A Liga Impressa em 3D

A liga é produzida pela combinação de alumínio com vários outros elementos, escolhidos através de um processo que mescla simulações computacionais com aprendizado de máquina. Essa abordagem reduziu dramaticamente a busca pela receita correta. Métodos tradicionais teriam exigido 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 identificar a fórmula ideal.

Quando os pesquisadores imprimiram a liga e a submeteram a testes mecânicos, os resultados correspondiam às suas previsões. O metal impresso teve desempenho equivalente ao das ligas de alumínio mais fortes atualmente produzidas por meio de fundição tradicional.

Um Metal Mais Leve com Grande Potencial Industrial

A equipe acredita que o novo alumínio imprimível poderá levar à criação de componentes mais fortes, leves e resistentes ao calor, incluindo lâminas de ventiladores para motores a jato. Hoje, essas lâminas são tipicamente feitas de titânio — que é mais de 50% mais pesado e pode custar até 10 vezes mais que o alumínio — ou de materiais compostos 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 vão muito além da aviação. “Como a impressão 3D pode produzir geometrias complexas, economizar material e permitir designs únicos, vemos essa liga imprimível como algo que também pode ser usado em bombas de vácuo avançadas, automóveis de alto padrão e dispositivos de refrigeração para centros de dados.”

Os 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.

Da Desafio em Sala de Aula à Revolução em Materiais

O projeto tem suas raízes em um curso do MIT que Taheri-Mousavi fez em 2020, ensinado por Greg Olson, professor visitante do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. A aula se concentrou no uso de 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 desenvolver uma liga de alumínio imprimível mais forte do que qualquer uma que existisse na época. A resistência do alumínio depende fortemente de sua microestrutura, particularmente do tamanho e densidade de pequenas características internas chamadas “precipitados”. Precipitados menores e mais densamente empacotados geralmente resultam em um metal mais forte.

Os alunos utilizaram simulações para testar diferentes combinações de elementos e concentrações, tentando prever quais misturas produziriam a liga mais forte. Apesar da modelagem extensiva, o esforço não superou os designs existentes de alumínio imprimíveis. 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 apontar onde você precisa se concentrar e dizer, por exemplo, que esses dois elementos estão controlando essa característica. Isso permite explorar o espaço de design de maneira mais eficiente.”

Usando Aprendizado de Máquina para Redesenhar o Alumínio

No novo estudo, Taheri-Mousavi pegou onde o projeto da classe havia terminado, aplicando métodos de aprendizado de máquina para buscar uma liga de alumínio mais forte. Essas ferramentas passaram por dados sobre propriedades elementares 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 resultados obtidos a partir de mais de 1 milhão de simulações realizadas sem aprendizado de máquina.

Para criar a liga, os pesquisadores recorreram à impressão 3D em vez da fundição convencional, que envolve derramar alumínio fundido em um molde e deixar esfriar lentamente. Tempos de resfriamento mais longos permitem que os precipitados cresçam, 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 se concentraram na fusão de pó a laser (LBPF), um processo em que camadas de pó metálico são seletivamente derretidas por um laser e solidificadas rapidamente antes que a próxima camada seja adicionada. Esse congelamento rápido preserva a fina estrutura de precipitados prevista pelo modelo de aprendizado de máquina.

“Às vezes, temos que pensar em como tornar um material 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 a Força Recorde

Para validar seu design, os pesquisadores solicitaram 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 a 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 que uma versão fundida do mesmo material e 50% mais forte que ligas de alumínio projetadas usando simulações convencionais sozinhas.

Imagens microscópicas revelaram uma população densa de pequenos precipitados, e a liga permaneceu estável a temperaturas de até 400 graus Celsius — um limite incomummente alto para materiais à base de alumínio.

A equipe de pesquisa agora está aplicando as mesmas técnicas de aprendizado de máquina para refinar outras propriedades da liga.

“Nossa metodologia abre novas portas para quem deseja fazer design de ligas para impressão 3D”, diz Taheri-Mousavi. “Meu sonho é que um dia, os passageiros que olham pela janela do avião vejam lâminas de ventiladores de motores feitas com nossas ligas de alumínio.”