冶金、機(jī)械模型及機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中的應(yīng)用

來源：江蘇激光聯(lián)盟

本文為大家展示了金屬打印在冶金以及利用機(jī)械模型和機(jī)器學(xué)習(xí)等方面的先進(jìn)應(yīng)用，以及這些手段在拓展金屬增材制造方面所起的作用。本文為第二部分。


機(jī)械模型
機(jī)械模型可以對工藝過程中的變量如溫度場和速度場、冷卻速率和凝固參數(shù)等在增材制造過程中不易測量的量進(jìn)行計(jì)算。這些模型提供了增材制造打印部件在工藝參數(shù)變化和原材料的熱物理性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)顯微組織和性能如何變化的現(xiàn)象進(jìn)行描述。然而，工藝和產(chǎn)品的數(shù)字表征在當(dāng)今還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這一復(fù)雜性的表征，通常是選取最為重要的工藝參數(shù)而忽略不重要的工藝過程。這些假設(shè)基本是可信的，其可信的程度通過模型預(yù)測的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較來驗(yàn)證。此外，該任務(wù)所用的模型一般是借鑒熔化焊接和冶金學(xué)中的模型。

增材制造中的機(jī)械模型廣泛地用于參數(shù)變化和部件組織性能之間的關(guān)系預(yù)測中。大多數(shù)的工藝參數(shù)的物理變化需要應(yīng)用多尺度地模擬來表征，并且在某些場合中還會(huì)用到跨尺度的變化。大多數(shù)的模擬需要用到瞬時(shí)的3D溫度場。考慮到計(jì)算效率的變化取決于所考慮地物理工藝過程和計(jì)算的尺度。當(dāng)計(jì)算是在介觀尺度進(jìn)行時(shí)，其計(jì)算速度是非�？斓�。然而，采用同樣的計(jì)算對粉末層面地模型進(jìn)行計(jì)算則需要幾倍數(shù)量級的時(shí)間。因此，將時(shí)間尺度和長度尺度結(jié)合在一起是一件非常有挑戰(zhàn)的事情，需要進(jìn)一步的研究。在這里，我們對現(xiàn)有的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧，對機(jī)械模型在金屬打印中面臨的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)也做了介紹。

傳熱模型和金屬流動(dòng)模型
金屬打印包括加熱、熔化、凝固和固態(tài)相變的過程，以及熔化區(qū)形狀、顯微組織、缺陷、機(jī)械性能和殘余應(yīng)力和變形的演變情況。對這些物理參數(shù)的變化同部件組織性能的定量關(guān)系的理解始于熔化區(qū)瞬時(shí)溫度場和液態(tài)金屬流動(dòng)的模擬。傳熱和液態(tài)金屬的流動(dòng)的模擬基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量和能量守恒的原理來獲得諸如溫度-時(shí)間歷史的變化、熔化區(qū)形狀和凝固速率的變化等。圖5a為在PBF-L、DED-L工藝中利用粉末和DED-GMA中利用絲材為原材料時(shí)得到的典型的熔池的溫度場和速度場。熔池的3D溫度場分布和形狀變化以及原材料（粉末或絲材）的變化可以通過基于介觀模型的傳輸現(xiàn)象來獲得。這些模型可以模擬在多層沉積時(shí)的情形，此時(shí)每一層包含著多道熔道。

增材制造是依靠局部原材料的熔化和凝固來實(shí)現(xiàn)的，結(jié)果，熔池的形狀和尺寸影響著打印部件的顯微組織和性能。除去對部件的形狀特征進(jìn)行計(jì)算之外，這些模型還可以計(jì)算在制造過程中沉積金屬時(shí)的多個(gè)熱循環(huán)。這些結(jié)果可以提供不同監(jiān)控位置的溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)圖（見圖5b）。熱循環(huán)對顯微組織的模擬是非常必須的。實(shí)驗(yàn)測量諸如詳盡的溫度-時(shí)間-空間的數(shù)據(jù)是非常困難的，這是因?yàn)樵霾闹圃旃に嚤旧淼膹?fù)雜性的本質(zhì)所決定的。然而，在某些局部區(qū)域的溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，如果可以獲得的話，對測試和校準(zhǔn)模型是非常有用的。從傳熱和流體模型中得到的結(jié)果可以促進(jìn)對顯微組織、晶粒結(jié)構(gòu)和可打印性的定量理解。


