通過機(jī)器學(xué)習(xí)映射增材制造射頻器件的幾何和電磁特征空間

供稿人：冉陽、魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


直寫成型（DIW）技術(shù)是一種具有代表性的增材制造（AM）方法，由于其可重復(fù)的特征分辨率和形成導(dǎo)電粘彈性油墨的能力，該方法能夠打印在射頻（RF）波段工作的高導(dǎo)電跡線。新型導(dǎo)電和介電油墨的快速發(fā)展拓展了增材制造電磁（EM）器件的設(shè)計(jì)空間，但也對(duì)工藝和性能控制提出了新的挑戰(zhàn)，其中構(gòu)建質(zhì)量缺陷是追求一致的幾何和操作規(guī)范時(shí)普遍存在的主要挑戰(zhàn)。理解AM和EM性能標(biāo)準(zhǔn)之間的聯(lián)系對(duì)于減輕工藝特定缺陷的影響至關(guān)重要。但是由于評(píng)估射頻性能域的計(jì)算成本，和缺乏對(duì)工藝特定缺陷影響的經(jīng)驗(yàn)以及需要對(duì)單個(gè)元件進(jìn)行仿真，在線表征缺陷具有挑戰(zhàn)性，幾何結(jié)構(gòu)和射頻性能之間的映射通常是一項(xiàng)艱難的任務(wù)。

最近美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程系Deanna等人通過將幾何方差映射到電磁性能度量，提出了一個(gè)識(shí)別缺陷機(jī)制及其性能影響的框架。該方法在避免在線電磁模擬的高計(jì)算成本的同時(shí)，可以加速增材制造反饋。他們首先使用降維來探索幾何制造異常和電磁性能的總體，然后訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)打印幾何圖形的電磁性能。在生成網(wǎng)絡(luò)時(shí)研究了兩個(gè)輸入：一個(gè)是圖像派生的幾何描述，另一個(gè)是使用相同的描述和附加的模擬電磁信息。結(jié)果表明，無需在線仿真即可創(chuàng)建快速的增材反饋系統(tǒng)來預(yù)測(cè)電磁性能。其概念系統(tǒng)流程圖以及如何從具有不同缺陷水平的總體中選擇三個(gè)元素來實(shí)現(xiàn)流形映射如圖1所示，圖2顯示了統(tǒng)一流形近似和投影（UMAP）。

圖1 映射增材制造反饋回路中的制造缺陷和電磁性能歧管。 （a）簡(jiǎn)化的增材反饋流程圖；（b）用制造和性能歧管表示制造和性能塊的示意圖。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和密集層降維。（a）可接受（藍(lán)色）和不可接受（橙色）二值輸出著色的制造螺旋的UMAP流形投影，（b）具有二值輸出著色的電磁傳輸響應(yīng)曲線的UMAP流形投影，（c）邊界輪廓圖像示例和相應(yīng)的CNN拓?fù)�，（d）表面電流圖像示例和相應(yīng)的CNN拓?fù)�，邊界輪廓密集層降維：（e）用戶定義輸出，（f）CNN預(yù)測(cè)值，（g）CNN假陽性和假陰性，表面電流圖像密集層降維：（h）用戶定義輸出，（i）CNN預(yù)測(cè)值，（j）CNN假陽性和假陰性。

這項(xiàng)研究為機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)如何應(yīng)用于快速的增材制造反饋過程提供了新的視角。這些技術(shù)可用于了解制造差異，并糾正由工藝特定缺陷引起的性能錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)：Deanna S、Venkatesh M、Andrew G 等人。 （2022 年）。 使用機(jī)器學(xué)習(xí)為增材制造的射頻設(shè)備映射幾何和電磁特征空間，增材制造，ISSN 2214-8604