مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يصنعون ألومنيومًا قابلاً للطباعة ثلاثية الأبعاد أقوى بخمس مرات من السبائك التقليدية

عن طريق التقديم التعلم الآلي التقنيات والمهندسين في مع ابتكروا طريقة جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد للسبائك المعدنية التي تنتج أجزاء أقوى بكثير من تلك المصنوعة باستخدام أساليب التصنيع التقليدية.

مع لقد ابتكر المهندسون الألومنيوم الجديد سبيكة مصمم للطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتحمل الحرارة العالية وهي أقوى بخمس مرات من الألومنيوم المصنوع باستخدام التصنيع التقليدي.

للعثور على الصيغة الصحيحة، قام الباحثون بدمج الألمنيوم مع عناصر أخرى واستخدموا عمليات المحاكاة جنبًا إلى جنب مع التعلم الآلي لتضييق نطاق البحث. فبدلاً من إجراء عمليات محاكاة على أكثر من مليون مجموعة مواد محتملة، كما تتطلب الأساليب التقليدية، خفضت طريقة التعلم الآلي الخاصة بهم عبء العمل إلى 40 تركيبة مرشحة فقط. ومن هذه العناصر، حددوا مزيجًا واعدًا يهدف إلى إنتاج سبائك ألومنيوم عالية القوة يمكن طباعتها.

وبعد طباعة السبيكة الجديدة واختبار أدائها، وجد الفريق أن النتائج مطابقة لتوقعاتهم. وصلت المادة إلى مستويات قوة تضاهي أقوى سبائك الألومنيوم التي يتم إنتاجها حاليًا من خلال تقنيات الصب التقليدية.

قوة خفيفة الوزن للظروف القاسية

ويتصور الباحثون أن الألمنيوم الجديد القابل للطباعة يمكن تحويله إلى منتجات أقوى وأكثر خفة الوزن ومقاومة للحرارة، مثل شفرات المروحة في المحركات النفاثة. تُصنع شفرات المروحة تقليديًا من التيتانيوم – وهي مادة أثقل بنسبة 50 بالمائة وأكثر تكلفة بما يصل إلى 10 مرات من الألومنيوم – أو مصنوعة من مواد مركبة متقدمة.

تقول مهندسة طاهري موسوي، التي قادت العمل كباحثة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وهي الآن أستاذة مساعدة في جامعة كارنيجي ميلون: “إذا تمكنا من استخدام مواد أخف وزنا وعالية القوة، فإن هذا من شأنه أن يوفر قدرا كبيرا من الطاقة لصناعة النقل”.

يضيف جون هارت، أستاذ دفعة 1922 ورئيس قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “نظرًا لأن الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تنتج أشكالًا هندسية معقدة، وتوفر المواد، وتمكن من تصميمات فريدة، فإننا نرى هذه السبيكة القابلة للطباعة كشيء يمكن استخدامه أيضًا في مضخات التفريغ المتقدمة، والسيارات المتطورة، وأجهزة التبريد لمراكز البيانات”.

يقدم هارت وطاهري موسوي تفاصيل حول تصميم الألمنيوم الجديد القابل للطباعة في ورقة بحثية منشورة في المجلة مواد متقدمة. يشمل المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مايكل شو، وكلاي هاوزر، وشاولو وي، وجيمس ليبو، وجريج أولسون، إلى جانب فلوريان هينجزباخ وميركو شابر من جامعة بادربورن في ألمانيا، وتشاوكسوان جي وبنجامين جلاسر من جامعة كارنيجي ميلون.

الحجم الصغير

نشأ العمل الجديد من فصل دراسي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التحق به طاهري موسوي في عام 2020، والذي قام بتدريسه جريج أولسون، أستاذ الممارسة في قسم علوم وهندسة المواد. وكجزء من الفصل، تعلم الطلاب استخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية لتصميم سبائك عالية الأداء. السبائك هي مواد مصنوعة من مزيج من العناصر المختلفة، والتي يضفي مزيجها قوة استثنائية وخصائص فريدة أخرى على المادة ككل.

تحدى أولسون الفصل لتصميم سبيكة ألومنيوم تكون أقوى من أقوى سبائك الألومنيوم القابلة للطباعة والمصممة حتى الآن. كما هو الحال مع معظم المواد، تعتمد قوة الألومنيوم إلى حد كبير على بنيته المجهرية: فكلما كانت مكوناته المجهرية أصغر وأكثر كثافة، أو “الرواسب”، كلما كانت السبيكة أقوى.

ومع أخذ ذلك في الاعتبار، استخدم الفصل عمليات المحاكاة الحاسوبية للجمع بشكل منهجي بين الألومنيوم وأنواع مختلفة وتركيزات من العناصر، لمحاكاة قوة السبائك الناتجة والتنبؤ بها. ومع ذلك، فشل التمرين في تحقيق نتيجة أقوى. وفي نهاية الدرس، تساءل طاهري موسوي: هل يمكن للتعلم الآلي أن يكون أفضل؟

يقول طاهري موسوي: “في مرحلة ما، هناك الكثير من الأشياء التي تساهم بشكل غير خطي في خصائص المادة، وستكون ضائعًا”. “باستخدام أدوات التعلم الآلي، يمكنها توجيهك إلى المكان الذي تحتاج إلى التركيز عليه، وإخبارك على سبيل المثال، أن هذين العنصرين يتحكمان في هذه الميزة. فهي تتيح لك استكشاف مساحة التصميم بشكل أكثر كفاءة.”

