人工智能在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用研究

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隨著3D 打印技術(shù)的興起，其潛在的商業(yè)價值不斷顯現(xiàn)，尤其是在產(chǎn)品的個性化定制方面顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)勢；目前，3D 打印技術(shù)解決了個性化定制問題，而傳統(tǒng)制造業(yè)的核心需求是批量化個性生產(chǎn)，這就對技術(shù)更新迭代提出了更高的要求。人工智能同3D 打印技術(shù)的深度融合將會徹底改變3D 打印行業(yè)現(xiàn)狀，將為3D 打印技術(shù)的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供更高效的解決方案。

1 3D 打印技術(shù)基本概述

3D 打印是能夠有效地將數(shù)字化二維模型實(shí)體化的一種快速成型技術(shù)，在設(shè)計(jì)和制造物體方面表現(xiàn)十分高效，又稱增材制造。3D 打印的工作原理就是將一個三維的幾何拆分為若干個二維的平面，依據(jù)拆分對象的三維數(shù)據(jù)對打印對象進(jìn)行逐層加工，利用成形設(shè)備層層材料堆積而形成所需要的立體模型，制造出實(shí)體三維模型。通俗一點(diǎn)來說，就像是現(xiàn)今社會上普遍存在的普通打印機(jī)，可以打印出紙面（即二維空間）上的任意圖畫，3D 打印就是將三維幾何切分成一個個二維平面進(jìn)行打印，然后將平面進(jìn)行順序疊加，最終制造出一個實(shí)體立體幾何模型。3D 打印采用的是增材制造的方式，和采用減材制造的傳統(tǒng)工藝有所不同，它在實(shí)現(xiàn)原材料的高效利用上具有重要意義，節(jié)約能源，是一種更加符合現(xiàn)代化建設(shè)的制造方式。目前為止，發(fā)展的3D 打印技術(shù)類型有熔融沉積式（FDM）、分層疊加式（GLOM）、光敏樹脂固液化成式（SLA）、選擇性粉末激光燒結(jié)式（SLS）、激光選區(qū)融化式（SLM）等[1]。

2 3D 打印技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著3D 打印技術(shù)的不斷成熟，正在逐步從研發(fā)設(shè)計(jì)走向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢和核心在于可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)難以解決的個性化、復(fù)雜的、高難度的制造難題，是傳統(tǒng)制造技術(shù)的一次重要革命。以鑄造行業(yè)為例，隨著整個鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級工作的不斷推進(jìn)，各種3D 打印設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，借助3D 打印技術(shù)，不僅解決了鑄件產(chǎn)品的成型困難問題，而且使產(chǎn)品尺寸從設(shè)計(jì)到加工控制的更加精確，毛凈重比進(jìn)一步降低，也大幅度地降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，同時，有助于減小焊接應(yīng)力，提高焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性等。這一重大技術(shù)革新，使得“傻大黑粗”的傳統(tǒng)鑄件產(chǎn)品一夜之間變成了“窈窕淑女”型的3D 打印成型產(chǎn)品；這不僅僅是技術(shù)革新帶來的思維方式的轉(zhuǎn)變，更是新舊生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級的生動體現(xiàn)。

隨著3D 打印技術(shù)應(yīng)用步伐的不斷加快，對于智能化要求也越來越高。在3D 打印技術(shù)應(yīng)用初期，諸多控制還需要大量的人為參與，例如設(shè)備控制需要操作人員按照作業(yè)流程，按部就班的進(jìn)行現(xiàn)場操控。這種控制是相對簡單的自動化應(yīng)用模式，對于工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)來說已經(jīng)很難滿足未來的發(fā)展需求；在不久的將來，將會逐漸被智能化生產(chǎn)模式所取代。人工智能技術(shù)在3D 打印領(lǐng)域的應(yīng)用，將會掀起3D 打印技術(shù)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新一輪技術(shù)革命。

3 人工智能在3D 打印領(lǐng)域應(yīng)用的問題研究

無論是人工智能還是3D 打印，都屬于新興的技術(shù)，新興技術(shù)在探究和應(yīng)用過程中不可避免地會產(chǎn)生新的問題。目前，人工智能技術(shù)在3D 打印領(lǐng)域的探索才剛剛起步，技術(shù)積累還需要一段時間，距離實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一段路要走，根據(jù)目前發(fā)展情況來看，人工智能技術(shù)在3D 打印領(lǐng)域應(yīng)用受到諸多因素影響。

3.1 技術(shù)單一，缺乏人工智能基礎(chǔ)研究

目前在3D 打印技術(shù)應(yīng)用中，依然存在不足之處，缺乏對人工智能與3D 打印相結(jié)合的應(yīng)用研究。例如，3D 打印設(shè)備依靠簡單的自動化控制來實(shí)現(xiàn)，操控流程復(fù)雜，同時，設(shè)備控制方面容錯能力不足，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，企業(yè)成本增加，利潤降低等。由于控制技術(shù)單一，缺乏對人工智能技術(shù)的相關(guān)拓展和研究，很難實(shí)現(xiàn)大的技術(shù)突破。

