亞利桑那州立大學(xué)借助AI提升316L不銹鋼3D打印速度與精度

2025年6月16日，南極熊獲悉，亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究人員正在開(kāi)發(fā)新的人工智能工具，以增強(qiáng)金屬3D打印工藝。這項(xiàng)技術(shù)可以顯著提升金屬3D打印的速度、精度與效率。該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助，由Aviral Shrivastava教授與Ashif Iquebal教授領(lǐng)銜，致力于開(kāi)發(fā)“CompAM：實(shí)現(xiàn)計(jì)算增材制造”系統(tǒng)。

打印海軍螺旋槳：一個(gè)實(shí)際測(cè)試案例

本次研究的核心挑戰(zhàn)在于3D打印復(fù)雜的五軸316L不銹鋼海軍螺旋槳。該部件對(duì)幾何形狀與性能要求極高，且對(duì)材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸小于1微米——遠(yuǎn)小于蜘蛛絲的直徑，從而顯著提升材料的強(qiáng)度與耐久性。

在金屬增材制造過(guò)程中，微小的熱變化和時(shí)間控制對(duì)部件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能產(chǎn)生顯著影響。為了滿(mǎn)足海軍螺旋槳等具有嚴(yán)格性能要求的部件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)專(zhuān)家通常需要運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬，以確定打印和冷卻速率對(duì)整個(gè)制造過(guò)程的影響，或者依賴(lài)于一系列反復(fù)的試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化參數(shù)。這種方法不僅耗時(shí)而且成本高昂。例如，在一臺(tái)擁有1000個(gè)核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)上，模擬一組海軍螺旋槳的打印參數(shù)可能需要超過(guò)60天。

通過(guò)人工智能控制微觀(guān)結(jié)構(gòu)

為了提高效率和精確度，ASU團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出基于物理原理、由人工智能驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。新系統(tǒng)能夠在打印過(guò)程中智能識(shí)別并聚焦于關(guān)鍵區(qū)域，跳過(guò)穩(wěn)定部分，從而大幅縮短模擬時(shí)間并提升預(yù)測(cè)精度。這些進(jìn)步預(yù)計(jì)將加速金屬增材制造技術(shù)的創(chuàng)新，降低生產(chǎn)成本，并使得高精度和定制化金屬部件的制造更加經(jīng)濟(jì)可行。

Shrivastava教授表示：“物理學(xué)為現(xiàn)實(shí)世界提供了規(guī)則。通過(guò)將這些規(guī)則與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能學(xué)習(xí)相結(jié)合，我們無(wú)需依賴(lài)龐大的數(shù)據(jù)集，也能實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的適應(yīng)性控制。”

Iquebal教授補(bǔ)充道：“該項(xiàng)目的真正價(jià)值在于將前沿研究與工業(yè)實(shí)際需求緊密結(jié)合。尤其在航空航天與國(guó)防等對(duì)材料性能有極高要求的領(lǐng)域，能夠提前預(yù)測(cè)并微調(diào)材料特性至關(guān)重要。”

研究團(tuán)隊(duì)將使用亞利桑那州立大學(xué)最先進(jìn)的3D打印機(jī)（配備激光器和六軸機(jī)械臂），比較打印螺旋槳中預(yù)測(cè)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與實(shí)際的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)果將與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，并且開(kāi)發(fā)的工具將以開(kāi)源方式發(fā)布。

本項(xiàng)目不僅加速了先進(jìn)制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，還推動(dòng)了人工智能在工程教育與工業(yè)應(yīng)用中的深度融合，助力理論創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的金屬增材制造解決方案。