美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員開發(fā)了用于粉末床3-D打印機(jī)的人工智能軟件，該軟件可以實(shí)時(shí)評(píng)估零件的質(zhì)量，而無需昂貴的表征設(shè)備。

名為Peregrine的軟件支持ORNL開發(fā)的高級(jí)制造 “數(shù)字線”，該線在制造過程的每個(gè)步驟中收集和分析數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)到進(jìn)料選擇到印刷制作再到材料測(cè)試。

ORNL成像，信號(hào)和機(jī)器學(xué)習(xí)部門高級(jí)制造數(shù)據(jù)分析研究的負(fù)責(zé)人Vincent Paquit說：“捕獲到的信息為每個(gè)零件創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字“克隆”，提供了從原材料到操作組件的大量數(shù)據(jù)。組。“然后，我們使用這些數(shù)據(jù)來對(duì)零件進(jìn)行鑒定，并為跨多種零件幾何形狀和多種材料的未來制造提供信息，從而實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化和制造質(zhì)量保證。”

數(shù)字線程支持未來的工廠，在該工廠中，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或CAD設(shè)計(jì)定制零件，然后通過先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)通過自動(dòng)校正的3D打印機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，從而節(jié)省了成本，時(shí)間，能源和材料與常規(guī)生產(chǎn)相比。該概念需要一種過程控制方法，以確保從打印機(jī)上滾下的每個(gè)零件都可以安裝在汽車，飛機(jī)和能源設(shè)施等基本應(yīng)用中。

為了設(shè)計(jì)一種適用于多種打印機(jī)型號(hào)的表面可見缺陷的控制方法，ORNL研究人員創(chuàng)建了一種新穎的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-一種計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，該技術(shù)模仿人的大腦來快速分析從打印機(jī)上安裝的相機(jī)捕獲的圖像。Peregrine軟件使用自定義算法來處理圖像的像素值，同時(shí)考慮到邊緣，線條，拐角和紋理的組成。如果Peregrine檢測(cè)到可能影響零件質(zhì)量的異常，則會(huì)自動(dòng)警告操作員，以便進(jìn)行調(diào)整。

該軟件非常適合粉末床打印機(jī)。這些印刷機(jī)在建筑板上分布一層細(xì)小的粉末，然后使用激光或電子束將材料熔化并融合。粘合劑噴射系統(tǒng)依靠液體粘合劑而不是加熱來熔化粉末狀材料。

該系統(tǒng)在CAD藍(lán)圖的指導(dǎo)下逐層打印，在金屬零件的生產(chǎn)中很受歡迎，但是在打印過程中會(huì)出現(xiàn)諸如粉末或粘合劑分布不均，飛濺，熱度不足和某些孔隙等問題可能會(huì)導(dǎo)致每層表面的缺陷。其中一些問題可能會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，以至于傳統(tǒng)技術(shù)可能無法發(fā)現(xiàn)它們。

ORNL的Luke Scime表示：“增材制造的基本挑戰(zhàn)之一是，您要關(guān)心數(shù)十微米長(zhǎng)，幾微秒內(nèi)發(fā)生的事情，并且要關(guān)注幾天甚至幾周的構(gòu)建時(shí)間。” ，百富勤的首席研究員。“由于在任何時(shí)候的任何時(shí)候都可能在任何一點(diǎn)上形成缺陷，因此理解過程和鑒定零件將成為挑戰(zhàn)。”

百富勤正在ORNL的多臺(tái)打印機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，這是“轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)反應(yīng)堆(TCR)示范計(jì)劃”的一部分，該計(jì)劃正在追求世界上第一個(gè)增材制造核反應(yīng)堆。TCR正在利用ORNL在核科學(xué)與工程，材料科學(xué)和先進(jìn)制造領(lǐng)域的悠久歷史，以更少的時(shí)間和更低的成本開發(fā)具有新型材料的微反應(yīng)器，從而確保了這一重要的無碳能源的未來。

