Así funciona el aluminio del futuro: más liviano, adaptable y diseñado con IA para la impresión 3D

En el mundo de los materiales avanzados, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha dado un paso significativo al desarrollar una aleación de aluminio impresa en 3D que establece un nuevo récord de resistencia. Esta innovación, facilitada por la aplicación de aprendizaje automático, promete revolucionar múltiples industrias al ofrecer materiales más ligeros, resistentes y adaptables a condiciones extremas.

El desarrollo de esta aleación de aluminio parte de un enfoque innovador: la utilización de algoritmos de aprendizaje automático para identificar combinaciones óptimas de materiales. Los ingenieros del MIT, partiendo de una extensa base de datos de elementos y aleaciones potenciales, emplearon simulaciones y modelos predictivos para reducir drásticamente el universo de opciones disponibles. De las miles de posibles combinaciones, el modelo permitió acotar la búsqueda a apenas 40 variantes. Posteriormente, los experimentos físicos y las pruebas de impresión 3D confirmaron la combinación ideal propuesta por el algoritmo.

Este uso del aprendizaje automático supone un avance en la manera en que se diseñan nuevos materiales. Mientras que los métodos tradicionales basan el desarrollo en aproximaciones secuenciales y en la experiencia previa, el modelo del MIT toma en cuenta la complejidad de las interacciones entre múltiples elementos y predice de manera más eficiente la influencia de cada componente en la resistencia y durabilidad del material.

Según Mohadeseh Taheri-Mousavi, profesor adjunto de la Universidad Carnegie Mellon y uno de los líderes del proyecto, este enfoque permite explorar el espacio de diseño de los materiales de forma mucho más eficiente, identificando las combinaciones con mayor potencial mecánico sin invertir recursos y tiempo en pruebas innecesarias.

El material resultante es una mezcla de aluminio y otros cinco elementos, cuya combinación exacta fue optimizada a través del modelo computacional. Una de las características sobresalientes del nuevo metal es su capacidad para soportar altas temperaturas, manteniendo intactas sus propiedades mecánicas hasta los 400 grados Celsius, una marca inusual en aleaciones basadas en aluminio. Además, las pruebas realizadas demostraron que su resistencia es hasta cinco veces superior a la del aluminio convencional producido mediante fundición.

Frente a materiales actualmente empleados en industrias como la aeronáutica, por ejemplo el titanio, esta nueva aleación representa una alternativa mucho más ligera y económica. El titanio es tradicionalmente utilizado para fabricar partes de motores de alto rendimiento (como aspas de ventilador), pero su peso es más de un 50% superior al del aluminio y su coste puede llegar a ser hasta diez veces mayor. El nuevo aluminio imprimible surge así como una opción con ventajas tanto en prestaciones como en reducción de costes.

El origen de este desarrollo puede rastrearse hasta una clase impartida en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, donde Taheri-Mousavi aprendió a utilizar simulaciones para diseñar aleaciones de alto rendimiento basadas en microdimensionamiento. Bajo la tutela de Greg Olson, la premisa era simple, pero desafiante: alcanzar la máxima fuerza posible variando la composición y el tamaño de las partículas que forman la microestructura del material.

El aprendizaje obtenido no solo se aplicó a las simulaciones clásicas, sino que motivó a Taheri-Mousavi a combinar estas herramientas con aprendizaje automático. El resultado fue la identificación de una receta química cuyos precipitados microscópicos se empacan de manera más densa y en fracciones de volumen más altas que en aleaciones previas, lo que incrementa la resistencia del material manteniendo su estabilidad térmica.

Una de las claves para garantizar la fuerza y estabilidad térmica de la aleación radica en el proceso de fabricación. Si bien el método tradicional de fundición impone ciertas limitaciones debido al enfriamiento lento y a la segregación de fases, la impresión 3D ofrece la posibilidad de un enfriamiento rápido y un control preciso de la estructura interna. Así, la impresión 3D no solo produce piezas con geometrías complejas, sino que, en este caso, permite manufacturar un metal con características microestructurales inéditas.

John Hart, ex jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, subraya que la capacidad de fabricar piezas complejas, ahorrar material y obtener diseños únicos abre una puerta para aplicar esta aleación en sectores tan diversos como la fabricación de piezas para motores de avión, automóviles de alta gama, bombas de vacío de última generación y sistemas de enfriamiento en centros de datos.

“Dado que la impresión 3D puede producir geometrías complejas, ahorrar material y permitir diseños únicos, vemos esta aleación imprimible como algo que también podría usarse en bombas de vacío avanzadas, automóviles de alta gama y dispositivos de enfriamiento para centros de datos”, agrega Hart.

El impacto potencial de este avance se extiende mucho más allá del laboratorio. La nueva aleación puede redundar en productos notablemente más ligeros y resistentes, lo cual se traduce en eficiencia energética y reducción de costes operativos, sobre todo en el sector transporte. Si las aspas de los motores de aeronaves futuras logran reemplazar el titanio por esta aleación de aluminio, los beneficios serían medibles tanto en consumo de combustible como en emisiones y costos de mantenimiento.

El entusiasmo de los expertos queda reflejado en declaraciones como la de Taheri-Mousavi, quien expresa su aspiración de que algún día los pasajeros puedan ver, desde la ventanilla de un avión, aspas fabricadas con materiales resultado de este desarrollo. Los detalles técnicos del proceso y resultados alcanzados han sido publicados en la revista Advanced Materials, compartiendo la metodología y hallazgos con la comunidad científica.

“Nuestra metodología abre nuevas puertas para cualquiera que desee diseñar aleaciones con impresión 3D”, afirma Taheri-Mousavi. “Mi sueño es que algún día, al mirar por la ventana de su avión, los pasajeros vean las aspas de los motores fabricadas con nuestras aleaciones de aluminio”, agrega.

La conjunción entre inteligencia artificial, microingeniería y manufactura avanzada marca una etapa decisiva en el diseño de materiales. El avance logrado en el MIT no solo multiplica las opciones técnicas para la industria, sino que inaugura nuevas rutas para el desarrollo de metales con propiedades a medida, diseñadas y optimizadas a escala atómica y fabricadas con tecnología de impresión 3D.