顯微組織演變的模擬
在顯微組織中不同成分變化時(shí)相分?jǐn)?shù)的模擬有助于理解打印部件在熱處理前后的性能。每一可熱處理的合金在加熱和冷卻時(shí)經(jīng)受著獨(dú)特的相變過程。結(jié)果，顯微組織的模擬是同合金密切相關(guān)的，代表著顯微組織演變過程中每一個(gè)相發(fā)生相變的可能的途徑。在金屬部件經(jīng)受多道熱循環(huán)時(shí)多道熔化焊的顯微組織的計(jì)算方面的文章是比較豐富的。這一過程同增材制造工藝是比較相似的。在這些系統(tǒng)和增材制造中，可靠的顯微組織的計(jì)算已經(jīng)通過在連續(xù)冷卻相變圖和相分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化中所得得詳細(xì)得動(dòng)力學(xué)信息而獲得。

相變的模擬和顯微組織特征的尺度曾經(jīng)用來考慮熱歷史和 合金成分。Avrami等式顯微組織的計(jì)算，基于Johnson-Mehl對PBF-L Ti6Al4V合金是非常有用的，同時(shí)連續(xù)冷卻相變圖已經(jīng)被用來理解DED-L Ti6Al4V的顯微組織的演變，同時(shí)用于DED-L In718合金的析出動(dòng)力學(xué)的模擬。盡管這些計(jì)算結(jié)果提供了相分?jǐn)?shù)的可靠結(jié)果，但他們卻不能提供形貌方面的信息。相變模擬手段被用來解決小長度范圍內(nèi)的顯微組織的特征。例如，相場模擬鋁合金的顯微組織演變時(shí)則呈現(xiàn)出枝晶的生長，見圖5b。相場模擬同時(shí)還被用于鎳基高溫合金的顯微組織的計(jì)算。在DED-L Ti6Al4V合金時(shí)β相向織籃α相的固態(tài)相變轉(zhuǎn)變。曾經(jīng)利用相場模型基于粉末尺度的溫度計(jì)算進(jìn)行模擬。在這些模型中，將物理模型中的孕育、加熱和冷卻考慮進(jìn)3D的熔體流動(dòng)中是非常有挑戰(zhàn)的。同樣，邊界條件中的能量場的定義也是如此。相分?jǐn)?shù)演變在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)值方面定量數(shù)據(jù)的缺乏（在長度方面同部件相比）增加了困難。

圖5 金屬打印時(shí)不同類型的機(jī)械模型的結(jié)果

晶粒結(jié)構(gòu)演變的計(jì)算
晶粒的形貌、尺寸和方位影響著部件的機(jī)械性能和化學(xué)性能。晶粒尺寸的空間變化和形貌可以通過不同方向一定的截面來觀察。然而，取決于所選取的平面，柱狀晶有可能在某些截面看起來像等軸晶�；�于Monte Carl的晶粒生長的模擬可以理解打印部件的晶粒結(jié)構(gòu)。這些模型可以模擬不同晶粒形貌的過渡狀態(tài)，如柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，在同方位相關(guān)的凝固狀態(tài)下晶粒生長方向的變化以及多個(gè)熱循環(huán)時(shí)固態(tài)下晶粒生長方向的變化以及多個(gè)熱循環(huán)時(shí)固態(tài)晶粒的生長等。晶粒形貌的孕育密度的影響的計(jì)算則表明等軸晶的數(shù)量隨著孕育密度的CET的增加而變化，此時(shí)孕育密度比較大。

3D晶粒的生長模型可以揭示晶粒結(jié)構(gòu)的演化和提供有關(guān)晶粒形貌、尺寸和方向以及織構(gòu)方面的信息。這些計(jì)算需要溫度場的3D瞬時(shí)信息、熔化區(qū)的尺寸、局部的溫度梯度和在不同方位的凝固生長速率，所有這些可以通過熱模擬和流體的模擬來獲得。晶粒從部分熔化的晶粒進(jìn)行外延生長和遵從凝固前沿的最大熱流方向�？梢栽谝欢ǖ臋M截面上呈現(xiàn)出等軸晶。

