El material que cambiará a los aviones: una nueva aleación de aluminio más ligera y 5 veces más resistente impresa en 3D

El desarrollo de nuevos materiales es clave para la industria aeronáutica, permitiendo crear aviones más ligeros, resistentes y eficientes. El objetivo principal es reducir drásticamente el peso de las aeronaves para disminuir su consumo de combustible y su impacto medioambiental, pero también permitir nuevos diseños que mejoren sus prestaciones.

Desde compuestos de cerámica que soportan temperaturas muy superiores a las aleaciones metálicas tradicionales hasta un compuesto plástico más ligero que el aluminio y más fuerte que el acero, estos materiales pueden reducir el peso de los aviones y aumentar la seguridad a bordo.

Pero siempre hay espacio de mejora, y eso es lo que pretenden los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) que están detrás de un importante avance: una aleación de aluminio imprimible que puede soportar altas temperaturas y es cinco veces más resistente que el aluminio convencional.

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"Dado que la impresión 3D permite producir geometrías complejas, ahorrar material y crear diseños únicos, consideramos que esta aleación imprimible también podría utilizarse en bombas de vacío avanzadas, automóviles de alta gama y dispositivos de refrigeración para centros de datos", explica John Hart, director del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, en un comunicado de prensa.

En el artículo científico publicado en Advanced Materials, Hart y los demás autores detallan cómo utilizaron una combinación de simulaciones y aprendizaje automático para obtener una aleación de aluminio de alta resistencia.

Aprendizaje automático

El aluminio fabricado en fundición es uno de los materiales más utilizados en la industria aeroespacial porque combina una baja densidad con una alta resistencia mecánica, además de gran resistencia a la corrosión y buena conductividad térmica.

Sin embargo, los investigadores no se conforman con esas propiedades y llevan años buscando nuevas aleaciones, que 'mezclan' el aluminio con otros elementos, para conseguir aún mejores características.

Un motor de avión A320 Nacelle. Airbus Omicrono

Aleaciones más resistentes podrían servir, por ejemplo, para las palas de los ventiladores de los motores a reacción, que suelen fabricarse con titanio, más de un 50% más pesado y hasta 10 veces más caro que el aluminio.

Como indican los investigadores del MIT, la resistencia de las aleaciones de aluminio depende en gran medida de su microestructura. Y es que, cuanto más pequeños y densos sean sus componentes, más resistente será la aleación resultante.

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Para identificar las mejores aleaciones posibles, el equipo dirigido por Mohadeseh Taheri-Mousavi, investigador postdoctoral en el MIT y ahora profesor adjunto en la Universidad Carnegie Mellon, usó algoritmos de aprendizaje automático diseñados para estudiar las propiedades de distintos candidatos a unirse al aluminio, para identificar conexiones y correlaciones clave para llegar al mejor resultado posible.

Tras analizar 40 composiciones diferentes que mezclaban aluminio con distintos elementos, rápidamente se identificó la fórmula ideal, con una resistencia mayor que la que pudieron identificar tras simular más de un millón de posibilidades sin utilizar el aprendizaje automático.

Aluminio imprimible

El siguiente paso era fabricar esa nueva aleación, y para ello los ingenieros del MIT apostaron por la impresión 3D en lugar de la fundición tradicional de metales. En vez de verter aluminio fundido en un molde, dejarlo enfriar y endurecer, proceso que puede debilitar el resultado final, aprovecharon las cualidades de la fabricación aditiva.

La técnica utilizada, fusión de polvo con láser (LBPF), permite depositar polvo de aluminio y otros cinco elementos, capa a capa, sobre una superficie con el patrón deseado, a la que se aplica un láser que funde el material y consigue la pieza deseada.

La microestructura de la aleación de aluminio (ilustrado en marrón) con precipitados a escala nanométrica (en azul claro) MIT Omicrono

"A veces tenemos que pensar en cómo conseguir que un material sea compatible con la impresión 3D", señala John Hart. "En este caso, la impresión 3D abre una nueva puerta debido a las características únicas del proceso, en particular, la rápida velocidad de enfriamiento. La congelación muy rápida de la aleación después de ser fundida por el láser crea este conjunto especial de propiedades".

Una vez obtenido el patrón deseado, los investigadores lo sometieron a todo tipo de pruebas para comprobar hasta qué punto era correcto el resultado ofrecido por el sistema de aprendizaje automático.

Y la aleación impresa en 3D superó las expectativas: era cinco veces más resistente que una pieza igual de la aleación fundida y un 50% más resistente que las aleaciones diseñadas con simulaciones convencionales, sin aprendizaje automático. Además, también comprobaron su estabilidad a una temperatura de hasta 400 ºC, muy elevada para este tipo de aleaciones.

Lo mejor es que, más allá de las aplicaciones concretas de esta aleación de aluminio en piezas de aviones o coches, la metodología "abre nuevas puertas a cualquiera que quiera diseñar aleaciones para impresión 3D", según Taheri-Mousavi. "Mi sueño es que, algún día, los pasajeros que miren por la ventanilla del avión vean las palas de los ventiladores de los motores fabricadas con nuestras aleaciones de aluminio".