プリント可能アルミ合金が強度記録樹立、航空機部品の軽量化可能

December, 2, 2025, Cambridge--機械学習を組み込んで、MITのエンジニアは、従来の製造バージョンよりもはるかに強度の高い合金を3Dプリントする方法を開発した。

MITのエンジニアは、高温に耐えることができ、従来の製造アルミニウムの5倍の強度を持つプリント可能なアルミニウム合金を開発した。

新しいプリント可能な金属は、シミュレーションと機械学習の組み合わせを使用してチームが特定したアルミニウムとその他の元素の混合物から作られており、検索する可能性のある材料の組み合わせの数が大幅に削減された。従来の方法では、100万を超える材料の組み合わせをシミュレートする必要があったが、チームの新しい機械学習ベースのアプローチでは、高強度でプリント可能なアルミニウム合金の理想的な組み合わせを特定する前に、40の可能な組成を評価するだけで済んだ。

合金をプリントし、得られた材料をテストしたところ、チームは予測通り、アルミニウム合金が現在従来の鋳造方法を使用して製造されている最も強力なアルミニウム合金と同じくらい強いことを確認した。

研究チームは、新しいプリント可能なアルミニウムを、ジェットエンジンのファンブレードなど、より強く、より軽量で耐熱性のある製品に作ることができると構想している。ファンブレードは伝統的に、アルミニウムの50%以上重く、最大10倍高価な材料であるチタンから鋳造されるか、高度な複合材料で作られている。

「より軽量で高強度の材料を使用できれば、運輸業界にとってかなりのエネルギーを節約できる見込みだ」と、MITでポスドクとしてこの研究を主導し、現在はカーネギーメロン大学の助教授Mohadeseh Taheri-Mousaviは話している。

「3Dプリンティングは複雑な形状を作成し、材料を節約し、独自の設計を可能にするため、このプリント可能な合金は、高度な真空ポンプ、ハイエンド自動車、データセンタの冷却装置にも使用できると考えている」と、1922年卒業生でMITの機械工学科長であるJohn Hartは付け加えている。

HartとTaheri-Mousaviは、ジャーナルAdvanced Materialsに掲載された論文で、新しいプリント可能なアルミニウム設計の詳細を提供している。

マイクロサイジング
この新しい研究は、Taheri-Mousaviが2020年に受講したMITの授業から生まれ、材料科学工学科の実践教授Greg Olsonが教えた。授業の一環として、学生は計算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。合金は、様々な元素の混合物から作られる材料であり、その組み合わせにより、材料全体に並外れた強度やその他のユニークな特性が与えられる。

Olsonは、これまでに設計された最も強力なプリント可能なアルミニウム合金よりも強度の高いアルミニウム合金を設計するようクラスに挑戦した。ほとんどの材料と同様に、アルミニウムの強度はその微細構造に大きく依存する。微細な成分、つまり「沈殿物」が小さく、密度が高いほど、合金は強度が高くなる。

このことを念頭に置いて、このクラスでは、コンピュータシミュレーションを使用して、アルミニウムと様々な種類と濃度の元素を系統的に組み合わせ、得られた合金の強度をシュミレートし、予測した。しかし、この演習はより強力な結果を生み出すことができなかった。授業の終わりに、Taheri-Mousaviは「機械学習なら、もっといい結果が得られるだろうか?」と考えた。

「ある時点で、材料の特性に非線形に寄与するものがたくさんあり、迷ってしまう。機械学習ツールを使用すると、どこに焦点を当てる必要があるかを示し、たとえば、この2つの要素がこの機能を制御していることを教えてくれる。これにより、デザイン空間をより効率的に探索できる」（Taheri-Mousavi）。

レイヤーごとに
新しい研究では、Taheri-MousaviはOlsonのクラスが中断したところから継続し、今回はアルミニウム合金のより強力なレシピの特定を目指した。今回、同氏は、元素の特性などのデータを効率的に精査し、より望ましい結果や製品につながるはずの重要なつながりと相関関係を特定するように設計された機械学習技術を使用した。

同氏は、アルミニウムと異なる元素を混合したわずか40種類の組成物を使用して、機械学習アプローチが、以前の研究で特定されたものよりも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ニウム合金のレシピにすぐに焦点を合わせたことを発見した。合金の強度は、機械学習を使用せずに100万を超える可能性をシミュレートした後に特定できた強度よりもさらに高かった。

この新しい強力で析出の少ない合金を物理的に製造するには、研究チームは、溶融液体アルミニウムを金型に流し込み、冷却して硬化させる従来の金属鋳造の代わりに、3Dプリンティングが進むべき道であることに気づいた。この冷却時間が長ければ長いほど、個々の析出物が成長する可能性が高くなる。

研究チームは、広義に積層造形としても知られる3Dプリンティングが、アルミニウム合金を冷却して固化するより高速な方法であることを示した。具体的には、レーザベッドパウダーフュージョン(LBPF)を検討した-粉末を層ごとに目的のパターンで表面に堆積させ、パターンをトレースするレーザによって急速に溶かす技術である。溶融したパターンは十分に薄いため、別の層が堆積して同様に「プリント」される前にすぐに固化する。研究チームは、LBPFの本質的な急速な冷却と凝固により、機械学習手法が予測した低沈出の高強度アルミニウム合金が可能になったことを発見した。

「3Dプリンティングと互換性のある材料を得る方法を考えなければならない場合がある」と、研究の共著者であるJohn Hartは言う。「ここで、3Dプリンティングは、プロセスのユニークな特性、特に冷却速度の速さにより、新しい扉を開く。レーザで溶かされた後の合金の非常に急速な凍結により、この特別な特性が生まれる。」

そのアイデアを実践するために、研究チームは、新しいアルミニウム合金のレシピに基づいて、プリント可能な粉末の配合を注文した。チームは、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、共同研究者は社内のLPBFシステムを使用して合金の少量のサンプルをプリントした。その後、サンプルはMITに送られ、そこでチームは複数のテストを実施して合金の強度を測定し、サンプルの微細構造を画像化した。

その結果、最初の機械学習検索による予測が裏付けられた:プリントされた合金は、鋳造された合金よりも5倍、機械学習を行わずに従来のシミュレーションを使用して設計された合金よりも50%強度があった。また、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、アルミニウム合金としては非常に高い400℃までの高温で安定していた。

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。

「われわれの方法論は、3Dプリンティング合金設計を行いたい人に新たな扉を開く。私の夢は、いつの日か、飛行機の窓の外を眺めている乗客が、われわれのアルミニウム合金で作られたエンジンのファンブレードを見ることだ」とTaheri-Mousaviは話している。