殘余應(yīng)力和變形的模擬
應(yīng)力和應(yīng)變的演化采用實(shí)驗(yàn)來確定是比較困難的，但熱模擬模型則廣泛的得到應(yīng)用。這些模型的計(jì)算工作量非常大并且給予熱傳導(dǎo)模型而忽略液相金屬的流動(dòng)，這是熔池中比較典型的熱傳導(dǎo)機(jī)制。更精確地計(jì)算將考慮對流傳熱，同計(jì)算軟件和硬件的改善結(jié)合在一起來進(jìn)行。殘余應(yīng)力的分布和應(yīng)變隨激光掃描路徑的變化在PBF-L、DED-L和DED-GMA時(shí)的變化是非常顯著地，見圖5d。這些計(jì)算考慮了對流傳熱并且在PBF-L時(shí)揭示出最小地殘余應(yīng)力和變形。這是因?yàn)槿鄢氐某叽缧�、沉積速率比較低。此時(shí)計(jì)算量過大，也是不太實(shí)際地。

缺陷形成的模擬
在介觀尺度模擬過程中，小尺寸的特征如表面粗糙度是不會(huì)進(jìn)行模擬的。粉末尺度的模擬則比較適合解決這一問題，因?yàn)檫@些模型比較典型的模擬1mm3或者網(wǎng)格尺寸比較小，在1-2微米時(shí)比較適合。時(shí)間分布經(jīng)常限制在幾納米范圍內(nèi)，液態(tài)金屬流動(dòng)的高速率下來維持計(jì)算的收斂在較小的網(wǎng)格間距。因此，這些模型需要花一天或者更多的時(shí)間來運(yùn)行計(jì)算。由于匙孔不穩(wěn)定性造成的空隙的形成可以通過粉末尺度的模型進(jìn)行模擬。

機(jī)械模型用于不同缺陷的形成，諸如氣孔、合金元素?zé)龘p和裂紋等開始得到應(yīng)用。常見的增材制造打印合金中，氣孔的形成在PBF和DED中是由于熔化不充分造成的。匙孔誘導(dǎo)的氣孔在高能量密度時(shí)的模擬可以捕獲到匙孔壁的不穩(wěn)定的本質(zhì)。另外一個(gè)比較重要的問題則是在高溫沉積時(shí)的元素?zé)龘p。揮發(fā)性元素的選擇性損失會(huì)導(dǎo)致原材料和沉積后的制品在化學(xué)成分上存在顯著的差別。成分的變化同時(shí)也會(huì)影響到沉積制品的顯微組織和性能。

許多合金的成功打印受到熔化和凝固過程中裂紋敏感性的阻礙。大量的裂紋經(jīng)常會(huì)在柱狀晶晶粒的邊界發(fā)生。晶粒形貌從柱狀晶到等軸晶的晶粒形貌的變化會(huì)抑制凝固裂紋的形成，因此提高了合金的可打印性。多個(gè)途徑同CET的冶金學(xué)相關(guān)的手段給予了討論，這在柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變中已經(jīng)給予了介紹。所有這些辦法需要對凝固狀況的傳輸現(xiàn)象和晶粒結(jié)構(gòu)的演化模型進(jìn)行定量評估。


可打印性的評估
打印時(shí)的評估通過檢查部件常見缺陷，如變形、成分變化、未熔合和裂紋的敏感性等。綜合的和減少階次的模型是可行的，可以用來完成任務(wù)。理論尺度上的分析可以用來測試合金對熱變形的敏感性。合金對于未熔合的敏感性可以通過傳熱的數(shù)值來模型和流體的計(jì)算來得出。一個(gè)給予可打印的數(shù)據(jù)庫的模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)后可以減少試錯(cuò)和促進(jìn)部件質(zhì)量認(rèn)證的開發(fā)時(shí)間，這對打印新合金來說是節(jié)省時(shí)間和節(jié)約金錢的。

在當(dāng)前，只有少量的商業(yè)合金比較容易實(shí)現(xiàn)打印，用于增材制造打印的特定的設(shè)計(jì)還剛剛開始。一個(gè)比較重要的目標(biāo)是通過減少常見缺陷的辦法來提高其打印性能。例如，以Cr-Mo-V工具鋼的粉末和馬氏體不銹鋼的粉末進(jìn)行DED-L后其機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)的制造工藝。將Ti和Cr粉末進(jìn)行混合后采用DED-L進(jìn)行打印可以獲得較好的強(qiáng)度和韌性。將Si添加到2021、6061和7075鋁合金中進(jìn)行打印會(huì)導(dǎo)致細(xì)小的Al3Zr或Al3Sc相的析出。作為晶粒細(xì)化的接種體并且阻礙裂紋的產(chǎn)生。新的鎳基合金hastelloy合金被設(shè)計(jì)出來用于PBF-L打印，用來阻礙裂紋的生成。

