韓國(guó)研究人員利用人工智能克服3D打印強(qiáng)度與延展性難題

2025年3月2日，南極熊獲悉，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）研究團(tuán)隊(duì)與浦項(xiàng)科技大學(xué)合作，成功利用人工智能技術(shù)突破了Ti-6Al-4V合金在強(qiáng)度與延展性方面的傳統(tǒng)難題。通過(guò)這一創(chuàng)新，研究人員現(xiàn)在能夠生產(chǎn)出既具有高強(qiáng)度又具備高延展性的金屬產(chǎn)品。這個(gè)項(xiàng)目由Seungchul Lee和Hyoung Seop Kim教授領(lǐng)導(dǎo)。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上，論文題目為“主動(dòng)學(xué)習(xí)框架用于優(yōu)化高強(qiáng)度和延展性增材制造Ti-6Al-4V的工藝參數(shù)”（傳送門(mén)）

Seungchul Lee教授指出：“本研究通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)了在最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下開(kāi)發(fā)出既具有高強(qiáng)度又具備高延展性的Ti-6Al-4V合金。與以往研究相比，我們不僅生產(chǎn)出了極限抗拉強(qiáng)度相當(dāng)?shù)�總伸長(zhǎng)率更高的合金，還開(kāi)發(fā)出了總伸長(zhǎng)率相當(dāng)?shù)珮O限抗拉強(qiáng)度更高的合金。此外，如果我們的方法能夠擴(kuò)展到熱導(dǎo)率和熱膨脹等其它性能參數(shù)的優(yōu)化，預(yù)計(jì)將能夠更有效地探索3D打印工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件的廣闊空間�！�

△總體流程示意圖

AI突破3D打印Ti-6Al-4V合金強(qiáng)度與延展性的難題

在3D打印領(lǐng)域，Ti-6Al-4V合金因優(yōu)良的強(qiáng)度和生物相容性而廣受歡迎，特別是在激光粉末床熔合（LPBF）工藝中。然而，實(shí)現(xiàn)這種合金的高強(qiáng)度與高延展性的雙重目標(biāo)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管已有多種嘗試通過(guò)調(diào)整3D打印工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件來(lái)克服這一難題，但因潛在組合數(shù)量龐大，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和模擬方法難以全面探索。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種主動(dòng)學(xué)習(xí)框架，該框架可以快速地探索LPBF工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件的各種組合。這一框架基于人工智能模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率，并提供每組工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件的相關(guān)不確定性信息。

△本研究提出的帕累托主動(dòng)學(xué)習(xí)框架概述

在模型訓(xùn)練的迭代探索過(guò)程中，僅通過(guò)五次迭代，研究團(tuán)隊(duì)就成功確定了生產(chǎn)高性能Ti-6Al-4V合金的最佳3D打印工藝參數(shù)和熱處理?xiàng)l件。在這些優(yōu)化條件下，3D打印的Ti-6Al-4V合金實(shí)現(xiàn)了1190 MPa的極限抗拉強(qiáng)度和16.5%的總伸長(zhǎng)率，成功克服了強(qiáng)度與延展性這一傳統(tǒng)難題。

這種AI驅(qū)動(dòng)的方法不僅能夠推薦可能提高合金強(qiáng)度和延展性的參數(shù)，而且還能為研究者提供關(guān)于每組推薦參數(shù)的置信度，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。通過(guò)這種方式，研究人員能夠更高效地識(shí)別和驗(yàn)證潛在的工藝改進(jìn)方案，加快了材料性能優(yōu)化的進(jìn)程。

這個(gè)項(xiàng)目得到了韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)納米與材料技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，以及領(lǐng)先研究中心計(jì)劃的資助。