《3D打印與工業(yè)制造》一書談到，3D打印由于其天然的數(shù)字化特征，且涉及到的海量數(shù)據(jù)難以通過人類的大腦來理解，人工智能將“主宰”3D打印的發(fā)展。根據(jù)《人工智能在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用綜述 l 人工智能賦能3D打印》一文，鑒于流程的復(fù)雜性，為了更好的理解在AM-增材制造中中應(yīng)用 AI-人工智能技術(shù)，3D科學(xué)谷將人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域分解為3D打印前處理、過程中處理和后處理階段。而當(dāng)前，通過人工智能（創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件）來進(jìn)行復(fù)雜仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再是“小荷才露尖尖角”，而是登堂入室的進(jìn)入到NASA的硬件設(shè)計(jì)“殿堂”。

航空疲勞與結(jié)構(gòu)完整性國際委員會
© NASA

喬布斯（Steve Jobs)說過，21世紀(jì)最好的創(chuàng)新是將生物學(xué)與技術(shù)相交叉。

 快速生成復(fù)雜設(shè)計(jì)

在前處理過程中，ML-機(jī)器學(xué)習(xí)可用于3D打印相關(guān)的設(shè)計(jì)方面（幾何設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、原材料設(shè)計(jì)和粉末特性）。在3D打印原材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ML-機(jī)器學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展是可以預(yù)測材料特性。在通過人工智能用于3D打印設(shè)計(jì)方面的典型案例是空客仿生機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，早在2015年，空中客車（Airbus）就推出了首個(gè)通過創(chuàng)成式設(shè)計(jì)開發(fā)的輕量化零部件，即3D打印業(yè)界所熟知的輕量化仿生機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是采用高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金材料與粉末床激光熔化3D打印技術(shù)制造的，用于空客A320機(jī)艙中，起到分隔客艙與后部食品準(zhǔn)備區(qū)的作用。

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

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，空客仿生機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)打開了通往復(fù)雜設(shè)計(jì)的靈感大門，人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件被大量用于復(fù)雜的航空航天硬件設(shè)計(jì)中。

最新的發(fā)展包括EOS的AMCM完成了世界上最大的氣動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印。這款發(fā)動(dòng)機(jī)完全使用先進(jìn)的軟件算法在德國企業(yè)軟件Hyperganic中設(shè)計(jì)，無需任何手動(dòng) CAD建模過程，同時(shí)可能是目前有史以來生產(chǎn)的最復(fù)雜的增材制造零件——打破了所有傳統(tǒng)的工作流程。在AMCM巨大的 1m 構(gòu)建體積的3D打印設(shè)備用銅打印，這款發(fā)動(dòng)機(jī)高80厘米。

© Hyperganic

這些“長相奇異”的結(jié)構(gòu)讓業(yè)界明白創(chuàng)成式人工智能設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)的大量復(fù)雜設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)的工作量通常是人類手動(dòng)設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)和承受的。

© 3D科學(xué)谷白皮書

 更輕

近日，NASA 展示了其通過AI 人工智能來設(shè)計(jì)面向未來任務(wù)的硬件。NASA由人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的航天器硬件看起來類似于某些外星物種遺留下來的骨頭，但它們重量更輕，能承受更高的結(jié)構(gòu)載荷，并且開發(fā)零件所需的時(shí)間只是人類設(shè)計(jì)的一小部分。

測量和時(shí)域天體物理研究探索者 (STAR-X) 的結(jié)構(gòu)支架
© NASA

為了創(chuàng)建這些部件，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 專家從任務(wù)要求開始，繪制部件與儀器或航天器連接的表面，以及電子設(shè)備和其他硬件的任何螺栓和配件。設(shè)計(jì)人員可能還需要阻擋某些路徑，以便創(chuàng)成式人工智能算法生成的設(shè)計(jì)中不會阻擋激光束或光學(xué)傳感器。

定義了約束條件，人工智能就開始工作了，算法會將這些點(diǎn)連接起來，在短短一兩個(gè)小時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)然在這個(gè)過程中算法需要人的輔助，譬如有時(shí)候算法會使結(jié)構(gòu)變得太薄。

與傳統(tǒng)組件相比，人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的的結(jié)構(gòu)最多可減輕三分之二的重量，并且可以進(jìn)行后期的銑削加工。

當(dāng)然僅僅通過創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件生成的設(shè)計(jì)結(jié)果有很多，還要結(jié)合仿真和人的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行選擇與局部修改。NASA通過其標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證軟件和流程對零件進(jìn)行分析，以確定潛在的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。結(jié)果，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)際上降低了風(fēng)險(xiǎn)。在應(yīng)力分析之后，我開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)算法生成的零件并沒有人工設(shè)計(jì)中所具有的應(yīng)力集中。

