未來的3D打印將“長上人工智能的大腦”。在《》一文中，詳細剖析了人工智能如何賦能3D打印從前處理、加工過程、以及后處理過程的方方面面，本期將聚焦前處理過程。

在前處理步驟，ML-人工智能已經(jīng)滲透到材料和設(shè)計空間。目前在3D打印材料領(lǐng)域，需要關(guān)注的是美國政府的材料基因組計劃，材料基因組工程研究是計算材料科學(xué)背后的驅(qū)動力，用于設(shè)計和制造具有新的和不同特性的新材料。在設(shè)計領(lǐng)域，需要關(guān)注的是創(chuàng)成式設(shè)計軟件，在這方面，3D科學(xué)谷通過《》一文分享了創(chuàng)成式設(shè)計軟件的設(shè)計邏輯以及世界上主流的創(chuàng)成式設(shè)計軟件。

▲人工智能深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)新材料

©Alchemite

▲人工智能賦能制造

©3D科學(xué)谷白皮書

賦能材料開發(fā)與設(shè)計自動化

為什么材料基因組對3D打印如此重要？在這方面，值得關(guān)注的是ASTM 國際增材制造卓越中心 (AM CoE) 和創(chuàng)始行業(yè)成員于2022年5月啟動了增材制造卓越中心材料數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟 () 計劃。ASTM CMDS 的使命是將代表整個 AM 價值流的各行各業(yè)的關(guān)鍵組織聚集在一起。

CMDS 每年將選擇感興趣的材料和應(yīng)用特定屬性（例如靜態(tài)、循環(huán)、熱、腐蝕）發(fā)布項目，并執(zhí)行各種項目，最終支持標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)集的開發(fā)。研究成果和經(jīng)驗將通過 ASTM 相關(guān)委員會（如 F42）制定的新 AM 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供信息，以推動整個行業(yè)的一致性，創(chuàng)建具有屬性的和改進的材料規(guī)范和基于穩(wěn)健數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)要求。CMDS的可信數(shù)據(jù)集支持先進的基于物理、概率和 AI/ML 人工智能建模工具，用于流程優(yōu)化和快速認(rèn)證。

根據(jù)德國弗朗霍夫研究所-Fraunhofer，未來制造業(yè)競爭的關(guān)鍵是材料，以數(shù)字形式提供材料的行為，將產(chǎn)品開發(fā)與材料開發(fā)關(guān)聯(lián)，通過工業(yè) 4.0將材料信息鏈接到整個加工應(yīng)用鏈條中，大幅降低材料的全壽命應(yīng)用成本。

▲人工智能賦能3D打印

©3D科學(xué)谷白皮書

人工智能賦能材料開發(fā)

根據(jù)3D科學(xué)谷，正如人工智能在藥物領(lǐng)域的作用，一款新藥從開始研發(fā)到臨床試驗再到投入市場，通常需要10-15年；隨著數(shù)字經(jīng)濟時代的到來，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，將大大縮短藥物研發(fā)時間，提升效率和質(zhì)量。在制藥行業(yè)，人們有興趣實施AI驅(qū)動的解決方案以發(fā)現(xiàn)新藥并加快將其推向市場的速度。食品和藥物管理局進一步推動了這種興趣，促進將基于AI的技術(shù)用于藥物開發(fā)的創(chuàng)新?？傮w來說，AI和機器學(xué)習(xí)旨在改變藥物發(fā)現(xiàn)過程，從而降低財務(wù)成本和上市時間。

在3D打印領(lǐng)域的材料開發(fā)方面，人工智能將在兩個維度上發(fā)揮作用：降低材料開發(fā)的財務(wù)成本和開發(fā)周期。 3D科學(xué)谷

根據(jù)機器之能，Citrine智能材料平臺基于尖端AI工具和智能數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)架構(gòu)搭建而成，可用于數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料和化學(xué)品開發(fā)。平臺可基于機器學(xué)習(xí)模型，結(jié)合用戶企業(yè)的行業(yè)知識來預(yù)測材料在各種配方下的性能，幫助加速材料研發(fā)工作。Citrine智能材料平臺可以快速搜索1150萬種粉末和納米顆粒的組合。平臺通過針對目標(biāo)材料的性質(zhì)按批次尋找組合，識別關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)流，創(chuàng)建材料感知的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；然后基于數(shù)據(jù)來，生成，細化和驗證模型。

▲人工智能深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)新材料

©Citrine

3D打印材料的開發(fā)方面，美國HRL實驗室和Citrine的合作項目中，平臺確定了100種粉末和納米顆粒的候選組合以優(yōu)化HRL團隊需要合成測試的屬性。由此產(chǎn)生的材料al7a77是第一種高強度鋁合金粉末原料，可以在某些應(yīng)用中替代中溫鈦合金。