طبقة بعد طبقة

في الدراسة الجديدة، واصل طاهري موسوي من حيث توقف فصل أولسون، متطلعًا هذه المرة إلى تحديد وصفة أقوى لسبائك الألومنيوم. هذه المرة، استخدمت تقنيات التعلم الآلي المصممة للتدقيق بكفاءة في البيانات، مثل خصائص العناصر، لتحديد الارتباطات والارتباطات الرئيسية التي ينبغي أن تؤدي إلى نتائج أو منتج مرغوب فيه أكثر.

ووجدت أنه باستخدام 40 تركيبة فقط تمزج الألومنيوم مع عناصر مختلفة، توصل نهج التعلم الآلي الخاص بهم بسرعة إلى وصفة لسبائك الألومنيوم ذات نسبة حجم أكبر من الرواسب الصغيرة، وبالتالي قوة أعلى، مما حددته الدراسات السابقة. وكانت قوة السبيكة أعلى مما يمكنهم تحديده بعد محاكاة أكثر من مليون احتمال دون استخدام التعلم الآلي.

لإنتاج هذه السبيكة القوية الجديدة ذات الرواسب الصغيرة، أدرك الفريق أن الطباعة ثلاثية الأبعاد ستكون هي الحل الأمثل بدلاً من صب المعادن التقليدية، حيث يتم صب الألومنيوم السائل المنصهر في قالب ويترك ليبرد ويتصلب. وكلما زاد وقت التبريد هذا، زاد احتمال نمو الراسب الفردي.

وأظهر الباحثون أن الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، يمكن أن تكون طريقة أسرع لتبريد سبائك الألومنيوم وتصلبها. على وجه التحديد، فكروا في دمج المسحوق بالليزر (LBPF) – وهي تقنية يتم من خلالها ترسيب المسحوق، طبقة بعد طبقة، على السطح بالنمط المرغوب ثم صهره بسرعة بالليزر الذي يتتبع النمط. يكون النموذج المنصهر رقيقًا بدرجة كافية بحيث يتصلب بسرعة قبل أن تترسب طبقة أخرى ويتم “طباعتها” بالمثل. وجد الفريق أن التبريد والتصلب السريعين بطبيعتهما لـ LBPF مكّن من الحصول على سبيكة ألومنيوم ذات رواسب صغيرة وعالية القوة، والتي تنبأت بها طريقة التعلم الآلي الخاصة بهم.

يقول جون هارت، المؤلف المشارك في الدراسة: “في بعض الأحيان يتعين علينا أن نفكر في كيفية جعل المادة متوافقة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد”. “هنا، تفتح الطباعة ثلاثية الأبعاد بابًا جديدًا بسبب الخصائص الفريدة للعملية – وخاصة معدل التبريد السريع. إن التجميد السريع جدًا للسبائك بعد صهرها بالليزر يخلق هذه المجموعة الخاصة من الخصائص.”

اختبار التوقعات

ولوضع فكرتهم موضع التنفيذ، طلب الباحثون تركيبة من مسحوق قابل للطباعة، بناءً على وصفتهم الجديدة لسبائك الألومنيوم. أرسلوا المسحوق – وهو مزيج من الألومنيوم وخمسة عناصر أخرى – إلى المتعاونين في ألمانيا، الذين طبعوا عينات صغيرة من السبائك باستخدام نظام LPBF الداخلي الخاص بهم. تم بعد ذلك إرسال العينات إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حيث أجرى الفريق اختبارات متعددة لقياس قوة السبائك وتصوير البنية المجهرية للعينات.

أكدت نتائجهم التنبؤات التي توصلوا إليها من خلال بحثهم الأولي عن التعلم الآلي: كانت السبيكة المطبوعة أقوى بخمس مرات من نظيرتها المصبوبة وأقوى بنسبة 50 بالمائة من السبائك المصممة باستخدام عمليات المحاكاة التقليدية دون تعلم الآلة. تتكون البنية المجهرية للسبائك الجديدة أيضًا من جزء كبير الحجم من الرواسب الصغيرة، وكانت مستقرة عند درجات حرارة عالية تصل إلى 400 درجة. مئوية — درجة حرارة عالية جدًا لسبائك الألومنيوم.

يطبق الباحثون تقنيات مماثلة للتعلم الآلي لتحسين الخصائص الأخرى للسبائك.

يقول طاهري موسوي: “تفتح منهجيتنا أبوابًا جديدة لأي شخص يرغب في القيام بتصميم سبائك الطباعة ثلاثية الأبعاد”. “حلمي هو أنه في يوم من الأيام، سيرى المسافرون الذين ينظرون من نافذة طائرتهم شفرات مراوح المحركات المصنوعة من سبائك الألومنيوم لدينا.”

المرجع: “سبائك الألومنيوم عالية القوة القابلة للتصنيع بشكل إضافي مع هياكل مجهرية مقاومة للخشونة يتم تحقيقها من خلال التصلب السريع” بقلم س. محدثة طاهري موسوي، ومايكل شو، وفلوريان هينجزباخ، وكلاي هاوسر، وتشاوكسوان جي، وبنجامين جلاسر، وشولو وي، وميركو شابر، وجيمس إم. ليبو، وجريج بي. أولسون، وأ. جون هارت، 2 أكتوبر 2025, مواد متقدمة.
دوى: 10.1002/adma.202509507

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.