該組件已被 NASA 任務(wù)的不同階段采用，包括天體物理氣球觀測站、地球大氣掃描儀、行星儀器、空間天氣監(jiān)測器、太空望遠(yuǎn)鏡，甚至火星樣本返回任務(wù)。

NASA還將人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)用于外行星氣候紅外望遠(yuǎn)鏡 (EXCITE) 任務(wù)，這是一種氣球載望遠(yuǎn)鏡，用于研究圍繞其他恒星運(yùn)行的熱木星型系外行星。目前正在建設(shè)和測試中，計(jì)劃使用近紅外光譜儀對每顆行星圍繞其主恒星的軌道進(jìn)行連續(xù)觀測。

望遠(yuǎn)鏡背面的鈦支架
© NASA

望遠(yuǎn)鏡的背面設(shè)計(jì)了一個(gè)鈦支架，其中紅外接收器位于鋁制低溫室內(nèi)，連接到支撐主鏡的碳纖維板。這些材料具有非常不同的熱膨脹特性，必須在它們之間建立一個(gè)不會對任何一種材料造成壓力的接口。

 由來已久

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，NASA對人工智能創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的應(yīng)用由來已久，另外一個(gè)典型案例是Autodesk-歐特克為NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的太空著陸器，這是有史以來最復(fù)雜的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的著陸器。著陸器設(shè)計(jì)外形酷似一只蜘蛛。通過歐特克的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件，這個(gè)設(shè)計(jì)方法運(yùn)用的是大自然的進(jìn)化結(jié)果的防生學(xué)計(jì)算公式。設(shè)計(jì)師和工程師們只需要將設(shè)計(jì)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(jì)軟件中，設(shè)計(jì)軟件就能夠快速生成多種設(shè)計(jì)結(jié)果作為選項(xiàng)。

根據(jù)3D科學(xué)谷，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)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，歐特克的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)有一個(gè)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。

歐特克和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員將著陸器在深太空可能遭受的溫度和壓力等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計(jì)軟件中，軟件根據(jù)數(shù)學(xué)算法生成了數(shù)種不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，歐特克的Fusion 360 中的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)包括制造感知技術(shù)，這意味著它可以生成多個(gè)受可用設(shè)計(jì)約束影響的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。此外，減材和增材制造技術(shù)可幫助用戶了解設(shè)計(jì)的可能性。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)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。

將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與制造無縫結(jié)合，例如此前歐特克就發(fā)布了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的2.5軸*版本，主要用于生成突破銑削約束的設(shè)計(jì)。這使得Fusion 360用戶能夠?qū)?D打印與傳統(tǒng)的CNC銑削實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)合。

通過Autodesk Fusion 360提供的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)和可制造性都是內(nèi)置的。增材制造和3軸以及5軸銑削加工之間具有各自的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得這兩者之間似乎隔了難以逾越的“鴻溝”，歐特克關(guān)于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的2.5軸版本使得任何擁有數(shù)控銑床的人都可以隨意使用這種“折衷”的設(shè)計(jì)來進(jìn)行加工。

除了可以直接訪問Fusion 360基于云的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，高級仿真模擬和高級CAM功能外，歐特克Fusion 360集成工作區(qū)現(xiàn)在還提供真正的混合制造體驗(yàn)，在單一工作流程中結(jié)合了先進(jìn)的增材制造和CAM功能。

 變革制造、變革設(shè)計(jì)

正如《重新定義制造，賦予零件“生命力”，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的八大價(jià)值》一文提到的，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(dòng)下發(fā)生了根本性的變化。增材制造提供了更高的設(shè)計(jì)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(xiàng)制造技術(shù)以構(gòu)建面向未來的設(shè)計(jì)。

© 3D科學(xué)谷白皮書

使用塑料3D打印和金屬3D打印將開啟人工智能輔助設(shè)計(jì)的未來，使更大的組件成為可能，例如結(jié)構(gòu)桁架、移動(dòng)或展開的復(fù)雜系統(tǒng)或先進(jìn)的精密光學(xué)器件。這些技術(shù)可以使 NASA 和其商業(yè)合作伙伴在軌道上建造更大的部件，否則這些部件將無法安裝在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)載火箭中，甚至可以使用在這些地方發(fā)現(xiàn)的材料來促進(jìn)在月球或火星上的建設(shè)。

(責(zé)任編輯：admin)

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