Применив методы машинного обучения , инженеры из Массачусетского технологического института разработали новый способ 3D-печати металлических сплавов, позволяющий получать детали, значительно превосходящие по прочности изделия, изготовленные традиционными методами.

Инженеры Массачусетского технологического института создали новый алюминиевый сплав , предназначенный для 3D-печати, который выдерживает высокие температуры и в пять раз прочнее алюминия, изготовленного традиционными методами.

Чтобы найти подходящую формулу, исследователи объединили алюминий с другими элементами и использовали моделирование в сочетании с машинным обучением для сужения круга поиска. Вместо того чтобы проводить моделирование более чем для миллиона потенциальных комбинаций материалов, как это потребовалось бы при традиционных подходах, их метод машинного обучения сократил объем работы всего до 40 вариантов состава. Из них они определили перспективную смесь, предназначенную для получения высокопрочного алюминиевого сплава, пригодного для 3D-печати.

После печати нового сплава и тестирования его характеристик команда обнаружила, что результаты соответствуют их прогнозам. Материал достиг уровня прочности, сопоставимого с самыми прочными алюминиевыми сплавами, которые в настоящее время производятся традиционными методами литья.

Легкая и прочная конструкция для экстремальных условий.

Исследователи предполагают, что из нового алюминия, пригодного для печатной печати, можно будет изготавливать более прочные, легкие и термостойкие изделия, такие как лопатки вентиляторов в реактивных двигателях. Традиционно лопатки вентиляторов отливают из титана — материала, который более чем на 50 процентов тяжелее и до 10 раз дороже алюминия, — или из современных композитных материалов.

«Если мы сможем использовать более легкие и высокопрочные материалы, это позволит значительно сэкономить энергию в транспортной отрасли», — говорит Мохадесе Тахери-Мусави, которая руководила этой работой в качестве постдока в Массачусетском технологическом институте, а сейчас является доцентом в Университете Карнеги-Меллона.

«Поскольку 3D-печать позволяет создавать сложные геометрические формы, экономить материал и разрабатывать уникальные конструкции, мы рассматриваем этот сплав, пригодный для печати, как материал, который также может быть использован в современных вакуумных насосах, автомобилях премиум-класса и системах охлаждения для центров обработки данных», — добавляет Джон Харт, профессор, занимающий должность заведующего кафедрой машиностроения в Массачусетском технологическом институте (MIT).

Харт и Тахери-Мусави подробно описывают новую конструкцию из алюминия, пригодную для 3D-печати, в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials . Соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Майкл Сюй, Клей Хаузер, Шаолу Вэй, Джеймс ЛеБо и Грег Олсон, а также Флориан Хенгсбах и Мирко Шапер из Падерборнского университета в Германии, и Чжаосюань Ге и Бенджамин Глазер из Университета Карнеги-Меллона.

Микроразмер

Новая работа выросла из курса, который Тахери-Мусави посещала в MIT в 2020 году под руководством Грега Олсона, профессора-практика кафедры материаловедения и инженерии. В рамках этого курса студенты изучали использование компьютерного моделирования для проектирования высокоэффективных сплавов. Сплавы — это материалы, состоящие из смеси различных элементов, сочетание которых придает материалу в целом исключительную прочность и другие уникальные свойства.

Олсон предложил студентам разработать алюминиевый сплав, который был бы прочнее самого прочного из когда-либо созданных для 3D-печати алюминиевых сплавов. Как и в случае с большинством материалов, прочность алюминия во многом зависит от его микроструктуры: чем мельче и плотнее расположены его микроскопические составляющие, или «осаждения», тем прочнее будет сплав.

Учитывая это, студенты использовали компьютерное моделирование для методичного сочетания алюминия с различными типами и концентрациями элементов, чтобы смоделировать и предсказать прочность получившегося сплава. Однако упражнение не дало более прочного результата. В конце занятия Тахери-Мусави задался вопросом: а может ли машинное обучение показать лучшие результаты?