不僅僅是Citrine, 此前，3D科學(xué)谷通過《》一文，揭示了Intellegens的Alchemite™深度學(xué)習(xí)算法設(shè)計的另外一款新合金，這款新合金是通過定向能量沉積（DED）金屬3D打印工藝進行制造的，該合金可滿足增材制造所需的性能目標(biāo)，用于制造噴氣發(fā)動機零部件。

加速的材料數(shù)字化開發(fā)

目前，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解GKN正在將材料的數(shù)字化與零件增材制造建立聯(lián)系，通過將GKN Hoeganaes的材料專業(yè)知識與增材制造組件功能之間建立數(shù)字聯(lián)系，GKN正在加速從材料到零件的整個工藝鏈的數(shù)字化，從而為零件的致密性、質(zhì)量的可重復(fù)性，認(rèn)證過程提供數(shù)字化基礎(chǔ)。

GKN還通過與西門子的合作將數(shù)字雙胞胎用于實現(xiàn)增材制造中的批量生產(chǎn)。通過強大的過程預(yù)測來節(jié)省時間，這還意味著可以更好地了解3D打印過程，這是進一步降低成本的一個很好的起點。

目前，GKN已經(jīng)將激光制造過程中的大部分工藝數(shù)字化?，F(xiàn)在，GKN希望通過對材料和過程進行全面的數(shù)字描述來預(yù)測加工過程的結(jié)果。

通過將整個環(huán)節(jié)以數(shù)字化作為鋪墊，GKN獲得大量的大數(shù)據(jù)，然后從結(jié)果中獲得深刻的理解。這使得材料公司具備了深刻的數(shù)字化的DNA。

人工智能成就超合金

Fraunhofer IWS的專家通過“人工智能”（AI）和“機器學(xué)習(xí)”的先進方法來提升對加工過程的理解，由Fraunhofer IWS圖像處理和數(shù)據(jù)管理工作組進行研究。通過人工智能，可以找到3D打印數(shù)據(jù)泛洪中的隱藏聯(lián)系。

例如，特殊的分析算法將測得的傳感器值與研究所的粉末數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來，并評估進一步的工藝參數(shù)。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，機器逐漸學(xué)習(xí)如何做出自己的決定。例如，可以自主確定是否可以容忍激光熔覆增材制造過程中溫度的輕微升高，還是必須在導(dǎo)致整個組件的加工出現(xiàn)質(zhì)量缺陷之前立即采取對策。

通常采用單一材料設(shè)計飛機發(fā)動機整個組件不是很有效，因為組件不會在所有點上都受到相同的熱量。最好只在溫度很高的地方使用昂貴的高電阻材料，在其他地區(qū)，使用較便宜的材料就足夠了。這正是增材制造系統(tǒng)可以實現(xiàn)的，一旦人工智能學(xué)會了加工所需的超合金，下一步是將各種高性能材料整合到一個組件中。

人工智能成就更好的設(shè)計

在包括材料設(shè)計、數(shù)字設(shè)計、CAD 和其他相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計空間中，ML-機器學(xué)習(xí)可以潛在地改革兩個主要方面：(a) 用戶與機器的交互，(b) 設(shè)計軟件改進和與流程特征的集成。

▲創(chuàng)成式人工智能設(shè)計的汽車零件

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在過去的二十年里，我們的世界在快速加速的技術(shù)力量的推動下發(fā)生了根本性的變化。增材制造提供了更高的設(shè)計自由以從更深的層次上變革和重新定義制造，而創(chuàng)成式軟件正在搭載增材制造這項制造技術(shù)以構(gòu)建面向未來的設(shè)計。

在《》， Aerospike 火箭發(fā)動機展示了將軟件算法的強大功能與世界上最先進的3D打印-增材制造系統(tǒng)相結(jié)合的可能性。

▲人工智能設(shè)計的火箭發(fā)動機

創(chuàng)成式設(shè)計是人工智能 (AI) 的一種形式，可以為零件以及模具設(shè)計提供大量可用于制造的解決方案，甚至可能是開發(fā)過程的自動化。有遠見的公司使用創(chuàng)成式設(shè)計作為制造合作伙伴來幫助彌合技能差距。

▲人工智能賦能設(shè)計

©3D科學(xué)谷白皮書

在設(shè)計航空航天或汽車部件時，此前人類可能從未想過向螞蟻和尋光植物細胞尋求建議，但如果使用創(chuàng)成式設(shè)計軟件來塑造零件的設(shè)計，不過這一切已經(jīng)不是夢想，實際上已經(jīng)在做了。

