MIT研發超強3D打印鋁合金 助輕量化飛機零件

MIT工程師研發出可3D打印的鋁合金，強度創新高或助輕量化飛機零件

麻省理工學院（MIT）的工程師利用機器學習技術，成功開發出一種可3D打印的鋁合金，該合金的強度遠超傳統製造方法生產的鋁合金，耐高溫性能亦顯著提升。

這種新型可打印鋁合金是由鋁與其他元素混合而成，材料組合是團隊透過電腦模擬結合機器學習篩選出來的。傳統方法需模擬逾百萬種材料組合，耗時且效率低；而新方法僅需評估40種組合，便迅速鎖定理想配方，實現高強度且適合3D打印的鋁合金。

實驗結果證明，該合金的強度與現時最強的傳統鑄造鋁合金不相上下。研究團隊預計，此種鋁合金可用於製造更輕、更堅固且耐高溫的產品，例如噴氣發動機的風扇葉片。傳統上風扇葉片多用鈦金屬鑄造，鈦金屬重量較鋁重超過50%，而且成本高出約十倍，亦有採用先進複合材料。

領導該項研究的Mohadeseh Taheri-Mousavi博士表示：「如果我們能使用更輕且高強度的材料，將為運輸業節省大量能源。」MIT機械工程系主任John Hart教授補充道：「3D打印能製造複雜結構，節省材料，並實現獨特設計。我們認為這種可打印合金未來亦可應用於高端真空泵、高級汽車及數據中心的冷卻裝置。」

微觀結構與機器學習的結合創新

該研究源自Taheri-Mousavi於2020年參加MIT材料科學與工程系Greg Olson教授開設的課程。課堂挑戰是設計比現有最強可打印鋁合金更強的新合金。鋁合金的強度主要取決於其微觀結構中「析出物」的大小和密度，析出物越細小且密集，合金越強。

傳統模擬未能找到更強配方，於是Taheri-Mousavi嘗試用機器學習加速篩選，機器學習能有效解析材料屬性之間複雜的非線性關係，指出哪些元素影響合金強度，令設計過程更高效。

利用機器學習，團隊在40種鋁混合元素組合中迅速找到一款析出物體積分數更高、強度更佳的配方，強度甚至超越未使用機器學習模擬逾百萬種組合所得的結果。

3D打印快速凝固技術實現高強度合金

為實際製造該合金，團隊選擇3D打印技術中的激光床粉末熔融（LBPF）工藝。LBPF通過層層堆疊粉末，並用激光快速熔化，因為熔化層薄且冷卻速度快，能形成細小析出物，保持高強度微結構。

研究團隊將預配粉末送往德國合作夥伴利用LBPF系統打印樣品，再送回MIT進行強度及微結構測試。結果證明該打印合金強度是傳統鑄造合金的五倍，且比傳統模擬設計合金強度高出50%。此外，該合金在高達400攝氏度的高溫下仍保持穩定，這是鋁合金中罕見的高耐熱表現。

研究團隊正用類似機器學習方法優化合金的其他性能，期望未來能用於飛機引擎風扇葉片等多種高要求應用。

Taheri-Mousavi說：「我們的研究方法為3D打印合金設計開啟新大門。我的夢想是，將來乘客從飛機窗外看到的風扇葉片，就是用我們研發的鋁合金做成。」

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評論與分析

這項MIT的突破性研究充分展示了機器學習與材料科學結合的巨大潛力。傳統合金設計往往依賴大量試錯與模擬，費時費力。利用機器學習大幅縮減設計範圍，提升效率，不僅加快新材料開發速度，更能發掘出人類設計者難以察覺的最佳組合。

此外，結合3D打印技術的快速凝固特性，成功實現了理論配方的物理製造，克服了傳統鑄造冷卻速度慢導致析出物長大的瓶頸。這種跨學科的創新策略，為未來高性能輕量化材料的製備提供了新思路。

在航空航天及運輸業高度重視節能減碳的趨勢下，這種合金若能商用化，將有助減輕飛機重量，提升燃油效率，降低碳排放。當然，還需進一步評估合金的耐久性、成本及大規模製造可行性。

以香港的角度看，這種技術若能在本地或鄰近產業鏈推廣，將促進高端製造業升級，並推動智慧製造發展。未來，結合AI與增材製造的材料創新，將成為推動工業4.0和綠色科技的重要力量。

總括而言，MIT團隊的研究不僅突破了鋁合金強度極限，更示範了如何利用先進數據科技與製造技術，開創材料科學的嶄新篇章。這種融合跨界的創新模式，值得全球科研及產業界借鏡與推廣。

以上文章由特價GPT API KEY所翻譯及撰寫。而圖片則由FLUX根據內容自動生成。

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