes de identificar a fórmula ideal.
Quando os pesquisadores imprimiram a liga e a submeteram a testes mecânicos, os resultados corresponderam às suas previsões. O metal impresso teve desempenho equivalente ao dos mais fortes alumínios associados atualmente produzidos através de moldagem tradicional.
Um Metal Mais Leve com Grande Potencial Industrial
A equipe acredita que o novo alumínio imprimível pode levar a componentes mais fortes, leves e mais resistentes ao calor, incluindo lâminas de ventiladores para motores de jatos. Atualmente, essas lâminas são tipicamente feitas de titânio – que é mais de 50% mais pesado e pode custar até 10 vezes mais do que o alumínio – ou de materiais compósitos avançados.
“Se pudermos usar um material leve e de alta resistência, isso economizaria uma quantidade considerável de energia para a indústria de transporte,” diz Mohadeseh Taheri-Mousavi, que liderou a pesquisa como pós-doutoranda no MIT e agora é professora assistente na Universidade Carnegie Mellon.
John Hart, professor da Classe de 1922 e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, afirma que os benefícios se estendem muito além da aviação. “Como a impressão 3D pode produzir geometrias complexas, economizar material e possibilitar designs únicos, vemos esta liga imprimível como algo que poderia ser utilizado em bombas de vácuo avançadas, automóveis de alto padrão e dispositivos de refrigeração para centros de dados.”
Detalhes do trabalho aparecem na revista Advanced Materials. Os co-autores do MIT incluem Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau e Greg Olson, com colaboradores adicionais Florian Hengsbach e Mirko Schaper da Universidade de Paderborn na Alemanha, e Zhaoxuan Ge e Benjamin Glaser da Universidade Carnegie Mellon.
Do Desafio na Sala de Aula à Inovação em Materiais
O projeto tem suas raízes em um curso do MIT que Taheri-Mousavi fez em 2020, ministrado por Greg Olson, professor da prática no Departamento de Ciência e Engenharia dos Materiais. A aula teve foco em usar simulações computacionais para projetar ligas de alto desempenho. As ligas são feitas pela combinação de múltiplos elementos, e a mistura específica determina a resistência e outras propriedades-chave.
Olson desafiou os alunos a desenvolverem uma liga de alumínio imprimível que fosse mais forte do que qualquer uma existente na época. A resistência do alumínio depende fortemente de sua microestrutura, particularmente do tamanho e da densidade de pequenos recursos internos chamados “precipitados”. Quanto menores e mais próximos estiverem os precipitados, maior será a resistência do metal.
Os alunos usaram simulações para testar diferentes combinações de elementos e concentrações, tentando prever quais misturas produziriam a liga mais forte. Apesar da modelagem extensa, o esforço não superou os designs de alumínio imprimíveis existentes. Esse resultado levou Taheri-Mousavi a considerar uma abordagem diferente.
“Em algum momento, há muitas coisas que contribuem de forma não linear para as propriedades de um material, e você se perde,” diz Taheri-Mousavi. “Com ferramentas de aprendizado de máquina, elas podem indicar onde você precisa se concentrar e dizer, por exemplo, que esses dois elementos estão controlando esse recurso. Isso permite explorar o espaço de design de maneira mais eficiente.”
Usando Aprendizado de Máquina para Redesenhar o Alumínio
No novo estudo, Taheri-Mousavi deu continuidade ao que o projeto da aula havia concluído, aplicando métodos de aprendizado de máquina para buscar uma liga de alumínio mais forte. Essas ferramentas analisaram dados sobre propriedades dos elementos para descobrir padrões e relações que simulações tradicionais muitas vezes perdem.
Ao 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 tentativas anteriores. Essa estrutura se traduziu diretamente em maior resistência, superando os resultados obtidos 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 de fundição convencional, que envolve o derramamento de alumínio fundido em um molde e permitindo que ele esfrie lentamente. Tempos de resfriamento mais longos permitem que os precipitados cresçam maiores, o que reduz a resistência.
A equipe demonstrou que a fabricação aditiva, também conhecida como impressão 3D, permite que o metal esfrie e solidifique muito mais rapidamente. Eles focaram na fusão de pó por laser (LBPF), um processo no qual camadas de pó metálico são derretidas seletivamente por um laser e solidificam rapidamente antes que a próxima camada seja adicionada. Esse congelamento rápido preserva a estrutura fina dos precipitados prevista pelo modelo de aprendizado de máquina.
“Às vezes temos que pensar em como fazer um material ser compatível com a impressão 3D,” diz Hart. “Aqui, a impressão 3D abre uma nova porta por causa das características únicas do processo – particularmente, a taxa de resfriamento rápida. O congelamento muito rápido da liga após ser derretida pelo laser cria esse conjunto especial de propriedades.”
Testes Confirmam Resistência Recorde
Para validar seu design, os pesquisadores encomendaram um lote de pó metálico imprimível com base na nova fórmula da liga. O pó – feito de alumínio combinado com cinco elementos adicionais – foi enviado para colaboradores 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 análises microscópicas. Os resultados confirmaram as previsões do aprendizado de máquina. A liga impressa era cinco vezes mais forte do que uma versão fundida do mesmo material e 50% mais forte do que ligas de alumínio projetadas apenas com simulações convencionais.
Imagens microscópicas revelaram uma densa população de pequenos precipitados, 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 refinar outras propriedades da liga.
“Nossa metodologia abre novas portas para qualquer pessoa que queira fazer design de ligas para impressão 3D,” diz Taheri-Mousavi. “Meu sonho é que um dia, os passageiros olhando pela janela do avião vejam lâminas de ventiladores de motores feitas de nossas ligas de alumínio.”