ASU 研究人員利用AI實(shí)現(xiàn)316L螺旋槳智能化3D打印，可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)微結(jié)構(gòu)形成
時(shí)間：2025-06-16 09:11 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年6月15日，來(lái)自亞利桑那州立大學(xué) (ASU)正在開(kāi)發(fā)新的人工智能，以使 3D 打印不銹鋼的過(guò)程更快、更可靠。
ASU計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)教授AviralShrivastava和工業(yè)工程學(xué)助理教授Ashif Iquebal獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“CompAM：實(shí)現(xiàn)計(jì)算增材制造”項(xiàng)目的資助，該項(xiàng)目利用人工智能預(yù)測(cè)材料在制造過(guò)程中的形成方式，使金屬 3D 打印更快、更可靠。在項(xiàng)目演示階段，研究團(tuán)隊(duì)將使用常見(jiàn)的工業(yè)級(jí)金屬合金316L不銹鋼3D打印一個(gè)五軸金屬海軍螺旋槳。目標(biāo)是精確控制打印過(guò)程，將金屬顆粒尺寸控制在1微米以下——大約相當(dāng)于一根蜘蛛絲的寬度——從而顯著提升材料的性能。
為什么是螺旋槳？因?yàn)樗w積龐大，幾何形狀復(fù)雜，對(duì)精度要求高——這種部件正是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)突破極限的體現(xiàn)。
從鍛造廠到艦隊(duì)
增材制造技術(shù)應(yīng)用面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（稱為微觀結(jié)構(gòu)）會(huì)根據(jù)部件的打印方式而發(fā)生變化。打印過(guò)程中，熱量或時(shí)間的細(xì)微變化都可能極大地改變材料的性能。Shrivastava說(shuō)：“當(dāng)我們進(jìn)行金屬打印時(shí)，金屬的質(zhì)量實(shí)際上取決于冷卻曲線。我們希望控制冷卻，以便達(dá)到所需的性能。”他從傳統(tǒng)鍛造工藝的角度解釋了這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)上，鐵匠使用不同形式的淬火工藝來(lái)冷卻金屬。將白熱的金屬浸入水中可以快速冷卻，從而制成堅(jiān)硬的工具，例如劍或刀。而砂淬火則使金屬隨著時(shí)間的推移冷卻得更慢，從而形成更具延展性的材料。
由于海軍螺旋槳等部件具有嚴(yán)格的性能和工程標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)業(yè)界想要3D打印此類部件時(shí)，專家必須運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，以確定打印和冷卻速度等因素將如何影響整個(gè)過(guò)程。或者，他們必須依靠反復(fù)試驗(yàn)。
為了避免反復(fù)試驗(yàn)帶來(lái)的浪費(fèi)和不確定性，亞利桑那州立大學(xué)的研究人員正在尋求更高效的模擬方法。傳統(tǒng)的模擬方法可能既緩慢又昂貴。使用目前的方法，僅對(duì)一組海軍螺旋槳的打印參數(shù)進(jìn)行模擬，就需要使用一臺(tái)擁有 1000 個(gè)核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)耗時(shí)超過(guò) 60 天。
Shrivastava 和Iqubal 的團(tuán)隊(duì)想要改變這一切。他們正在構(gòu)建一個(gè)基于物理、人工智能的系統(tǒng)，可以預(yù)測(cè)金屬在打印過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種更智能的方法，讓人工智能無(wú)需海量數(shù)據(jù)或復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算就能學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理概念。系統(tǒng)會(huì)邊學(xué)習(xí)邊運(yùn)行，識(shí)別出需要重點(diǎn)關(guān)注的重要數(shù)據(jù)點(diǎn)。Shrivastava 說(shuō)：“對(duì)于許多過(guò)程，實(shí)際上已經(jīng)有很多研究。物理學(xué)只是現(xiàn)實(shí)世界中遵循的一套規(guī)則。我們正在做的是，將這些方程式與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)相結(jié)合，使系統(tǒng)學(xué)習(xí)得更好、更快。”
新系統(tǒng)還可以通過(guò)定義材料中需要比其他區(qū)域更詳細(xì)關(guān)注的區(qū)域來(lái)節(jié)省時(shí)間，跳過(guò)打印過(guò)程中不會(huì)發(fā)生太大變化的部分。
甲板上的工業(yè)工程
項(xiàng)目以伊克巴爾在智能制造領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)。Iquebal表示，確保這項(xiàng)工作具有明確的工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。他說(shuō)道：“這項(xiàng)工作的真正價(jià)值在于它能夠?qū)⒀芯颗c產(chǎn)業(yè)需求聯(lián)系起來(lái)。在航空航天、國(guó)防和能源等行業(yè)，金屬部件的性能至關(guān)重要。通過(guò)為制造商提供更快、更精準(zhǔn)的工具來(lái)預(yù)測(cè)和控制材料特性，我們正在開(kāi)啟精密制造的新時(shí)代，并減少那些往往會(huì)阻礙創(chuàng)新的、代價(jià)高昂的猜測(cè)。”
Iquebal 和團(tuán)隊(duì)將利用亞利桑那州立大學(xué)創(chuàng)新中心新購(gòu)置的一臺(tái)配備六軸機(jī)械臂和激光器的高科技 3D 打印機(jī)，用不銹鋼打造一個(gè)大型海軍螺旋槳，并將預(yù)測(cè)的微觀結(jié)構(gòu)與部件內(nèi)部實(shí)際形成的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。之后，他們將通過(guò)與傳統(tǒng)模擬結(jié)果和實(shí)際打印的螺旋槳進(jìn)行比較，來(lái)測(cè)試新技術(shù)的準(zhǔn)確性。Iquebal 和團(tuán)隊(duì)假設(shè)，制造商將能夠微調(diào) 3D 打印流程，以更少的試驗(yàn)獲得所需的精確屬性。這些軟件和工具將免費(fèi)開(kāi)放，幫助其他領(lǐng)域的研究人員加快自己的模擬速度。
Shrivastava 表示，研究團(tuán)隊(duì)還將把這項(xiàng)工作納入研究生計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，并針對(duì)K-12 學(xué)生開(kāi)展外展活動(dòng)。計(jì)算機(jī)與增強(qiáng)智能學(xué)院院長(zhǎng)Ross Maciejewski表示，這項(xiàng)工作展示了學(xué)院內(nèi)工業(yè)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要交匯點(diǎn)。
最后，Maciejewski說(shuō)道“這個(gè)項(xiàng)目正是我們所追求的——與產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)的創(chuàng)新。通過(guò)將人工智能與材料科學(xué)相結(jié)合，我們的教職員工正在為先進(jìn)制造業(yè)開(kāi)辟一條新的道路。這展現(xiàn)了我們的研究如何推動(dòng)工程學(xué)的未來(lái)發(fā)展。”
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