MIT突破：机器学习助力3D打印铝合金强度提升5倍

在材料科学领域的一项重大突破中，麻省理工学院(MIT)的工程师们成功开发出一种革命性的3D打印铝合金，其强度比传统制造的铝合金高出5倍，同时还能承受高达400摄氏度的高温。这项创新结合了机器学习技术与先进的3D打印工艺，为航空航天、汽车制造和高科技设备等领域带来了轻量化、高强度的材料解决方案。

机器学习加速材料研发

传统上，开发新型合金需要测试大量的材料组合，这是一个耗时且昂贵的过程。然而，MIT研究团队通过结合计算模拟和机器学习方法，彻底改变了这一现状。

"传统方法需要模拟超过100万种可能的材料组合，而我们基于机器学习的新方法只需要评估40种可能的成分，就能确定一种高强度、可3D打印的铝合金的理想配方，"研究负责人、现为卡内基梅隆大学助理教授的Mohadeseh Taheri-Mousavi解释道。

这种创新的方法不仅大幅缩短了研发周期，还显著降低了成本，使研究人员能够更高效地探索材料设计空间，发现传统方法难以发现的材料组合。

这项研究始于2020年Taheri-Mousavi在MIT参加的一门课程，由材料科学与工程实践教授Greg Olson教授授课。课程中，学生们学习了如何使用计算模拟设计高性能合金。

Olson教授向班级提出了一个挑战：设计一种比当时已知的最强可3D打印铝合金还要强的铝合金。正如大多数材料一样，铝的强度在很大程度上取决于其微观结构：微观组成或"析出物"越小且越密集，合金的强度就越高。

班级使用计算机模拟系统地结合铝与各种类型和浓度的元素，以模拟和预测所得合金的强度。然而，这种方法未能产生更强的结果。课程结束时，Taheri-Mousavi开始思考：机器学习能否做得更好？

"在某些情况下，许多因素会以非线性方式影响材料的性能，你会感到迷失，"Taheri-Mousavi说。"机器学习工具可以指导你需要关注的方向，例如告诉你这两个元素正在控制这一特性。它让你能够更有效地探索设计空间。"

为了生产这种新型高强度、小析出物合金，团队意识到3D打印将是比传统金属铸造更好的方法。在传统铸造中，熔融的铝液被倒入模具中，冷却和硬化时间越长，单个析出物生长的可能性就越大。

3D打印铝合金微观结构

新3D打印铝合金的微观结构，显示纳米级析出物以规则排列，赋予材料卓越的强度

研究人员表明，3D打印（也广泛称为增材制造）可以是一种更快冷却和固化铝合金的方法。具体来说，他们考虑了激光床粉融合(LBPF)技术——该技术通过逐层沉积粉末在表面上形成所需图案，然后被激光快速熔化。熔化的图案足够薄，可以在下一层沉积并同样"打印"之前迅速凝固。

团队发现，LBPF固有的快速冷却和凝固特性，使其能够制造出机器学习方法预测的小析出物、高强度铝合金。

"有时我们必须考虑如何使材料与3D打印兼容，"研究合著者、MIT机械工程系主任John Hart教授说。"在这里，3D打印打开了一扇新大门，因为该过程的独特特性——特别是快速冷却速率。激光熔化合金后的极快冻结创造了这套特殊的性能。"

将想法付诸实践，研究人员根据新的铝合金配方订购了可打印粉末。他们将这种由铝和其他五种元素组成的粉末发送给德国的合作者，他们使用内部LPBF系统打印了小样本。然后，这些样本被送往MIT，团队进行了多项测试以测量合金的强度并观察样本的微观结构。

测试结果证实了他们最初机器学习搜索的预测：打印的合金比铸造对应物强5倍，比使用没有机器学习的传统模拟设计的合金强50%。新合金的微观结构也含有更高比例的小析出物，并且在高达400摄氏度的高温下保持稳定——这对铝合金来说是非常高的温度。

"我们的方法论为任何想要进行3D打印合金设计的人打开了新的大门，"Taheri-Mousavi说。"我的梦想是有一天，乘客从飞机窗户向外看，会看到由我们的铝合金制造的发动机风扇叶片。"

这种新型高强度铝合金具有广泛的应用前景：

研究人员正在应用类似的机器学习技术进一步优化合金的其他性能。

这项研究部分使用了MIT纳米表征设施进行，展示了跨学科合作在材料科学创新中的重要性。

这项突破对多个行业都可能产生深远影响：

这项研究不仅代表了材料科学的进步，还展示了人工智能如何加速材料创新，为解决全球性挑战如能源效率和环境可持续性提供新途径。