人工智能實現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計

在歐特克的一個案例中，為地球設(shè)計復(fù)雜的機械設(shè)備是一項挑戰(zhàn)，而將它射入太空并且實現(xiàn)著陸完全是另一回事。這就是為什么Autodesk-歐特克為NASA噴氣推進實驗室設(shè)計的太空著陸器的特殊意義，這是有史以來最復(fù)雜的創(chuàng)成式設(shè)計的著陸器。

歐特克公司公布的這個全新的著陸器設(shè)計，外形酷似一只蜘蛛。通過歐特克的創(chuàng)成式設(shè)計軟件，這個設(shè)計方法運用的是大自然的進化結(jié)果的防生學(xué)計算公式。設(shè)計師和工程師們只需要將設(shè)計目標(biāo)、材料、制造材料和成本限制等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計軟件中，設(shè)計軟件就能夠快速生成多種設(shè)計結(jié)果作為選項。

據(jù)歐特克公司稱，這款著陸器的重量與噴氣推進實驗室的其它著陸器設(shè)計相比降低了35%。它的重量大約為176磅（79.8千克），遠低于NASA最新的洞察力號火星著陸器約770磅（約349公斤）的重量。

仿生學(xué)不是復(fù)制自然形狀，而是復(fù)制自然解決問題的方法。仿生學(xué)和創(chuàng)成式設(shè)計之間的真正聯(lián)系是一些軟件如何利用自然界中發(fā)現(xiàn)的邏輯來獲得其中算法的奧秘。Autodesk Fusion 360內(nèi)置的Dreamcatcher是目前創(chuàng)成式設(shè)計軟件的一個典型代表。

在 Autodesk Fusion 360 中，創(chuàng)成式設(shè)計的想法受到仿生學(xué)中自下而上的方法的啟發(fā)。令人著迷的是，有一個算法來自“白蟻巢穴，以及白蟻使用信息素相互發(fā)送信號的方式，開發(fā)人員創(chuàng)造了壓力或信息素梯度，核心方法非常簡單，但結(jié)果卻很復(fù)雜。

有了這種受自然啟發(fā)的邏輯作為其創(chuàng)成算法的核心，創(chuàng)成設(shè)計程序必然會不時創(chuàng)成有機形狀，以不對稱和復(fù)雜的表面為標(biāo)志。但目前的制造方法無法與大自然所創(chuàng)造的奇跡相媲美，這使得創(chuàng)成式設(shè)計軟件本身還有著很多進化的空間。

Fusion 360 中的創(chuàng)成式設(shè)計包括制造感知技術(shù)，這意味著它可以生成多個受可用設(shè)計約束影響的設(shè)計選項。此外，減材和增材制造技術(shù)可幫助用戶了解設(shè)計的可能性。創(chuàng)成式設(shè)計還可以通過創(chuàng)建人類無法想象的可加工幾何形狀來提高生產(chǎn)力。

在并行工程支持方面，創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)使工程團隊能夠與制造團隊合作，根據(jù)材料、制造方法和成本限制等參數(shù)開發(fā)出現(xiàn)實的結(jié)果。需要在制造過程的早期跨團隊達成共識，從而增強和簡化工作流程。

人工智能賦能設(shè)計與交互的方方面面

要使 AM-增材制造真正與日常和社交活動相結(jié)合，用戶必須能夠輕松地與機器進行交互。機器學(xué)習(xí)和人工智能可以通過人工智能在圖像和語音識別中的應(yīng)用來改變?nèi)伺c機器之間的交互。

在許多情況下，3D 掃描用于生成零件的 3D 模型。圖像識別人工智能應(yīng)用可以改進通常用于創(chuàng)建零件 3D 模型的 3D 掃描過程。當(dāng)用戶使用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫提取 CAD 模型時，人工智能也很有用。人工智能有助于利用物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字空間來利用可用的設(shè)計（STL 和其他 CAD 文件）。

在設(shè)計軟件改進和與工藝設(shè)計的整合上，可以對軟件進行修改，以利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計和自下而上工藝中的增材制造工藝能力。例如，知情設(shè)計過程可能會改變設(shè)計優(yōu)化空間，并為創(chuàng)建用于設(shè)計優(yōu)化的程序和軟件提供途徑。在這方面，不少的市售增材制造軟件都提供這方面的功能。

并行設(shè)計的最新進展，其中設(shè)計在構(gòu)建過程中進行自適應(yīng)修改，以便可以修復(fù)或減少殘余應(yīng)力或缺陷等負(fù)面影響。這需要深入了解設(shè)計參數(shù)如何影響殘余應(yīng)力和缺陷，此外，需要一個現(xiàn)場過程監(jiān)控反饋回路來通知設(shè)計過程。在后續(xù)的人工智能賦能3D打印系列文章中，3D科學(xué)谷將進行深度分享。

理解3D打印對第四次工業(yè)革命的作用，以及3D打印與人工智能的互動關(guān)系，請參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《》。