金屬3D打印+AI=制造業(yè)革命？多大華人教授團(tuán)隊(duì)科研新突破

來源：加拿大多倫多大學(xué)教育

一張通過激光3D打印制造金屬部件的圖片

（圖源：Extreme Mechanics & Additive Manufacturing實(shí)驗(yàn)室）

過去，3D打印金屬零件常常意味著高成本、慢效率。想要打印一個(gè)質(zhì)量穩(wěn)定的部件，工程師往往要通過無數(shù)次試驗(yàn)調(diào)試激光功率和溫度，才能找到最合適的打印方案。

但現(xiàn)在，想象一下，如果制造一枚復(fù)雜的金屬零件，不再需要高昂的試驗(yàn)成本和漫長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間，而是像“開掛”一樣，僅需一小時(shí)就能精準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)—— 這正是多大應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院材料工程系的鄒宇（Yu Zou）教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)的一項(xiàng)突破性研究。

精準(zhǔn)又高效：
金屬3D打印也能“自學(xué)成才”

鄒宇教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一套全新的機(jī)器學(xué)習(xí)框架AIDED（Accurate Inverse process optimization framework in laser Directed Energy Deposition），該框架可理解為“激光定向能量沉積精確反向優(yōu)化框架”。

聽上去很學(xué)術(shù)？

讓我們用一句話解釋它的厲害之處：

這個(gè)AI系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)金屬在3D打印過程中如何熔化與凝固，從而自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)打印參數(shù)，大幅減少試錯(cuò)時(shí)間，提升打印成品的精度與穩(wěn)定性，讓金屬3D打印真正實(shí)現(xiàn)“快、準(zhǔn)、省”。

目前，這項(xiàng)研究已發(fā)表于《Additive Manufacturing》國(guó)際期刊上。研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)未來可廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車、核能等行業(yè)，助力打造更精準(zhǔn)、更可靠的高性能零部件。

作為該研究的第一作者，博士研究生尚笑（Xiao Shang）指出：

“ 目前，激光定向能量沉積（DED）——這一關(guān)鍵金屬3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，正受到試錯(cuò)成本高昂的限制。而我們開發(fā)的AIDED框架，能夠根據(jù)不同行業(yè)的具體需求，快速識(shí)別出最優(yōu)工藝參數(shù)，大大提高效率并降低成本。”

什么是金屬3D打印？
AIDED 到底解決了什么問題？

金屬3D打印通過高能激光將金屬粉末一層層熔合，直接根據(jù)數(shù)字模型“打印”出零部件。相較于傳統(tǒng)切割、鑄造或機(jī)加工方式，它能節(jié)省材料、提升定制能力，是未來制造趨勢(shì)。近年來，金屬3D打印已被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、生物醫(yī)療、核能等高精度制造領(lǐng)域。

鄒宇教授表示，普通的金屬3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中仍面臨兩大難題：

打印速度與精度難以兼顧：打印條件稍有波動(dòng)，最終成品質(zhì)量就可能不穩(wěn)定。

材料參數(shù)復(fù)雜：不同金屬對(duì)激光功率、掃描速度、溫度等參數(shù)的要求都不同，要找到合適“配方”非常耗時(shí)。

而AIDED框架的出現(xiàn)，正是為了解決這些難題 —— 用AI算法，破解傳統(tǒng)制造中的“試錯(cuò)困境”。

靈感來自“自然選擇”：
AIDED如何工作？

AIDED的核心原理，是一個(gè)由進(jìn)化算法驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)，模擬自然選擇過程以尋找最優(yōu)工藝參數(shù)：

首先，系統(tǒng)通過模擬“進(jìn)化”的遺傳算法生成多個(gè)打印參數(shù)組合；

然后，用機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)每組參數(shù)的打印效果；

接著持續(xù)優(yōu)化迭代，不斷篩選出最優(yōu)解，直到找到最佳設(shè)置。

這種“閉環(huán)式”的自我優(yōu)化機(jī)制，讓AIDED不到一小時(shí)就能完成復(fù)雜金屬零件的打印參數(shù)配置，還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)打印出的幾何形態(tài)。

尚笑補(bǔ)充道：

“ 這項(xiàng)技術(shù)不僅運(yùn)行速度快，而且適用于多種金屬材料�！�

下一步目標(biāo)：
“自駕”3D打�。�

目前，鄒宇教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正在著手開發(fā)一個(gè)更強(qiáng)大的 “自主駕駛“3D打印系統(tǒng)——像無人駕駛汽車一樣，AIDED系統(tǒng)未來將可以在最小化人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)3D打印全自動(dòng)運(yùn)行：

實(shí)時(shí)識(shí)別潛在打印缺陷

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，問題未發(fā)先知

自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，確保生產(chǎn)質(zhì)量

“這項(xiàng)技術(shù)將使高效制造成為現(xiàn)實(shí)，”鄒宇教授表示，“并且對(duì)不同材料、不同幾何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都具有適應(yīng)性，真正改變傳統(tǒng)制造行業(yè)�！�

研究團(tuán)隊(duì)希望AIDED可以成為推動(dòng)工業(yè)從傳統(tǒng)制造邁向智能3D打印的關(guān)鍵一步。

無論是用于精密醫(yī)療器械、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件、汽車組件，還是核能系統(tǒng)，工業(yè)界都需要一種低成本、高精度、高效率的解決方案。

到2030年，3D打印有望徹底重塑多個(gè)高精度制造行業(yè)。

——鄒宇教授

讓我們持續(xù)關(guān)注這項(xiàng)前沿研究，共同見證 AI 與工程如何融合創(chuàng)新，引領(lǐng)智能制造新時(shí)代！