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(lái)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(duì)工藝過(guò)程中的變量如溫度場(chǎng)和速度場(chǎng),、冷卻速率和凝固參數(shù)等在增材制造過(guò)程中不易測(cè)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(guò)程,。這些假設(shè)基本是可信的，其可信的程度通過(guò)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較來(lái)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(cè)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(lái)表征,，并且在某些場(chǎng)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(chǎng),�,？紤]到計(jì)算效率的變化取決于所考慮地物理工藝過(guò)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�,？斓摹Ｈ欢�,，采用同樣的計(jì)算對(duì)粉末層面地模型進(jìn)行計(jì)算則需要幾倍數(shù)量級(jí)的時(shí)間,。因此，將時(shí)間尺度和長(zhǎng)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(duì)現(xiàn)有的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧,，對(duì)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)和速度場(chǎng)。熔池的3D溫度場(chǎng)分布和形狀變化以及原材料（粉末或絲材）的變化可以通過(guò)基于介觀模型的傳輸現(xiàn)象來(lái)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(lái)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(duì)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(guò)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(jiàn)圖5b）。熱循環(huán)對(duì)顯微組織的模擬是非常必須的,。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(duì)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(lái)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(lái)解決小長(zhǎng)度范圍內(nèi)的顯微組織的特征,。例如,，相場(chǎng)模擬鋁合金的顯微組織演變時(shí)則呈現(xiàn)出枝晶的生長(zhǎng)，見(jiàn)圖5b,。相場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的定義也是如此。相分?jǐn)?shù)演變?cè)趯?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(zhǎng)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(guò)不同方向一定的截面來(lái)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(lái)像等軸晶,�,；�于Monte Carl的晶粒生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)方向的變化以及多個(gè)熱循環(huán)時(shí)固態(tài)下晶粒生長(zhǎng)方向的變化以及多個(gè)熱循環(huán)時(shí)固態(tài)晶粒的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)速率,，所有這些可以通過(guò)熱模擬和流體的模擬來(lái)獲得,。晶粒從部分熔化的晶粒進(jìn)行外延生長(zhǎng)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(lái)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(duì)流傳熱,，同計(jì)算軟件和硬件的改善結(jié)合在一起來(lái)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(jiàn)圖5d,。這些計(jì)算考慮了對(duì)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(guò)大，也是不太實(shí)際地,。

缺陷形成的模擬
在介觀尺度模擬過(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)始得到應(yīng)用,。常見(jiàn)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(wèn)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(guò)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(duì)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(píng)估。