«В какой-то момент множество факторов нелинейно влияют на свойства материала, и вы оказываетесь в тупике», — говорит Тахери-Мусави. «Инструменты машинного обучения могут указать вам, на чем нужно сосредоточиться, и, например, сказать, что эти два элемента контролируют ту или иную характеристику. Это позволяет более эффективно исследовать пространство проектирования».

Слой за слоем

В новом исследовании Тахери-Мусави продолжила работу, начатую в классе Олсона, на этот раз стремясь определить более прочный состав алюминиевого сплава. Для этого она использовала методы машинного обучения, разработанные для эффективного анализа данных, таких как свойства элементов, с целью выявления ключевых связей и корреляций, которые должны привести к более желаемому результату или продукту.

Она обнаружила, что, используя всего 40 составов, в которых алюминий смешивался с различными элементами, их подход на основе машинного обучения быстро определил рецепт алюминиевого сплава с более высокой объемной долей мелких осажденных частиц и, следовательно, более высокой прочностью, чем то, что было выявлено в предыдущих исследованиях. Прочность сплава оказалась даже выше, чем та, которую они смогли определить после моделирования более 1 миллиона вариантов без использования машинного обучения.

Для физического получения этого нового прочного сплава с мелкими частицами команда поняла, что 3D-печать — это более подходящий способ, чем традиционное литье металла, при котором расплавленный жидкий алюминий заливается в форму и оставляется для охлаждения и затвердевания. Чем дольше время охлаждения, тем выше вероятность роста отдельных частиц.

Исследователи показали, что 3D-печать, широко известная также как аддитивное производство, может быть более быстрым способом охлаждения и затвердевания алюминиевого сплава. В частности, они рассмотрели лазерное спекание порошка (LBPF) — метод, при котором порошок наносится слой за слоем на поверхность в заданном порядке, а затем быстро расплавляется лазером, который скользит по этому рисунку. Расплавленный рисунок достаточно тонкий, чтобы быстро затвердеть до нанесения следующего слоя и аналогичной «печати». Команда обнаружила, что присущее LBPF быстрое охлаждение и затвердевание позволило получить алюминиевый сплав с мелкими частицами и высокой прочностью, как и предсказывал их метод машинного обучения.

«Иногда нам приходится задумываться о том, как сделать материал совместимым с 3D-печатью», — говорит соавтор исследования Джон Харт. «В данном случае 3D-печать открывает новые возможности благодаря уникальным характеристикам процесса, в частности, высокой скорости охлаждения. Очень быстрое застывание сплава после его расплавления лазером создает этот особый набор свойств».

Проверка прогнозов

Воплощая свою идею в жизнь, исследователи заказали рецептуру порошка для печати, основанную на их новом рецепте алюминиевого сплава. Они отправили порошок — смесь алюминия и пяти других элементов — своим коллегам в Германии, которые напечатали небольшие образцы сплава, используя свою собственную систему LPBF. Затем образцы были отправлены в Массачусетский технологический институт, где команда провела множество испытаний для измерения прочности сплава и получения изображений микроструктуры образцов.

Полученные результаты подтвердили прогнозы, сделанные на основе первоначального поиска с использованием машинного обучения: напечатанный сплав оказался в пять раз прочнее литого аналога и на 50 процентов прочнее сплавов, разработанных с использованием обычных симуляций без машинного обучения. Микроструктура нового сплава также содержала большую объемную долю мелких осажденных частиц и оставалась стабильной при высоких температурах до 400 градусов Цельсия — очень высокой температуре для алюминиевых сплавов.

Исследователи применяют аналогичные методы машинного обучения для дальнейшей оптимизации других свойств сплава.

«Наша методология открывает новые возможности для всех, кто хочет заниматься 3D-печатью сплавов», — говорит Тахери-Мусави. «Моя мечта — чтобы однажды пассажиры, глядя в окно самолета, увидели лопатки вентиляторов двигателей, изготовленные из наших алюминиевых сплавов».

Источник