機(jī)械模型是功能強(qiáng)大的模擬工具，可以提供不易獲得的視野。然而，這些計(jì)算需要對背后的物理機(jī)制有深入的理解，而且這些數(shù)據(jù)卻又不易獲得。此外，機(jī)械模型通常都比較復(fù)雜且需要比較顯著的計(jì)算資源和用戶要具有比較熟練的技巧。相反的，機(jī)器學(xué)習(xí)則僅僅需要較少的編程知識(shí)和模型技術(shù)，結(jié)果，該技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用。

機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中的應(yīng)用
機(jī)器學(xué)習(xí)可以促進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行可靠的預(yù)測，通過不同的源頭獲得的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)。比較有用的信息和相關(guān)關(guān)系從數(shù)據(jù)中提取而不需要對現(xiàn)象進(jìn)行指導(dǎo)或進(jìn)行額外的編程。預(yù)測的精度可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)據(jù)的體積。這一技術(shù)強(qiáng)大的開源編程能力使得機(jī)器學(xué)習(xí)可以解決復(fù)雜的問題。這一復(fù)雜的問題自第一次出現(xiàn)時(shí)可能很復(fù)雜。在這里，先介紹一下開源的算法和代碼，然后討論一下其有效的用途和對金屬打印造成的影響。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)的原因
通過不斷的試錯(cuò)的辦法來獲得高質(zhì)量的部件是不僅速度極慢且成本-效益也低的辦法。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)則開始廣泛的應(yīng)用于金屬打印的全過程（見上一篇中的圖3）。金屬打印中的顯微組織、性能和缺陷的演變?nèi)�決于多個(gè)同時(shí)發(fā)生的物理過程。因此，產(chǎn)品一體化的現(xiàn)象的預(yù)測在目前是沒有的。機(jī)器學(xué)習(xí)可以作為預(yù)測顯微組織、性能和缺陷的工具。該方法并不需要給予對現(xiàn)象的理解來利用復(fù)雜的公式來解決問題。結(jié)果，計(jì)算會(huì)非常迅速。此外，輸入變量的等級制度和輸出數(shù)據(jù)的敏感性是可以確定地。最后，機(jī)器學(xué)習(xí)的程序比較容易構(gòu)建，這是因?yàn)榻?jīng)過測試，容易使用和可靠地算法的有效性地緣故。

廣泛可靠地資源
在增材制造中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用在機(jī)器學(xué)習(xí)模型和開源的程序的應(yīng)用上得到應(yīng)用。模型的分類，如決策樹、隨機(jī)樹和K-近值鄰居均是數(shù)據(jù)分類問題中比較有用的，如打印部件中探測到的或探測不到的氣孔。這些模型也用作決策�；貧w模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Bayesian神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)被用來給予功能的角度將輸入和輸出聯(lián)系在一起，并且可以在一套輸入?yún)��?shù)后預(yù)測可變的輸出量。開源的編程，如WekaScikit學(xué)習(xí)、TensorFlow、Keras和Theano則可以非常容易地進(jìn)行使用。這是因?yàn)檫@些伴隨著大量的手冊和測試案例。在接下來的章節(jié)，我們檢查了機(jī)器學(xué)習(xí)在構(gòu)建金屬部件的不同階段應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)提高產(chǎn)品質(zhì)量地案例。

金屬打印中的應(yīng)用
機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中的應(yīng)用受到管理復(fù)雜的工藝過程和強(qiáng)大的開源代碼的有效性的驅(qū)動(dòng)而得到快速的發(fā)展。最近的應(yīng)用范圍包括 從工藝規(guī)劃到參數(shù)優(yōu)化、傳感的控制和提高熔化區(qū)域的貢獻(xiàn)、定制顯微組織和缺陷的遷移等，見圖6。這些例子顯示了機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中的重要性，其應(yīng)用可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以同機(jī)械模型組合在一起使用。