可打印性的評(píng)估
打印時(shí)的評(píng)估通過(guò)檢查部件常見(jiàn)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(lái)完成任務(wù),。理論尺度上的分析可以用來(lái)測(cè)試合金對(duì)熱變形的敏感性。合金對(duì)于未熔合的敏感性可以通過(guò)傳熱的數(shù)值來(lái)模型和流體的計(jì)算來(lái)得出,。一個(gè)給予可打印的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)發(fā)時(shí)間,，這對(duì)打印新合金來(lái)說(shuō)是節(jié)省時(shí)間和節(jié)約金錢(qián)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(kāi)始。一個(gè)比較重要的目標(biāo)是通過(guò)減少常見(jiàn)缺陷的辦法來(lái)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(lái)用于PBF-L打印,，用來(lái)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(duì)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(cè)，通過(guò)不同的源頭獲得的數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)現(xiàn)象進(jìn)行指導(dǎo)或進(jìn)行額外的編程,。預(yù)測(cè)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(kāi)源編程能力使得機(jī)器學(xué)習(xí)可以解決復(fù)雜的問(wèn)題,。這一復(fù)雜的問(wèn)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(kāi)源的算法和代碼,，然后討論一下其有效的用途和對(duì)金屬打印造成的影響,。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)的原因
通過(guò)不斷的試錯(cuò)的辦法來(lái)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(kāi)始廣泛的應(yīng)用于金屬打印的全過(guò)程（見(jiàn)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(guò)程。因此,，產(chǎn)品一體化的現(xiàn)象的預(yù)測(cè)在目前是沒(méi)有的。機(jī)器學(xué)習(xí)可以作為預(yù)測(cè)顯微組織,、性能和缺陷的工具,。該方法并不需要給予對(duì)現(xiàn)象的理解來(lái)利用復(fù)雜的公式來(lái)解決問(wèn)題。結(jié)果,，計(jì)算會(huì)非常迅速,。此外，輸入變量的等級(jí)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(guò)測(cè)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(kāi)源的程序的應(yīng)用上得到應(yīng)用。模型的分類,，如決策樹(shù),、隨機(jī)樹(shù)和K-近值鄰居均是數(shù)據(jù)分類問(wèn)題中比較有用的，如打印部件中探測(cè)到的或探測(cè)不到的氣孔,。這些模型也用作決策,。回歸模型,，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(lái)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(cè)可變的輸出量,。開(kāi)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(cè)和測(cè)試案例。在接下來(lái)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(guò)程和強(qiáng)大的開(kāi)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(jiàn)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(cè)和優(yōu)化工藝狀況以獲得理想的部件的途徑,，見(jiàn)圖6a。例如,，DED-GMA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(shù)算法來(lái)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(lái)預(yù)測(cè)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(lái)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(lái)檢查送粉速率,、掃描間距、激光功率對(duì)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(lái)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(cè)和工藝控制
機(jī)器學(xué)習(xí)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制金屬打印過(guò)程,，同時(shí)可以控制缺陷的形成,，提高尺寸精度。例如,，對(duì)部件采用相機(jī)進(jìn)行原位影像的獲取可以 用來(lái)同CAD設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較以探測(cè)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(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)時(shí)探測(cè)缺陷,，見(jiàn)圖6b。三個(gè)例子顯示了可變的探測(cè)和監(jiān)控辦法,。第一個(gè),，利用計(jì)算視覺(jué)算法獲得的粉末特征的數(shù)據(jù)可以用來(lái)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(lái)探測(cè)DED-L中的缺陷,。這些例子則表明原位探測(cè)和監(jiān)控打印過(guò)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(lái)在打印過(guò)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(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，采用高速相機(jī)測(cè)量沉積的寬度,，結(jié)果見(jiàn)圖6c的左圖。在另外的一種情況下,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(jiàn)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(lái)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(guò)決策樹(shù)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(duì)工藝過(guò)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(lái)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(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，見(jiàn)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(cè)屈服強(qiáng)度以幫助理解PBF工藝過(guò)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(lái)控制顯微組織和性能方面仍然處于發(fā)展的初級(jí)階段,。

減少缺陷
機(jī)器學(xué)習(xí)被用來(lái)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(lái)減少DED-L打印Ti6Al4V時(shí)的氣孔，見(jiàn)圖6e,。尤其是,，采用紅外相機(jī)監(jiān)控DED-L工藝過(guò)程中的溫度場(chǎng)，通過(guò)追蹤固相溫度曲線來(lái)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(lái)將工藝過(guò)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(lái)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(jiàn)圖6e,。在另外一樣品中，采用機(jī)器視覺(jué)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(lái),。在另外的學(xué)習(xí)中，自動(dòng)圖像分析用來(lái)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(jué)得到的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練支持向量機(jī)可以用來(lái)對(duì)對(duì)粉末的特征進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估,。機(jī)器學(xué)習(xí)還可以用來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備的失效和前瞻性的預(yù)測(cè)和替換部件，在實(shí)際部件出問(wèn)題之前進(jìn)行替換,。同時(shí),，機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)通過(guò)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(cè)問(wèn)題和探測(cè)打印過(guò)程中存在的缺陷,。計(jì)算視覺(jué)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)在工業(yè)中用來(lái)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(qián)。

展望
在近年來(lái),，商業(yè)用增材制造設(shè)備的銷售在不斷增長(zhǎng),，在全球授權(quán)專利數(shù)和全球市場(chǎng)的收入數(shù)據(jù)已指出增材制造的應(yīng)用范圍在未來(lái)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(shì),。第一個(gè)就是解決增材制造工藝制造中存在的問(wèn)題是不能或很難采用以往的辦法來(lái)解決的。機(jī)械模型的不斷增長(zhǎng)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(shì)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(wèn)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(wèn)題,，并在先進(jìn)的增材制造實(shí)踐中得以應(yīng)用,，并對(duì)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(shì),。這樣,，冶金學(xué)、機(jī)械模型和機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)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(kù)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(lái)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(lái)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