Additive Fertigung Eine druckbare Aluminiumlegierung, die außergewöhnlich fest ist

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Mithilfe von maschinellem Lernen haben Ingenieure des MIT eine Methode entwickelt, um eine Aluminiumlegierung im 3D-Druck herzustellen, die wesentlich fester sind als herkömmlich gefertigte Versionen.

Ingenieure des MIT haben eine druckbare Aluminiumlegierung entwickelt, die hohen Temperaturen standhält und fünfmal fester ist als herkömmlich gefertigtes Aluminium.

Das neue druckbare Metall besteht aus einer Mischung aus Aluminium und anderen Elementen, die das Team mithilfe einer Kombination aus Simulationen und maschinellem Lernen identifiziert hat, wodurch die Anzahl der möglichen Materialkombinationen, die durchsucht werden mussten, erheblich reduziert wurde. Während bei herkömmlichen Methoden über 1 Million mögliche Materialkombinationen simuliert werden müssten, musste der neue, auf maschinellem Lernen basierende Ansatz des Teams nur 40 mögliche Zusammensetzungen bewerten, bevor die ideale Mischung für eine hochfeste, druckbare Aluminiumlegierung identifiziert werden konnte.

Druckbare Aluminiumlegierung besteht den Vergleich mit in Gussverfahren gefertigten Legierungen

Als sie die Legierung druckten und das resultierende Material testeten, bestätigte das Team, dass die Aluminiumlegierung wie vorhergesagt genauso fest war wie die stärksten Aluminiumlegierungen, die heute mit traditionellen Gussverfahren hergestellt werden.

Die Forscher gehen davon aus, dass das neue druckbare Aluminium zu stärkeren, leichteren und temperaturbeständigeren Produkten verarbeitet werden könnte, beispielsweise zu Ventilatorflügeln in Düsentriebwerken. Ventilatorflügel werden traditionell aus Titan gegossen – einem Material, das mehr als 50 Prozent schwerer und bis zu zehnmal teurer ist als Aluminium – oder aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen hergestellt.

„Wenn wir leichteres, hochfestes Material verwenden können, würde dies der Transportindustrie erhebliche Energieeinsparungen bringen“, sagt Mohadeseh Taheri-Mousavi, die die Arbeit als Postdoktorandin am MIT leitete und jetzt Assistenzprofessorin an der Carnegie Mellon University ist.

„Da der 3D-Druck komplexe Geometrien ermöglichen, Material sparen und einzigartige Designs ermöglichen, sehen wir diese druckbare Legierung als etwas, das auch in fortschrittlichen Vakuumpumpen, High-End-Automobilen und Kühlgeräten für Rechenzentren eingesetzt werden könnte“, fügt John Hart hinzu, Professor der Klasse von 1922 und Leiter des Fachbereichs Maschinenbau am MIT.

Hart und Taheri-Mousavi liefern Details zu dem neuen druckbaren Aluminiumdesign in einem Artikel, der in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde. Zu den Mitautoren des Artikels vom MIT gehören Michael Xu, Clay Houser, Shaolou Wei, James LeBeau und Greg Olson sowie Florian Hengsbach und Mirko Schaper von der Universität Paderborn in Deutschland und Zhaoxuan Ge und Benjamin Glaser von der Carnegie Mellon University.

Mikro-Dimensionierung

Die neue Arbeit entstand aus einem MIT-Kurs, den Taheri-Mousavi 2020 bei Greg Olson, Professor für Praxis im Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, belegte. Im Rahmen des Kurses lernten die Studierenden, mithilfe von Computersimulationen hochleistungsfähige Legierungen zu entwerfen. Legierungen sind Materialien, die aus einer Mischung verschiedener Elemente bestehen, deren Kombination dem Material insgesamt eine außergewöhnliche Festigkeit und andere einzigartige Eigenschaften verleiht.

Olson stellte die Klasse vor die Herausforderung, eine Aluminiumlegierung zu entwerfen, die stärker ist als die bisher stärkste druckbare Aluminiumlegierung. Wie bei den meisten Materialien hängt die Festigkeit von Aluminium weitgehend von seiner Mikrostruktur ab: Je kleiner und dichter seine mikroskopischen Bestandteile, die sogenannten „Ausscheidungen“, sind, desto fester ist die Legierung.

Vor diesem Hintergrund kombinierte die Klasse mithilfe von Computersimulationen systematisch Aluminium mit verschiedenen Arten und Konzentrationen von Elementen, um die Festigkeit der resultierenden Legierung zu simulieren und vorherzusagen. Die Übung führte jedoch nicht zu einem besseren Ergebnis. Am Ende des Kurses fragte sich Taheri-Mousavi: Könnte maschinelles Lernen hier bessere Ergebnisse erzielen?

