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Wissenschaftler des MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) haben eine neue Methode zur Entwicklung von hochfesten Verbundwerkstoffen vorgestellt. Durch die Kombination von Simulationen, Künstlicher Intelligenz und 3D-Druck gelang es ihnen, Mikrostrukturen für Faserverbundwerkstoffe zu finden, die eine optimale Balance zwischen Steifigkeit und Zähigkeit aufweisen.
Laut Doktorand Beichen Li ermöglicht ihr systematischer Ansatz die Übertragung auf andere Bereiche wie Chemie oder Strömungsmechanik. Im Fokus standen Faserverbundwerkstoffe, wie sie etwa in Fahrzeugen oder Flugzeugen eingesetzt werden. Hier gilt es, widerstreitende Anforderungen in Bezug auf Steifigkeit und Bruchfestigkeit auszubalancieren.
Die Forscher generierten zunächst per 3D-Druck eine Vielzahl von Probekörpern mit unterschiedlichen Mikrostrukturen aus zwei Ausgangsstoffen. Diese wurden dann mechanisch getestet. Parallel dazu simulierten sie das Materialverhalten am Computer. Mit Hilfe neuronaler Netze als Surrogatmodelle gelang eine enorme Beschleunigung. Die Simulationen sagten die Resultate der realen Versuche sehr genau voraus.
Ein evolutionärer Algorithmus durchsuchte den Lösungsraum und identifizierte Mikrostrukturen mit nahezu optimalen mechanischen Kennwerten. Der gesamte Prozess läuft wie ein sich selbst korrigierendes System, das Theorie und Praxis Schritt für Schritt angleicht.
Nach Aussage von Li gibt es noch Herausforderungen in Bezug auf Konsistenz beim 3D-Druck und Skalierbarkeit. Das Ziel sei eine vollautomatisierte Pipeline vom Design bis zum mechanischen Test. Damit ließe sich der Entwicklungsprozess für neuartige Verbundwerkstoffe erheblich beschleunigen und verbessern.
Die Veröffentlichung “Computational discovery of microstructured composites with optimal stiffness-toughness trade-offs” im Fachmagazin “Science Advances” stieß bereits auf großes Interesse. Die Forschung wurde u.a. durch den Chemiekonzern BASF unterstützt.