工藝參數(shù)的優(yōu)化
工藝參數(shù)的選擇在控制部件的質(zhì)量上是非常重要的因素。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種快速和可靠的預(yù)測和優(yōu)化工藝狀況以獲得理想的部件的途徑，見圖6a。例如，DED-GMA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的送絲速率、掃描速度、弧電壓和噴嘴道板材之間的距離以及優(yōu)化參數(shù)以獲得部件所需要的寬度和高度。應(yīng)用隨機(jī)樹算法來優(yōu)化參數(shù)，使用PBF-L技術(shù)獲得了優(yōu)質(zhì)的In718部件。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被用來預(yù)測粉末鋪粉輥的旋轉(zhuǎn)速度和平移速度，以最大程度的減少表面的粗糙度。熱力學(xué)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)一起來識(shí)別工藝狀態(tài)以避免在DED-L打印梯度SS316-純Cr時(shí)脆性金屬間化合物Sigma相的形成�；貧w為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)用來檢查送粉速率、掃描間距、激光功率對DED-L的表面性能的影響。以上提到的應(yīng)用關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)來構(gòu)建增材制造部件且使用變化的增材制造變量的案例表明該技術(shù)是可以給予數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)的。優(yōu)化的參數(shù)可以在隨著時(shí)間不斷積累的數(shù)據(jù)的條件下而不斷地得到提高。


探測和工藝控制
機(jī)器學(xué)習(xí)可以用來監(jiān)測和控制金屬打印過程，同時(shí)可以控制缺陷的形成，提高尺寸精度。例如，對部件采用相機(jī)進(jìn)行原位影像的獲取可以 用來同CAD設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較以探測感興趣的區(qū)域，該區(qū)域是可能存在缺陷的。這些區(qū)域可以進(jìn)一步的分成若干子區(qū)域，以便將圖像用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)探測缺陷，見圖6b。三個(gè)例子顯示了可變的探測和監(jiān)控辦法。第一個(gè)，利用計(jì)算視覺算法獲得的粉末特征的數(shù)據(jù)可以用來訓(xùn)練支持向量機(jī)以進(jìn)行工藝控制。第二，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)以及多層分類可以提供控制策略以減少PBF-L中的缺陷的生成。這些數(shù)據(jù)基于制造同一部件時(shí)同一設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)。最后，利用光傳感器獲得數(shù)據(jù)利用支持向量機(jī)的分析來探測DED-L中的缺陷。這些例子則表明原位探測和監(jiān)控打印過程的有效性，且可以最大程度的減少認(rèn)為的干擾。

部件形狀的控制
打印部件的形狀有可能會(huì)由于打印工藝的不穩(wěn)定性、熱變形而造成同設(shè)計(jì)的尺寸存在偏差，這一偏差會(huì)在比較極端的情況下直接成為廢品。機(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)常被用來在打印過程中進(jìn)行控制部件的尺寸。例如，在PBF-L SS 316時(shí)，采用不同的激光功率和掃描速度來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用高速相機(jī)測量沉積的寬度，結(jié)果見圖6c的左圖。在另外的一種情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測一定掃描速度和激光功率條件下的掃描道寬度，其結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，見圖6c右圖。

圖6 金屬打印中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用案例

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)被用來控制熔道的寬度和高度，熔化區(qū)的深度。此外，在PBF-L時(shí)的熔池深度通過決策樹優(yōu)化激光功率、掃描速度、光斑尺寸和吸收率。而且，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對工藝過程中的形狀的偏差進(jìn)行了捕獲和分析以獲得較好的尺寸誤差的增材制造部件。這些例子表明這些改善符合原先設(shè)計(jì)的尺寸將促進(jìn)部件的認(rèn)證。

控制顯微組織和性能
顯微組織的特征，如晶粒尺寸、分布、方位以及性能，如拉伸性能、硬度、疲勞強(qiáng)度等均可以用來發(fā)展機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，從而可以快速的進(jìn)行計(jì)算處理以獲得理想的顯微組織和性能。輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)可以從校正的機(jī)械模型中生成。例如，采用3D Monte Carlo模型得到的頻率隨晶粒尺寸的變化可以用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，見圖6b。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支撐的用于PBF-EB的工藝模型和遺傳算法預(yù)測屈服強(qiáng)度以幫助理解PBF工藝過程中的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。在使用機(jī)器學(xué)習(xí)量化顯微組織方面盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中來控制顯微組織和性能方面仍然處于發(fā)展的初級階段。

