ASU 研究人員利用AI實現(xiàn)316L螺旋槳智能化3D打印，可實時預測微結構形成

2025年6月15日，南極熊獲悉，來自亞利桑那州立大學 (ASU)正在開發(fā)新的人工智能，以使 3D 打印不銹鋼的過程更快、更可靠。

ASU計算機科學與工程學教授AviralShrivastava和工業(yè)工程學助理教授Ashif Iquebal獲得了美國國家科學基金會“CompAM：實現(xiàn)計算增材制造”項目的資助，該項目利用人工智能預測材料在制造過程中的形成方式，使金屬 3D 打印更快、更可靠。

在項目演示階段，研究團隊將使用常見的工業(yè)級金屬合金316L不銹鋼3D打印一個五軸金屬海軍螺旋槳。目標是精確控制打印過程，將金屬顆粒尺寸控制在1微米以下——大約相當于一根蜘蛛絲的寬度——從而顯著提升材料的性能。

為什么是螺旋槳？因為它體積龐大，幾何形狀復雜，對精度要求高——這種部件正是當前金屬增材制造技術突破極限的體現(xiàn)。

從鍛造廠到艦隊

增材制造技術應用面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是，材料的內部結構（稱為微觀結構）會根據(jù)部件的打印方式而發(fā)生變化。打印過程中，熱量或時間的細微變化都可能極大地改變材料的性能。Shrivastava說：“當我們進行金屬打印時，金屬的質量實際上取決于冷卻曲線。我們希望控制冷卻，以便達到所需的性能�！�

他從傳統(tǒng)鍛造工藝的角度解釋了這個問題。傳統(tǒng)上，鐵匠使用不同形式的淬火工藝來冷卻金屬。將白熱的金屬浸入水中可以快速冷卻，從而制成堅硬的工具，例如劍或刀。而砂淬火則使金屬隨著時間的推移冷卻得更慢，從而形成更具延展性的材料。

由于海軍螺旋槳等部件具有嚴格的性能和工程標準，當業(yè)界想要3D打印此類部件時，專家必須運行復雜的計算機模擬，以確定打印和冷卻速度等因素將如何影響整個過程。或者，他們必須依靠反復試驗。

為了避免反復試驗帶來的浪費和不確定性，亞利桑那州立大學的研究人員正在尋求更高效的模擬方法。傳統(tǒng)的模擬方法可能既緩慢又昂貴。使用目前的方法，僅對一組海軍螺旋槳的打印參數(shù)進行模擬，就需要使用一臺擁有 1000 個核心的超級計算機耗時超過 60 天。

Shrivastava 和Iqubal 的團隊想要改變這一切。他們正在構建一個基于物理、人工智能的系統(tǒng)，可以預測金屬在打印過程中內部結構的形成過程。研究團隊創(chuàng)造了一種更智能的方法，讓人工智能無需海量數(shù)據(jù)或復雜的數(shù)學運算就能學習和應用物理概念。系統(tǒng)會邊學習邊運行，識別出需要重點關注的重要數(shù)據(jù)點。

Shrivastava 說：“對于許多過程，實際上已經(jīng)有很多研究。物理學只是現(xiàn)實世界中遵循的一套規(guī)則。我們正在做的是，將這些方程式與數(shù)據(jù)驅動的學習相結合，使系統(tǒng)學習得更好、更快�！�

新系統(tǒng)還可以通過定義材料中需要比其他區(qū)域更詳細關注的區(qū)域來節(jié)省時間，跳過打印過程中不會發(fā)生太大變化的部分。

甲板上的工業(yè)工程

項目以伊克巴爾在智能制造領域的專業(yè)知識為基礎。Iquebal表示，確保這項工作具有明確的工業(yè)應用至關重要。他說道：“這項工作的真正價值在于它能夠將研究與產(chǎn)業(yè)需求聯(lián)系起來。在航空航天、國防和能源等行業(yè)，金屬部件的性能至關重要。通過為制造商提供更快、更精準的工具來預測和控制材料特性，我們正在開啟精密制造的新時代，并減少那些往往會阻礙創(chuàng)新的、代價高昂的猜測�！�

Iquebal 和團隊將利用亞利桑那州立大學創(chuàng)新中心新購置的一臺配備六軸機械臂和激光器的高科技 3D 打印機，用不銹鋼打造一個大型海軍螺旋槳，并將預測的微觀結構與部件內部實際形成的微觀結構進行比較。之后，他們將通過與傳統(tǒng)模擬結果和實際打印的螺旋槳進行比較，來測試新技術的準確性。

Iquebal 和團隊假設，制造商將能夠微調 3D 打印流程，以更少的試驗獲得所需的精確屬性。這些軟件和工具將免費開放，幫助其他領域的研究人員加快自己的模擬速度。

Shrivastava 表示，研究團隊還將把這項工作納入研究生計算機科學課程，并針對K-12 學生開展外展活動。計算機與增強智能學院院長Ross Maciejewski表示，這項工作展示了學院內工業(yè)工程與計算機科學的重要交匯點。

最后，Maciejewski說道“這個項目正是我們所追求的——與產(chǎn)業(yè)息息相關的創(chuàng)新。通過將人工智能與材料科學相結合，我們的教職員工正在為先進制造業(yè)開辟一條新的道路。這展現(xiàn)了我們的研究如何推動工程學的未來發(fā)展�！