آلیاژ آلومینیوم سه‌بعدی جدید، به خاطر یک دستورالعمل کلیدی هنگام چاپ، آلومینیومی (با رنگ قهوه‌ای نشان داده شده است) با رسوبات نانومتری (به‌رنگ آبی روشن) تولید می‌کند که از آلومینیوم سنتی مستحکم‌تر است. این رسوبات به‌صورت منظم و در مقیاس نانو چیده شده‌اند (آبی و سبز در دایره نشان‌داده‌شده) که استحکام خاصی به آلیاژ‌ چاپ‌شده می‌دهند. منبع: Felice Frankel

پژوهشگران دانشگاه MIT آلیاژ آلومینیوم جدیدی ساخته‌اند که می‌توان آن را به‌صورت سه‌بعدی چاپ کرد، در برابر دماهای بسیار بالا مقاوم است و به استحکامی بسیار فراتر از آلومینیوم‌های متداول می‌رسد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این ماده پنج برابر محکم‌تر از آلومینیومی‌ است که با استفاده از تکنیک‌های تولید استاندارد ساخته می‌شود.

این آلیاژ با ترکیب آلومینیوم و چند عنصر دیگر ساخته شده است؛ عناصری که از طریق فرایندی مبتنی بر تلفیق شبیه‌سازی‌های یارانه‌ای و یادگیری ماشین انتخاب شده‌اند. این رویکرد، دامنه جست‌وجو به دنبال دستورالعمل مناسب را به شکل چشمگیری محدود کرد. در حالی که روش‌های مرسوم مستلزم بررسی بیش از یک میلیون ترکیب مواد ممکن بودند،‌ مدل یادگیری ماشین پیش از شناسایی فرمول بهینه این تعداد را به فقط ۴۰ گزینه کاهش داد.

وقتی پژوهش‌گران این آلیاژ را چاپ کردند و آن را تحت آزمون‌های مکانیکی قرار دادند، نتایج با پیش‌بینی‌های آنها مطابقت داشت. فلز چاپ‌شده عملکردی هم‌تراز محکم‌ترین آلیاژهای آلومینیومی داشت که امروزه با روش‌های سنتی ریخته‌گری تولید می‌شود.

فلزی سبک‌تر با ظرفیت صنعتی بیشتر

این گروه پژوهشی معتقد است که آلومنیوم جدیدِ قابل چاپ می‌تواند به تولید قطعاتی مستحکم‌تر، سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر دمای بالا، از جمله پره‌های فن برای موتور جت، منجر شود. اکنون این پره‌ها از تیتانیوم – فلزی که بیش از ۵۰ درصد سنگین‌تر است و می‌تواند تا ۱۰ برابر هزینه‌بر تر از آلومینیوم باشد – یا مواد کامپوزیتی پیشرفته ساخته می‌شود.

محدثه طاهری موسوی، که سرپرستی این تحقیق را در دوران پسادکتری خود در دانشگاه MIT بر عهده داشت و اکنون استادیار دانشگاه کارنگی ملون است، ‌می‌گوید:«اگر بتوانیم از مواد سبک‌تر و با استحکام بالاتر استفاده کنیم، انرژی قابل‌توجهی در صنعت حمل‌ونقل صرفه‌جویی خواهد شد».

جان هارت، استاد ممتاز کلاس ۱۹۲۲ و رئیس دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه MIT می‌گوید مزایای این روش بسیار فراتر از هوانوردی است. «از آنجا که چاپ سه‌بعدی می‌تواند هندسه‌های پیچیده‌ای تولید کند، در مصرف مواد صرفه‌جویی کرده و می‌تواند طرح‌های منحصربه‌فردی را ممکن سازد،‌ این آلیاژ قابل چاپ را به صورت چیزی می‌بینیم که می‌توان از آن در پمپ‌های خلأ پیشرفته، خودروهای رده‌بالا و دستگاه‌های خنک‌کننده در مراکز داده نیز بهره برد.»

جزئیات این کار در نشریه Advanced Materials منتشر شده است.

از یک چالش کلاسی تا پیشرفتی در علم مواد

ریشه‌های این پروژه به یکی از درس‌های دانشگاه MIT برمی‌گردد که طاهری موسوی در سال ۲۰۲۰ گذراند و گرگ اولسون، استاد بخش عملی در دانشکده مهندسی و علم مواد،‌ تدریس می‌کرد. تمرکز این کلاس بر شبیه‌سازی‌های محاسباتی برای طراحی آلیاژهای با عملکرد بالا بود. آلیاژها از ترکیب چندین عنصر ساخته می‌شوند و این ترکیب خاص تعیین‌کننده استحکام و دیگر ویژگی‌های کلیدی آلیاژ است.

اولسون از دانشجویان خواست آلیاژ آلومینیومی قابل چاپی طراحی کنند که از تمام نمونه‌های موجود در آن زمان مستحکم‌تر باشد. استحکام آلومینیوم به‌شدت به ریزساختار آن، به‌خصوص اندازه و تراکم ساختارهای بسیار ریز درونی آن، که «رسوبات» نامیده می‌شود، بستگی دارد. به طور کلی هر چه این رسوبات کوچک‌تر و به‌هم‌فشرده‌تر باشند استحکام فلز بیشتر خواهد بود.

دانشجویان از شبیه‌سازی‌ها برای آزمودن ترکیبات مختلف عناصر و غلظت‌ها استفاده کردند و تلاش کردند پیش‌بینی کنند که کدام ترکیب آلیاژ قوی‌تری تولید خواهد کرد. با وجود مدل‌سازی‌های گسترده این تلاش‌ها نتوانست عملکردی بهتر از طرح‌های آلومینیومی قابل چاپ موجود داشته باشد. این نتیجه طاهری موسوی را بر آن داشت تا رویکرد متفاوتی را در پیش گیرد.

