米マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームは、機械学習を活用して開発した3Dプリント用アルミ合金を発表した。従来の鋳造アルミニウムと同等の強度を持ち、従来の3Dプリント用アルミ合金の5倍の強度を実現する。航空機のファンブレードなど、軽量化が求められる部品への応用を想定している。
新しいアルミ合金は、アルミニウムと他の元素を組み合わせた素材で、研究チームはシミュレーションと機械学習を組み合わせて最適な配合を特定した。従来の手法では100万通り以上の素材組み合わせをシミュレーションする必要があったが、機械学習ベースのアプローチでは40種類の組成を評価するだけで理想的な配合を見つけられた。
研究チームが合金を3Dプリントしてテストした結果、予測通り、従来の鋳造法で製造される最強のアルミ合金と同等の強度を持つことが確認された。
研究を主導したMohadeseh Taheri-Mousavi氏(現カーネギーメロン大学助教授、研究当時はMITポスドク)は「より軽量で高強度の材料を使用できれば、輸送産業で相当なエネルギーを節約できる」と述べている。
MIT機械工学科のJohn Hart教授は「3Dプリントは複雑な形状を製造でき、材料を節約し、独自の設計を可能にするため、この印刷可能合金は先進的な真空ポンプ、高級自動車、データセンターの冷却装置にも使用できると考えている」と説明している。
航空機のファンブレードは従来、チタンから鋳造されているが、チタンはアルミニウムより50%以上重く、コストは最大10倍高い。先進複合材料を使用する場合もあるが、新しいアルミ合金はこれらの代替素材として期待される。
アルミ合金の強度は、その微細構造に大きく依存する。微細な構成要素である「析出物」が小さく、密に詰まっているほど、合金は強くなる。
この研究は、2020年にTaheri-Mousavi氏がMITのGreg Olson教授(材料科学工学科実務教授)の授業を受講したことから始まった。授業では、コンピューターシミュレーションを使用して高性能合金を設計する方法を学んだ。Olson教授は、これまでに設計された最強の印刷可能アルミ合金より強い合金を設計するよう学生に課題を出したが、授業内のシミュレーションでは強い結果を生み出せなかった。
Taheri-Mousavi氏は授業終了後、機械学習ならより良い結果を出せるのではないかと考えた。機械学習ツールは、元素の特性などのデータを効率的に検索し、望ましい結果や製品につながる主要な関連性や相関関係を特定できる。
Taheri-Mousavi氏は、アルミニウムとさまざまな元素を混合した40種類の組成のみを使用し、機械学習アプローチが小さな析出物の体積分率が高く、したがって強度が高いアルミ合金のレシピをすぐに特定できることを発見した。この合金の強度は、機械学習を使用せずに100万通り以上の可能性をシミュレーションした後に特定できたものよりも高かった。
この新しい高強度合金を物理的に製造するため、研究チームは従来の金属鋳造ではなく3Dプリントが最適だと判断した。鋳造では、溶融したアルミニウムを型に注ぎ、冷却して硬化させる。この冷却時間が長いほど、個々の析出物が成長しやすくなる。
研究チームは積層造形による3Dプリントが、アルミ合金をより速く冷却し固化させる方法であることを示した。具体的には、レーザーベッド粉末融合法(LBPF)を検討した。この技術では、粉末を表面に層ごとに所望のパターンで堆積させ、パターンに沿ってレーザーで急速に溶融する。溶融したパターンは十分に薄いため、次の層が堆積されて同様に「印刷」される前に急速に固化する。
研究チームは、LBPFの本質的な急速冷却と固化により、機械学習手法が予測した小析出物・高強度アルミ合金が実現できることを発見した。
研究チームは新しいアルミ合金レシピに基づいて印刷可能な粉末の配合を発注した。アルミニウムと他の5つの元素を混合した粉末をドイツの共同研究者に送り、彼らの社内LPBFシステムを使用して合金の小さなサンプルを印刷した。サンプルはMITに送られ、研究チームは合金の強度を測定し、サンプルの微細構造を画像化する複数のテストを実施した。
結果は、最初の機械学習探索による予測を裏付けた。印刷された合金は鋳造された同等品の5倍の強度を持ち、機械学習を使用しない従来のシミュレーションで設計された合金より50%強かった。新しい合金の微細構造は、小さな析出物の体積分率が高く、摂氏400度までの高温で安定していた。これはアルミ合金にとって非常に高い温度だ。
研究チームは、同様の機械学習技術を適用して、合金の他の特性をさらに最適化している。
Taheri-Mousavi氏は「我々の方法論は、3Dプリント合金設計をしたい人に新しい扉を開く。いつか飛行機の窓から外を見る乗客が、私たちのアルミ合金で作られたエンジンのファンブレードを見る日が来ることを夢見ている」と述べている。
研究の詳細は学術誌Advanced Materialsに掲載された。MIT側の共著者にはMichael Xu、Clay Houser、Shaolou Wei、James LeBeau、Greg Olsonの各氏が含まれる。ドイツのパーダーボルン大学からFlorian Hengsbach氏とMirko Schaper氏、カーネギーメロン大学からZhaoxuan Ge氏とBenjamin Glaser氏も共著者として参加している。