Un equipo colaborativo multiuniversitario buscará nuevas herramientas de diseño mejoradas con IA y métodos de prueba de alto rendimiento para turbomaquinaria de próxima generación.
Un reciente premio de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA) reúne a investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad Carnegie Mellon (CMU) y la Universidad Lehigh (Lehigh) en el marco del programa Ingeniería y Pruebas Multiobjetivo de Estructuras de Aleación (METALS) . El equipo investigará nuevas herramientas de diseño para la optimización simultánea de la forma y los gradientes compositivos en estructuras de múltiples materiales que complementen las nuevas técnicas de prueba de materiales de alto rendimiento, con especial atención a la geometría de disco de álabes (blisk) que se encuentra comúnmente en turbomáquinas (incluidos los motores a reacción y de cohetes) como un problema de desafío ejemplar.
“Este proyecto podría tener implicaciones importantes en una amplia gama de tecnologías aeroespaciales. Los conocimientos de este trabajo pueden permitir motores de cohetes más confiables y reutilizables que impulsarán la próxima generación de vehículos de lanzamiento de carga pesada”, dice Zachary Cordero, profesor asociado Esther y Harold E. Edgerton en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT (AeroAstro) e investigador principal del proyecto. “Este proyecto fusiona análisis de mecánica clásica con tecnologías de diseño de inteligencia artificial generativa de vanguardia para liberar la reserva plástica de aleaciones graduadas por composición, lo que permite un funcionamiento seguro en condiciones previamente inaccesibles”.
Las diferentes ubicaciones de los blisks requieren diferentes propiedades termomecánicas y desempeño, como resistencia a la fluencia, fatiga de bajo ciclo, alta resistencia, etc. La producción a gran escala también requiere la consideración de métricas de costo y sustentabilidad, como el abastecimiento y reciclaje de aleaciones en el diseño.
“En la actualidad, con los procedimientos de diseño y fabricación estándar, es necesario encontrar un único material, una única composición y unos parámetros de procesamiento mágicos para cumplir con las restricciones de ‘una pieza por un material’”, afirma Cordero. “Las propiedades deseadas también suelen ser mutuamente excluyentes, lo que da lugar a concesiones y compensaciones ineficientes en el diseño”.
Aunque un enfoque de un solo material puede ser óptimo para una ubicación singular en un componente, puede dejar otras ubicaciones expuestas a fallas o puede requerir que un material crítico se use en toda una pieza cuando tal vez solo sea necesario en una ubicación específica. Con el rápido avance de los procesos de fabricación aditiva que permiten el control de propiedades y composición basado en vóxeles, el equipo ve que ahora son posibles oportunidades únicas para lograr un rendimiento de vanguardia en los componentes estructurales.
Entre los colaboradores de Cordero se incluyen Zoltan Spakovszky, profesor de Aeronáutica T. Wilson (1953) en AeroAstro; A. John Hart, profesor de la promoción de 1922 y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica; Faez Ahmed, profesor asistente de desarrollo profesional de ingeniería mecánica en el MIT; S. Mohadeseh Taheri-Mousavi, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la CMU; y Natasha Vermaak, profesora asociada de ingeniería mecánica y mecánica en Lehigh.
La experiencia del equipo abarca ingeniería de materiales computacionales integrada híbrida y diseño de materiales y procesos basado en aprendizaje automático, instrumentación de precisión, metrología, optimización de topología, modelado generativo profundo, fabricación aditiva, caracterización de materiales, análisis termoestructural y turbomaquinaria.
“Es especialmente gratificante trabajar con los estudiantes de posgrado y los investigadores posdoctorales que colaboran en el proyecto METALS, desde el desarrollo de nuevos enfoques computacionales hasta la construcción de plataformas de prueba que operan en condiciones extremas”, afirma Hart. “Es una oportunidad verdaderamente única para desarrollar capacidades innovadoras que podrían sustentar los sistemas de propulsión del futuro, aprovechando las tecnologías de fabricación y diseño digital”.
Esta investigación está financiada por DARPA bajo el contrato HR00112420303. Las opiniones, puntos de vista y/o hallazgos expresados son los del autor y no deben interpretarse como si representaran las opiniones o políticas oficiales del Departamento de Defensa o del gobierno de los EE. UU. y no debe inferirse ningún respaldo oficial. MIT News. J. L. y A. W. Traducido al español
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