立體光刻3D打印分離力的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)快速預(yù)測(cè)

作者：武向權(quán)，連芩

美國(guó)布法羅大學(xué)（UB）機(jī)械與航空航天工程系的Jun Wang, Sonjoy Das等人提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方案的快速計(jì)算方法來預(yù)測(cè)自自底向上立體光刻（SLA）工藝中的分離應(yīng)力分布，取得了初步進(jìn)展。

粘聚區(qū)有限元模擬是一種基于力學(xué)的計(jì)算方法，可用于模擬自底向上立體光刻（SLA）系統(tǒng)中的上拉過程（如圖1所示），以顯著增v加這種SLA工藝的可靠性和吞吐量。有限元仿真基于上拉速度和在上拉過程中分離部件的形狀和面積。然而，有限元（FE）模擬單個(gè)部件的上拉過程在計(jì)算上非常耗時(shí)，所以不適合在線監(jiān)控。

圖1自底向上立體光刻（SLA）在上拉過程中固化部分和樹脂槽之間的分離過程

該研究描述了一種快速計(jì)算的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方案來預(yù)測(cè)自自底向上立體光刻（SLA）工藝中的分離應(yīng)力分布。所用的方案依賴于2D形狀上下文描述符，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）和有限數(shù)量的離線FE模擬。有限元模型和n倍對(duì)稱形狀橫截面的結(jié)果構(gòu)成了最終的數(shù)據(jù)庫(kù)。該2D形狀上下文描述符通過數(shù)據(jù)庫(kù)中的對(duì)數(shù)極坐標(biāo)直方圖表示不同的形狀。一個(gè)使用幾何形狀的對(duì)數(shù)極坐標(biāo)直方圖訓(xùn)練反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為輸入，F(xiàn)E模擬應(yīng)力分布作為輸出。然后可以使用訓(xùn)練的NN進(jìn)行預(yù)測(cè)新形狀的分離應(yīng)力分布，如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法利用n次對(duì)稱形狀，2D形狀上下文形狀描述符以及有限元模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建預(yù)測(cè)模型

圖3 （a）基于有限元模的von-Mises應(yīng)力，（b）基于NN的預(yù)測(cè)的示例，這個(gè)預(yù)測(cè)使用了數(shù)據(jù)庫(kù)128個(gè)形狀和大小為100×100的正方形網(wǎng)格上的輸出。

結(jié)果表明（圖3）所提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法可以大大降低計(jì)算成本并適用于任何通用數(shù)據(jù)庫(kù)。在新形狀下比較數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果和模擬FE結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

基于n重對(duì)稱形狀的預(yù)測(cè)模型顯示了良好的學(xué)習(xí)能力，取得了相當(dāng)好的準(zhǔn)確性，甚至可用于預(yù)測(cè)形狀復(fù)雜并且與目前數(shù)據(jù)庫(kù)形狀不同的情況。該方法不僅限于對(duì)稱形狀。未來研究的一個(gè)方向是創(chuàng)建一個(gè)適用于復(fù)雜一般形狀的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算過程。復(fù)雜性一般形狀的數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建預(yù)計(jì)會(huì)很難，因?yàn)樗鼘⑸婕笆謩?dòng)從Thingiverse.com等存儲(chǔ)庫(kù)在線下載3D模型。在模型有限元模擬之前需要對(duì)其進(jìn)一步處理（如切片和有限元模型）。


作者：武向權(quán)，連芩
來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室