減少缺陷
機(jī)器學(xué)習(xí)被用來最大程度的減少部件中諸如氣孔、未熔合、變形和表面粗糙等缺陷。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)可以用來減少DED-L打印Ti6Al4V時(shí)的氣孔，見圖6e。尤其是，采用紅外相機(jī)監(jiān)控DED-L工藝過程中的溫度場，通過追蹤固相溫度曲線來提取出熔池的邊界。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，用發(fā)展的支持向量機(jī)來將工藝過程分成兩大類，正常和不正常，其分類依據(jù)氣孔形成的可能性來進(jìn)行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)采用易于形成氣孔的條件進(jìn)行時(shí)，部件中就會(huì)形成缺陷，見圖6e。在另外一樣品中，采用機(jī)器視覺發(fā)現(xiàn)粉末的鋪展出現(xiàn)異常（工藝為PBF-L）。由于粉末鋪展和輸送造成的粉末床的不完美現(xiàn)象采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將其同部件的缺陷關(guān)聯(lián)起來。在另外的學(xué)習(xí)中，自動(dòng)圖像分析用來識(shí)別缺陷。機(jī)器學(xué)習(xí)在減少表面缺陷方面提供了一個(gè)非常有用的框架。

其他應(yīng)用
除了在構(gòu)建部件的不同階段有應(yīng)用之外，機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中還有其他應(yīng)用，包括粉末的表征、部件的失效和部件的原位檢查。例如，利用計(jì)算機(jī)視覺得到的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練支持向量機(jī)可以用來對對粉末的特征進(jìn)行質(zhì)量評估。機(jī)器學(xué)習(xí)還可以用來預(yù)測設(shè)備的失效和前瞻性的預(yù)測和替換部件，在實(shí)際部件出問題之前進(jìn)行替換。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)通過高分辨率的圖像和CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，最終可以學(xué)會(huì)預(yù)測問題和探測打印過程中存在的缺陷。計(jì)算視覺技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)在工業(yè)中用來檢查部件和識(shí)別打印部件中的微裂紋，從而節(jié)約時(shí)間和金錢。

展望
在近年來，商業(yè)用增材制造設(shè)備的銷售在不斷增長，在全球授權(quán)專利數(shù)和全球市場的收入數(shù)據(jù)已指出增材制造的應(yīng)用范圍在未來會(huì)的都進(jìn)一步的擴(kuò)展。增材制造技術(shù)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是，更多據(jù)的商業(yè)合金能夠被打印，將取決于我們是否否能夠攻克增材制造技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。

最近關(guān)于增材制造技術(shù)的文獻(xiàn)綜述已經(jīng)指出，這里存在三個(gè)明顯的趨勢。第一個(gè)就是解決增材制造工藝制造中存在的問題是不能或很難采用以往的辦法來解決的。機(jī)械模型的不斷增長的應(yīng)用和機(jī)器學(xué)習(xí)在參數(shù)選擇方面的應(yīng)用將會(huì)有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和減少試錯(cuò)的成本。第二個(gè)趨勢是金屬的層層堆積制造方式，有時(shí)候單層的厚度比頭發(fā)絲還細(xì)小時(shí)，是同顯微組織和性能相關(guān)的令人困惑的科學(xué)問題，有待于解決。多學(xué)科交叉的研究辦法有助于解決這些問題，并在先進(jìn)的增材制造實(shí)踐中得以應(yīng)用，并對冶金方面的科學(xué)起到貢獻(xiàn)作用。最后，3D打印技術(shù)進(jìn)一步提升了傳統(tǒng)工藝的技術(shù)水平，如3D打印帶內(nèi)冷卻通道的注射模具可以減少冷卻時(shí)間、提高產(chǎn)品的產(chǎn)能和質(zhì)量。3D打印和機(jī)加工混合的復(fù)合制造，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。這樣，冶金學(xué)、機(jī)械模型和機(jī)器學(xué)習(xí)對金屬打印的貢獻(xiàn)將逐漸滲透到傳統(tǒng)制造工藝中。金屬打印在科學(xué)上和技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上面臨的挑戰(zhàn)需要在軟件和硬件上的機(jī)械模型和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步以及持續(xù)不斷的提高可打印的數(shù)據(jù)庫和完善顯微組織-性能之間的關(guān)系。這些技術(shù)上的進(jìn)步需要世界范圍內(nèi)的多學(xué)科的技術(shù)上的突破來實(shí)現(xiàn)。

延伸閱讀：綜述：冶金、機(jī)械模型及機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬打印中的應(yīng)用（一）

文章來源：T. DebRoy, Mukherjee, T., Wei, H.L. et al. Metallurgy, mechanistic models and machine learning in metal printing. Nat Rev Mater (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-00236-1