Scime說：“特別是對(duì)于TCR，您可能會(huì)遇到這樣一種情況，監(jiān)管者將需要有關(guān)零件制造方式的詳細(xì)數(shù)據(jù)，而我們可以提供使用Peregrine構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫的規(guī)格。”

TCR計(jì)劃主任庫爾特·特拉尼(Kurt Terrani)表示：“在制造過程中收集的這些特征與操作過程中的性能之間建立關(guān)聯(lián)將是驗(yàn)證關(guān)鍵核反應(yīng)堆組件資格的最豐富數(shù)據(jù)和最明智的過程。” “在制造過程中可以消除冗長(zhǎng)而昂貴的常規(guī)鑒定過程這一事實(shí)是另一個(gè)明顯的好處。”

ORNL研究人員強(qiáng)調(diào)，通過使Peregrine軟件與機(jī)器無關(guān)(可以安裝在任何粉末床系統(tǒng)上)，打印機(jī)制造商可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，同時(shí)為工業(yè)提供改進(jìn)的產(chǎn)品。Peregrine產(chǎn)生了一個(gè)通用的圖像數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可以轉(zhuǎn)移到每臺(tái)新機(jī)器上，以快速訓(xùn)練新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且可以在單個(gè)高性能筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)上運(yùn)行。研究中使用的是標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)，大多數(shù)情況下，其安裝范圍為4到20兆像素，因此它們可以生成每一層打印平臺(tái)的圖像。到目前為止，該軟件已經(jīng)在ORNL的七臺(tái)粉末床打印機(jī)上成功進(jìn)行了測(cè)試，包括電子束熔化，激光粉末床和粘合劑噴射，詳細(xì)信息請(qǐng)參見《添加劑制造》雜志。

Scime說：“我們可以做的任何事情都可以幫助操作員和設(shè)計(jì)師知道什么是有效的，什么無用，這可以使人們確信該零件可以使用。” “當(dāng)您擁有網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為存在異常以及問題所在的每個(gè)像素的3-D圖時(shí)，就會(huì)打開一個(gè)對(duì)構(gòu)建過程的理解的世界。”

隨著監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，Scime說研究人員能夠?qū)D像數(shù)據(jù)與來自其他來源的數(shù)據(jù)(例如打印機(jī)的日志文件，激光系統(tǒng)和操作員注釋)組合在一起，從而可以唯一地識(shí)別零件，并跟蹤和評(píng)估所有零件的統(tǒng)計(jì)信息。

AI軟件是由ORNL的制造示范設(shè)施開發(fā)的，ORNL是美國(guó)能源部的用戶設(shè)施，與行業(yè)緊密合作，以開發(fā)，測(cè)試和完善幾乎所有類型的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)。

Scime說：“沒有像MDF這樣的地方可以開發(fā)出與機(jī)器無關(guān)的算法，這僅僅是因?yàn)槲覀冊(cè)谘芯窟^程中一直在運(yùn)行著如此多的機(jī)器和如此之多的構(gòu)建。” “獲取數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。在這里，我們能夠輕松地放置傳感器，技術(shù)人員能夠確保一切正常，并且正在獲取數(shù)據(jù)。借助這里可用的各種科學(xué)專業(yè)知識(shí)，很容易找到專家來幫助解決所有涉及的挑戰(zhàn)。”

在其他過程控制工作中，MDF研究人員正在開發(fā)方法，以監(jiān)視建筑物下表面的缺陷并檢測(cè)可能在更深層形成的孔隙，包括使用光電二極管和高速相機(jī)。

Scime說：“我們已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百年的焊接，但是添加劑僅使用了幾十年，我們不知道在某些情況下會(huì)出現(xiàn)什么樣的問題。” “機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使我們能夠快速收集和分析大量數(shù)據(jù)。然后，我們可以識(shí)別這些問題并獲得我們需要的知識(shí)，以更好地理解和防止異常。”