超材料設(shè)計(jì)增材制造過程中的計(jì)算挑戰(zhàn)

來源：增材制造技術(shù)前沿

波士頓大學(xué)副教授Keith A. Brown于日前在nature computational science發(fā)表了“Computational challenges in additive manufacturing for metamaterials design”一文，深入探討了超材料增材制造設(shè)計(jì)中的計(jì)算挑戰(zhàn)。文章指出，3D打印在制造超材料方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗軌蚓_控制幾何形狀和多尺度結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)所需的性能。然而，設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)增材制造超材料的行為卻是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。

在超材料設(shè)計(jì)中，增材制造面臨的一大挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)空間的廣闊性，這一特性因超材料的層次結(jié)構(gòu)而被進(jìn)一步放大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)探索變得不切實(shí)際。為了應(yīng)對(duì)這一難題，研究者們正積極探索使用圖形基表示法，以更精準(zhǔn)地捕捉材料結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則性，從而提供更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)變化描述。此外，參數(shù)化或程序化設(shè)計(jì)也嶄露頭角，它們利用算法依據(jù)有限的初始參數(shù)來生成結(jié)構(gòu)，有效簡化了設(shè)計(jì)流程。

然而，計(jì)算模型的準(zhǔn)確性仍是另一大挑戰(zhàn)。許多超材料性能的模擬不僅成本高，而且精確度低，加之增材制造過程中會(huì)引入微觀結(jié)構(gòu)變化，這些變化更是難以可靠預(yù)測(cè)。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，研究者們正致力于開發(fā)多保真度機(jī)器學(xué)習(xí)模型。這些模型能夠同時(shí)處理高保真度模擬數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及成本較低的低保真度數(shù)據(jù)，從而大幅提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

此外，文章還提到了將建筑設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)整合到計(jì)算模型中的重要性。增材制造超材料的性能不僅取決于其結(jié)構(gòu)，還受到諸如能量輸入、層高度、打印速度和環(huán)境條件等工藝參數(shù)的影響。為了提供最終產(chǎn)品性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，計(jì)算模型必須納入這些變量。最后，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)仍然是測(cè)試超材料設(shè)計(jì)和驗(yàn)證模擬工具的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在極端力學(xué)和納米光子學(xué)等領(lǐng)域，其中制造引起的變化可能強(qiáng)烈影響納米結(jié)構(gòu)的性能。因此，實(shí)驗(yàn)的速度和效率變得至關(guān)重要。

總的來說，超材料設(shè)計(jì)增材制造中的計(jì)算挑戰(zhàn)涉及設(shè)計(jì)空間的廣闊性、計(jì)算模型的準(zhǔn)確性、建筑設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的整合以及模擬結(jié)果的驗(yàn)證。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究者們正在開發(fā)新的方法和工具，如圖形基表示法、參數(shù)化設(shè)計(jì)、多保真度機(jī)器學(xué)習(xí)模型和數(shù)字孿生技術(shù)等。

近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和模式識(shí)別優(yōu)勢(shì)，在聚合物及其復(fù)合材料的研究中顯示出巨大的潛力。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，研究人員能夠從大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，預(yù)測(cè)材料性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化控制。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠加速新材料的研發(fā)進(jìn)程，還能提高材料的性能和可靠性，降低生產(chǎn)成本。

然而，機(jī)器學(xué)習(xí)在聚合物及其復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)的收集與預(yù)處理、特征選擇、模型構(gòu)建、性能評(píng)估以及結(jié)果的可解釋性等。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的基本理論、算法模型及其在材料科學(xué)中的具體應(yīng)用有深入的了解和掌握。