多倫多大學(xué)鄒宇團(tuán)隊(duì)增材制造頂刊: AIDED框架助力激光定向能量沉積高效生產(chǎn)

近日，多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系Yu Zou (鄒宇) 教授以及第一作者Xiao Shang (尚笑) 等研究人員在增材制造（AM）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，特別是在激光定向能量沉積（L-DED）工藝優(yōu)化方面提出了全新的AIDED框架。該研究成果以《Accurate Inverse process optimization framework in laser directed energy deposition》為題，發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Additive Manufacturing》上。該研究得到了加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)（NSERC）等多個(gè)項(xiàng)目的支持，為增材制造工藝的高效優(yōu)化提供了新的解決方案。

研究背景與挑戰(zhàn)
增材制造，尤其是激光金屬增材制造，因其能夠制造復(fù)雜形狀的部件而備受關(guān)注。然而，工藝參數(shù)的優(yōu)化一直是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化方法通常依賴于耗時(shí)的試錯(cuò)過程，且難以同時(shí)滿足多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。盡管模擬技術(shù)有所進(jìn)展，但其計(jì)算資源需求大，難以在實(shí)時(shí)工業(yè)應(yīng)用中推廣。因此，開發(fā)一種快速、準(zhǔn)確的工藝優(yōu)化方法成為了推動(dòng)增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

Accurate Inverse process optimization framework in laser Directed Energy Deposition (AIDED) 框架的創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)提出的AIDED框架結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)模型和遺傳算法，能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測單道、多道和多層熔池的幾何形狀，并通過逆向優(yōu)化直接從用戶指定的優(yōu)化目標(biāo)中識(shí)別出最佳工藝參數(shù)。

△Figure 1 AIDED 框架示意

該框架的核心優(yōu)勢(shì)在于：
1.高精度預(yù)測：AIDED框架能夠準(zhǔn)確預(yù)測單道熔池的面積（R²得分0.995）、多道熔池的傾斜角度（R²得分0.969）以及多層熔池的截面幾何形狀（寬度和高度誤差分別為1.75%和12.04%）。

△Figure 2 單熔道熔池截面形貌預(yù)測結(jié)果

2.逆向優(yōu)化：AIDED框架能夠在1-3小時(shí)內(nèi)從用戶自定義的應(yīng)用目標(biāo)中逆向識(shí)別出最佳工藝參數(shù)，顯著提高了工藝優(yōu)化的效率。

△Figure 3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)和基因算法的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3.材料通用性：該框架展示了良好的材料通用性，僅需少量額外數(shù)據(jù)即可將其應(yīng)用于其他材料系統(tǒng)，如純鎳。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用
研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AIDED框架的有效性，成功解決了多目標(biāo)優(yōu)化問題，識(shí)別出在保證高打印速度和小有效軌道寬度情況下的最佳工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用AIDED框架優(yōu)化的打印件密度超過99.9%，且打印速度顯著提升。例如，在打印一個(gè)10 mm × 10 mm × 5 mm的立方體時(shí)，最快打印時(shí)間僅為101.9秒，有效軌道寬度最小可達(dá)0.392 mm。

△Figure 4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果尺寸精度以及孔隙率

未來展望
AIDED框架的成功開發(fā)為增材制造工藝優(yōu)化提供了新的工具，特別是在激光定向能量沉積領(lǐng)域。該框架不僅能夠顯著減少工藝優(yōu)化的時(shí)間和成本，還能夠通過逆向優(yōu)化快速識(shí)別出最佳工藝參數(shù)，極大地推動(dòng)了增材制造技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展該框架的應(yīng)用范圍，涵蓋更多材料系統(tǒng)，并探索其在復(fù)雜形狀零件制造中的潛力。

總結(jié)
多倫多大學(xué)Yu Zou (鄒宇) 教授團(tuán)隊(duì)提出的AIDED框架為增材制造工藝優(yōu)化提供了高效、準(zhǔn)確的解決方案，特別是在激光定向能量沉積領(lǐng)域。該框架的成功應(yīng)用不僅提升了打印效率和質(zhì)量，還為增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來，隨著該框架的進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展，增材制造技術(shù)將在更多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。


文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104736