„Irgendwann gibt es viele Faktoren, die nichtlinear zu den Eigenschaften eines Materials beitragen, und man ist ratlos“, sagt Taheri-Mousavi. „Mit Tools für maschinelles Lernen kann man erkennen, worauf man sich konzentrieren muss, und beispielsweise feststellen, dass diese beiden Elemente diese Eigenschaft steuern. So kann man den Designraum effizienter erkunden.“

Schicht für Schicht

In der neuen Studie knüpfte Taheri-Mousavi an Olsons Arbeit an und suchte diesmal nach einer besseren Rezeptur für Aluminiumlegierungen. Dabei setzte sie maschinelle Lernverfahren ein, um Daten wie die Eigenschaften von Elementen effizient zu durchforsten und wichtige Zusammenhänge und Korrelationen zu identifizieren, die zu einem wünschenswerteren Ergebnis oder Produkt führen sollten.

Sie fand heraus, dass ihr maschineller Lernansatz mit nur 40 Zusammensetzungen, bei denen Aluminium mit verschiedenen Elementen gemischt wurde, schnell eine Rezeptur für eine Aluminiumlegierung mit einem höheren Volumenanteil an kleinen Ausscheidungen und damit einer höheren Festigkeit als in früheren Studien ermittelt wurde. Die Festigkeit der Legierung war sogar höher als die, die sie nach der Simulation von über 1 Million Möglichkeiten ohne maschinelles Lernen ermitteln konnten.

Um diese neue starke Aluminiumlegierung mit kleinen Ausscheidungen physikalisch herzustellen, erkannte das Team, dass 3D-Druck die bessere Wahl wäre als das traditionelle Metallgussverfahren, bei dem geschmolzenes flüssiges Aluminium in eine Form gegossen wird und dort abkühlt und aushärtet. Je länger diese Abkühlzeit ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die einzelnen Ausscheidungen wachsen.

LBPF-Verfahren für die additive Fertigung

Die Forscher zeigten, dass die additive Fertigung eine schnellere Methode zum Abkühlen und Verfestigen der Aluminiumlegierung sein kann. Konkret betrachteten sie die das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LBPF) – eine Technik, bei der ein Pulver Schicht für Schicht in einem gewünschten Muster auf eine Oberfläche aufgebracht und dann durch einen Laser, der das Muster nachzeichnet, schnell geschmolzen wird. Das geschmolzene Muster ist so dünn, dass es schnell erstarrt, bevor eine weitere Schicht aufgetragen und auf ähnliche Weise „gedruckt” wird. Das Team stellte fest, dass die LBPF aufgrund ihrer inhärenten schnellen Abkühlung und Erstarrung die von ihrer maschinellen Lernmethode vorhergesagte Aluminiumlegierung mit kleinen Ausscheidungen und hoher Festigkeit ermöglichte.

„Manchmal müssen wir darüber nachdenken, wie wir ein Material mit dem 3D-Druck kompatibel machen können”, sagt John Hart, Mitautor der Studie. „Hier eröffnet der 3D-Druck aufgrund der einzigartigen Eigenschaften des Verfahrens – insbesondere der schnellen Abkühlungsrate – neue Möglichkeiten. Das sehr schnelle Erstarren der Legierung nach dem Schmelzen durch den Laser erzeugt diese besonderen Eigenschaften.”

Proben der Aluminiumlegierung von Kooperationspartner in Deutschland

Um ihre Idee in die Praxis umzusetzen, bestellten die Forscher eine Formulierung für druckbares Pulver, das auf ihrer neuen Aluminiumlegierungsrezeptur basierte. Sie schickten das Pulver – eine Mischung aus Aluminium und fünf weiteren Elementen – an Kooperationspartner in Deutschland, die mit ihrem hauseigenen LPBF-System kleine Proben der Legierung druckten. Die Proben wurden dann an das MIT geschickt, wo das Team mehrere Tests durchführte, um die Festigkeit der Legierung zu messen und die Mikrostruktur der Proben abzubilden.

Ihre Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen ihrer ersten maschinellen Lernsuche: Die gedruckte Legierung war fünfmal stärker als eine gegossene Legierung und 50 Prozent stärker als Legierungen, die mit herkömmlichen Simulationen ohne maschinelles Lernen entwickelt wurden. Die Mikrostruktur der neuen Legierung bestand außerdem aus einem höheren Volumenanteil kleiner Ausscheidungen und war bei hohen Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius stabil – eine sehr hohe Temperatur für Aluminiumlegierungen.

Die Forscher wenden ähnliche Techniken des maschinellen Lernens an, um weitere Eigenschaften der Legierung zu optimieren.

„Unsere Methodik eröffnet neue Möglichkeiten für alle, die sich mit dem Design von Legierungen für den 3D-Druck beschäftigen“, sagt Taheri-Mousavi. „Mein Traum ist es, dass Passagiere eines Tages aus dem Fenster ihres Flugzeugs auf Ventilatorflügel von Triebwerken blicken können, die aus unseren Aluminiumlegierungen hergestellt wurden.“

Verfasst von Jennifer Chu, MIT News

Paper: “Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening Resistant Microstructures by Exploiting Rapid Solidification”

Weitere Informationen: https://www.mit.edu/

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