3D打印技術(shù)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在高附加值零部件制造領(lǐng)域得到了應(yīng)用發(fā)展。比如說，GE與西門子都在利用金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜燃燒組件的突破，GE 已交付給中國使用的HArrie 重型燃?xì)廨啓C(jī)打破了自己的凈效率記錄，3D打印技術(shù)所制造的關(guān)鍵部件功不可沒。

但3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍有諸多制約因素需要克服，其中一個(gè)因素是減少3D打印零件創(chuàng)建與驗(yàn)證所需要的時(shí)間，高效的制造出合格的3D打印零部件。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，GE將與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）以及施樂旗下的PARC公司合作，以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等渦輪機(jī)械中的復(fù)雜熱、流體零部件為切入點(diǎn)，通過人工智能技術(shù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)將這類3D打印零件的創(chuàng)建與驗(yàn)證時(shí)間減少近65%。這一合作項(xiàng)目獲得了130萬美元的項(xiàng)目資助。

熱、流體3D打印組件，自動(dòng)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的集成

如今，開發(fā)設(shè)計(jì)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等復(fù)雜動(dòng)力產(chǎn)品的新組件，往往需要涉及到數(shù)十位專業(yè)人士，共同對(duì)組件的結(jié)構(gòu)、熱特性、流體特性進(jìn)行研究。在設(shè)計(jì)增材制造-3D打印組件時(shí)，需要考慮諸多因素，例如材料成分對(duì)熱量和應(yīng)力的響應(yīng)程度，面向增材制造的設(shè)計(jì)如何影響氣流或空氣動(dòng)力學(xué)性能等。匯集這些跨界知識(shí)，并完成一種3D打印零件驗(yàn)證的過程可能長達(dá)2到5年。

根據(jù)GE ，這一項(xiàng)目的啟動(dòng)具有以下意義：

將用于渦輪機(jī)械的高性能增材制造零件設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間從2-5年縮短到1-2年，整體時(shí)間減少一半以上；為3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用鋪平道路，徹底改變從風(fēng)力渦輪機(jī)到燃?xì)廨啓C(jī)的各種發(fā)電產(chǎn)品的效率和性能；組合的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將在ORNL的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit 上進(jìn)行工作，開發(fā)強(qiáng)大的人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，從而以更快的速度實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬次設(shè)計(jì)迭代。該項(xiàng)目將以實(shí)現(xiàn)無缺陷、高性能的3D打印組件設(shè)計(jì)為最終目標(biāo)，與鑄造等傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的零部件相比，這些3D打印組件將能夠承受高溫和高應(yīng)力，并具有優(yōu)化的性能。

GE 研發(fā)增材制造業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人對(duì)于這一項(xiàng)目對(duì)3D打印技術(shù)的意義做了進(jìn)一步說明，由此可以看到這一項(xiàng)目對(duì)于增材制造的意義。他表示，減少創(chuàng)建和驗(yàn)證無缺陷的3D打印組件設(shè)計(jì)所需時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)3D打印的廣泛使用關(guān)鍵因素之一，使用支持多物理功能的工具和人工智能技術(shù)，將使3D打印組件設(shè)計(jì)整個(gè)過程自動(dòng)化，并使得增材制造過程比某些傳統(tǒng)制造工藝更快。3D打印組件結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但熱和流體特性優(yōu)化還沒有實(shí)現(xiàn)，這一項(xiàng)目將利用人工智能技術(shù)，從增材制造可生產(chǎn)性數(shù)據(jù)自動(dòng)生成代理模型，并將設(shè)計(jì)與多物理場設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行無縫集成。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將使用ORNL實(shí)驗(yàn)室的Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)，以前所未有的精度創(chuàng)建這些基于人工智能的的代理模型。除此之外，ORNL 高通量同位素反應(yīng)堆將被用于分析增材制造組件，分析數(shù)據(jù)將用于訓(xùn)練和評(píng)估人工智能創(chuàng)建的模型。

人工智能在自動(dòng)生成3D打印組件設(shè)計(jì)模型中起到了重要作用。根據(jù)項(xiàng)目成員之一PARC，人工智能技術(shù)可以加速創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，這是一項(xiàng)能夠顯著減少設(shè)計(jì)與制造優(yōu)質(zhì)3D打印零件的重要?jiǎng)?chuàng)新性技術(shù)。使用機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)，使得自動(dòng)生成的功能集成3D打印零部件能夠滿足現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用需求，為制造業(yè)提供創(chuàng)新性的增材制造解決方案。

3D科學(xué)谷Review

《暗知識(shí)》一書中談到，算力、數(shù)據(jù)、算法這三個(gè)要素同步成熟，形成合力，帶來了今天人工智能技術(shù)的爆發(fā)，這三個(gè)要素中最重要的是計(jì)算能力的發(fā)展和算法的相互促進(jìn)。以上項(xiàng)目正是將超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，促進(jìn)人工智能技術(shù)在3D打印零件設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，ORNL 實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)還將支持一個(gè)針對(duì)3D打印的高級(jí)仿真功能開發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目名為Exascale增材制造（ExaAM），該項(xiàng)目將利用超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier開發(fā)高級(jí)仿真功能。這一仿真功能將使科學(xué)家更好地理解工藝參數(shù)（例如掃描模式），材料微觀結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸和方向的分布）之間的復(fù)雜關(guān)系，以及3D打印金屬零件的最終特性（例如強(qiáng)度）。

以上這些信息可用于預(yù)測增材制造零件性能、強(qiáng)度、壽命，加快零件的鑒定和認(rèn)證，從而以更低成本創(chuàng)新和優(yōu)化產(chǎn)品。但當(dāng)前的技術(shù)在預(yù)測增材制造零件的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)必須做出許多近似和簡化，而有了超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier，研究人員將能夠消除近似值，并優(yōu)化制造過程中使用的參數(shù)，從而能夠設(shè)計(jì)出重量更輕的零件，減少浪費(fèi)，減少零件組裝的需要，或根據(jù)具體應(yīng)用確定其他屬性。

正向設(shè)計(jì)與3D打印優(yōu)勢的結(jié)合、人工智能與工藝開發(fā)的結(jié)合、數(shù)字孿生與生產(chǎn)控制的結(jié)合是推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)化的“三駕馬車。除了增材制造硬件設(shè)備快速發(fā)展，材料成本的下降以及種類的豐富，算力、數(shù)據(jù)、算法支撐起的人工智能軟實(shí)力，也是促進(jìn)3D打印技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的“硬核”。