3.2 3D 打印及相關(guān)技術(shù)缺乏創(chuàng)新

由于受到資金、應(yīng)用環(huán)境、人才資源等各方面的制約，3D 打印及其配套技術(shù)創(chuàng)新不足。在3D 打印技術(shù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不管是3D 打印設(shè)備自生各系統(tǒng)之間的配合，還是與其他自動化設(shè)備之間的對接，都會或多或少地出現(xiàn)各種難以診斷和解決的問題。同時，由于缺乏對3D 打印技術(shù)更深入的控制和理論研究，導(dǎo)致在設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化和故障診斷等方面困難重重，很難有大的技術(shù)創(chuàng)新，根本原因在于缺乏扎實(shí)的理論研究。一切技術(shù)創(chuàng)新都須建立在深入的基礎(chǔ)理論研究之上，特別是對3D 打印技術(shù)而言，加大技術(shù)投入和基礎(chǔ)理論研究對于實(shí)現(xiàn)3D 打印智能化具有巨大的推動作用。

3.3 缺乏高素質(zhì)創(chuàng)新人才

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，各行各業(yè)對于高素質(zhì)創(chuàng)新人才變得愈發(fā)依賴。在3D 打印技術(shù)領(lǐng)域，對于技術(shù)創(chuàng)新要求很高，為了加快3D 打印智能化應(yīng)用步伐，相應(yīng)的高素質(zhì)創(chuàng)新性人才必不可少，不僅要懂3D 打印相關(guān)技術(shù)，更要求有扎實(shí)的自動化和人工智能技術(shù)基礎(chǔ)。但根據(jù)目前現(xiàn)狀來看，這方面人才缺乏，高素質(zhì)創(chuàng)新型人才較少，這在一定程度上影響了人工智能技術(shù)在3D 打印領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。

4 人工智能在3D 打印領(lǐng)域的應(yīng)用探究

4.1 集成業(yè)務(wù)，簡化操作流程

在人工智能技術(shù)的支持下，充分應(yīng)用3D 打印控制系統(tǒng)，取代人工干預(yù)，將復(fù)雜的操作流程交給相應(yīng)的處理系統(tǒng)。

例如，用戶在選取需要打印零件的三維圖形后，系統(tǒng)自動根據(jù)三維圖形的數(shù)量和尺寸，將打印零件合理地?cái)[放在虛擬工作平臺的相應(yīng)位置，以提高工作平臺空間利用率，在校驗(yàn)零件擺放無誤后，系統(tǒng)將迅速完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、設(shè)備診斷、開始打印、產(chǎn)品清理的一系列工作，所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)完全取代人工干預(yù)。通過可靠的人工智能控制，不僅能確保整個3D 打印系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少人工操作造成的失誤，而且可以提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)利潤。通過3D 打印與人工智能技術(shù)緊密結(jié)合，將很好地推動3D 打印技術(shù)快速、穩(wěn)定發(fā)展。

4.2 拓展智能學(xué)習(xí)，增強(qiáng)容錯能力

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能學(xué)習(xí)讓計(jì)算機(jī)從經(jīng)驗(yàn)中獲取知識，并根據(jù)相應(yīng)體系劃分來實(shí)現(xiàn)人工智能，因此，以計(jì)算機(jī)為平臺的3D 打印控制系統(tǒng)同樣具備實(shí)現(xiàn)人工智能的可能性。在人工智能技術(shù)應(yīng)用中，在恰當(dāng)?shù)墓ぞ咻o助下，對同構(gòu)、異構(gòu)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行抽取和集成，將結(jié)果按照一定的規(guī)范統(tǒng)一存儲，應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，將采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理成數(shù)據(jù)集，并將歸類后的數(shù)據(jù)集中的每一個樣本進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)范處理，使其成為修正后的數(shù)據(jù)模型，再將需要處理的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對來實(shí)現(xiàn)智能處理。

以3D 砂模打印機(jī)為例，可通過機(jī)器視覺技術(shù)，在零件堆積過程中讀取每層圖形的實(shí)際噴繪情況，將實(shí)際和理論的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，再根據(jù)相鄰層同一位置對應(yīng)像素點(diǎn)的重合度和實(shí)際噴繪的砂模尺寸偏差，對運(yùn)動控制系統(tǒng)和噴繪系統(tǒng)做出實(shí)時調(diào)整。如果相鄰層噴繪的圖形出現(xiàn)位置偏移或者圖形尺寸出現(xiàn)偏差，在噴繪下一層的過程中，運(yùn)動控制系統(tǒng)和噴繪系統(tǒng)將在對應(yīng)的噴繪位置做出精確調(diào)整，以此，將出現(xiàn)的缺陷補(bǔ)充到其他層，從而避免因堆疊錯位而產(chǎn)生層紋。通過一定層數(shù)的數(shù)據(jù)積累、對比和分析，對出現(xiàn)缺陷的打印數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正和補(bǔ)充。這樣，可有效消除3D 成型砂模的表面粗糙問題。

同樣的，3D 打印技術(shù)可以通過類似的智能學(xué)習(xí)，將設(shè)備所出現(xiàn)的各種可能性不斷分類處理，在智能學(xué)習(xí)技術(shù)的支持下，不斷增強(qiáng)3D 打印設(shè)備的容錯能力，使3D 打印技術(shù)的應(yīng)用變得更加穩(wěn)定、成熟、高效，從而為3D 打印技術(shù)的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

通過3D 打印技術(shù)同人工智能等相關(guān)的技術(shù)深度融合，不僅能帶動3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，而且能夠促進(jìn)新一輪的技術(shù)革新。相信在各種思想和技術(shù)的碰撞下，將徹底改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)和運(yùn)營模式。