طاهری موسوی می‌گوید:‌ «در هر مرحله عوامل زیادی به‌صورت غیرخطی بر ویژگی‌های ماده تأثیر می‌گذراند و آدم سردرگم می‌شود. ابزارهای یادگیری ماشین می‌توانند جایی که باید بر آن تمرکز کنید را به شما نشان دهند و مثلاً به شما بگویند که این دو عنصر هستند که این ویژگی را کنترل می‌کنند. این روش اجازه می‌دهد که فضای طراحی را بسیار کارآمدتر بررسی کنید.»

استفاده از یادگیری ماشین برای بازطراحی آلومینیوم

طاهری موسوی در پژوهش جدید کار را از جایی که پروژه کلاسی متوقف شده بود ادامه داد و از روش‌های یادگیری ماشین برای جست‌وجو به‌دنبال آلیاژ آلومینیوم مستحکم‌تر استفاده کرد. این ابزارها داده‌های مربوط به خواص عناصر را بررسی کردند تا الگوها و روابطی را کشف کنند که اغلب شبیه‌سازی‌های سنتی از تشخیص آنها باز می‌مانند.

سیستم یادگیری ماشین با تجزیه‌ و تحلیل فقط ۴۰ ترکیب پیشنهادی طرح آلیاژی را شناسایی کرد که نسبت رسوبات ریز آن بسیار بیشتر از تلاش‌های پیشین بود. این ساختار مستقیماً به استحکام بیشتر منجر شد و از نتایج به‌ دست‌ آمده از بیش از یک‌ میلیون شبیه‌سازی انجام‌ شده بدون یادگیری ماشین پیشی گرفت.

محققان برای ساختن واقعی این آلیاژ به‌جای ریخته‌گری مرسوم -که در آن آلومینیوم مذاب در قالب ریخته شده و به آرامی سرد می‌شود - به چاپ سه‌بعدی روی آوردند. طولانی شدن زمان سرد شدن باعث بزرگ‌تر شدن رسوبات می‌شود که استحکام ماده را کاهش می‌دهد.

این گروه پژوهشی نشان داد که تولید افزایشی (Additive Manufacturing)، که به آن چاپ سه‌بعدی هم می‌گویند، امکان سرد و جامد شدن سریع‌تر فلز را فراهم می‌کند. آنها بر روش ذوب پودر روی بستر لیزری (LBPF) تمرکز کردند، فرایندی که در آن لیزر به‌صورت انتخابی لایه‌های پودر فلز را ذوب می‌کند و پودر فلز پیش از افزودن لایه بعدی به سرعت جامد می‌شود. این انجماد سریع ساختار ظریف رسوبات را، که مدل یادگیری ماشین پیش‌بینی کرده بود، حفظ می‌کند.

هارت می‌گوید: «گاهی اوقات باید به این فکر کنیم که چه‌طور ماده‌ای را با چاپ سه‌بعدی سازگار کنیم. در اینجا چاپ سه‌بعدی به خاطر ویژگی‌های منحصر به‌ فرد این فرایند – به‌ویژه نرخ سریع سرد شدن – دریچه جدیدی می‌گشاید. انجماد بسیار سریع آلیاژ پس از ذوب شدن با لیزر این مجموعه ویژه از خواص را ایجاد می‌کند.»

تأیید رکورد استحکام در آزمایش‌ها

محققان برای اعتبارسنجی طرح خود یک دسته پودر فلزی قابل چاپ بر پایه فرمول آلیاژ جدید سفارش دادند. پودر – که از ترکیب آلومینیوم با پنج عنصر دیگر ساخته شده بود – برای همکارانشان در آلمان ارسال شد که با استفاده از تجهیزات LPBF خود نمونه‌های آزمایشی کوچکی چاپ کنند.

سپس این نمونه‌ها برای انجام آزمایش‌های مکانیکی و تجزیه‌وتحلیل‌های میکروسکوپیک به دانشگاه MIT برگردانده شدند. نتایج پیش‌بینی‌های یادگیری ماشیت را تأیید کرد. آلیاژ چاپ‌شده پنج برابر محکم‌تر از نسخه ریخته‌گری‌شده همان ماده و ۵۰ درصد محکم‌تر از آلیاژهای آلومینیومی بود که فقط با استفاده از شبیه‌سازی‌های مرسوم طراحی شده بود.

تصویرهای میکروسکوپی نشان داد که جمعیت متراکمی از رسوبات ریز در آلیاژ وجود دارد و آلیاژ تا دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد – که برای مواد بر پایه آلومینیوم آستانه بسیار بالایی است – پایدار باقی می‌ماند.

اکنون گروه پژوهشی همان روش‌های یادگیری ماشین را برای بهبود دیگر ویژگی‌های آلیاژ اعمال می‌کند.

طاهری موسوی می‌گوید: «روش ما درهای تازه‌ای را به روی کسانی می‌گشاید که می‌خواهند آلیاژهای قابل چاپ سه‌بعدی طراحی کنند. رؤیای من این است که روزی مسافران وقتی از پنجره هواپیما به بیرون نگاه می‌کنند، پره‌های فن موتوری را ببینند که از آلیاژ آلومینیوم ما ساخته شده است.»

[1] S. Mohadeseh Taheri‐Mousavi, Michael Xu, Florian Hengsbach, Clay Houser, Zhaoxuan Ge, Benjamin Glaser, Shaolou Wei, Mirko Schaper, James M. LeBeau, Greg B. Olson, A. John Hart. Additively Manufacturable High‐Strength Aluminum Alloys with Coarsening‐Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification. Advanced Materials, 2025; DOI: 10.1002/adma.202509507

منبع:

MIT just made aluminum 5x stronger with 3D printing