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    超算、人工智(zhì)能将以(yǐ)软实力(lì)“硬核”推动涡轮机械高性(xìng)能3D打印(yìn)组件(jiàn)的应用

    2020/02/043DSciencevalsley517

    3D打(dǎ)印技(jì)术以实现复杂设计的优势(shì)在高(gāo)附加值零部件(jiàn)制造领域(yù)得到了(le)应用发(fā)展。比(bǐ)如说(shuō),GE与西门子都在利用金属3D打印技术实现燃气轮机复(fù)杂燃(rán)烧组(zǔ)件的突(tū)破,GE 已交付给中国使用的(de)HArrie 重型燃气轮机(jī)打破了自己的(de)净(jìng)效率记录,3D打(dǎ)印技术所(suǒ)制(zhì)造的关(guān)键部(bù)件功不可没。

    但3D打印技术的(de)广泛应(yīng)用仍有诸(zhū)多制约因(yīn)素需要克服,其中一个(gè)因素(sù)是减少3D打印零件(jiàn)创建与(yǔ)验证所需要的(de)时间,高效的制造(zào)出合(hé)格的(de)3D打印(yìn)零部(bù)件。

    根据3D科(kē)学谷的(de)市场(chǎng)观(guān)察(chá),GE将与橡树岭国家实(shí)验室(ORNL)以及施乐旗下的PARC公司合作,以喷(pēn)气发动机(jī),风力涡轮机和燃(rán)气轮机等涡轮机械(xiè)中的(de)复(fù)杂(zá)热、流体(tǐ)零部(bù)件为切入点,通过(guò)人工智能(néng)技术、超级计算机将这类(lèi)3D打印零(líng)件的创建与验证时间(jiān)减少近65%。这一合作项目获(huò)得(dé)了130万美元(yuán)的项目资(zī)助。

    3D打印

    来源:GE

    热(rè)、流体3D打印组件,自动(dòng)化设计与验证的集成

    如(rú)今(jīn),开发(fā)设计用于喷气发动机,风(fēng)力涡轮机和燃气轮机等复杂动力产品的(de)新组件,往往(wǎng)需要涉及(jí)到数(shù)十位专业人士(shì),共同对组件的结(jié)构、热特(tè)性、流体特性进行研究。在设计增材制造-3D打印组件时,需要考(kǎo)虑诸多因(yīn)素,例如材料成分对热(rè)量(liàng)和应力的响(xiǎng)应程度,面向(xiàng)增材制造的设(shè)计如何(hé)影响气流或空气动力学性能等(děng)。汇集(jí)这些跨界知识,并完成(chéng)一种3D打印零件验(yàn)证的过程可能长达2到(dào)5年。

    根(gēn)据GE ,这(zhè)一项目的启动具(jù)有以下意义:

    将用于(yú)涡轮(lún)机(jī)械的高性能(néng)增(zēng)材(cái)制造零件设计开发时间从2-5年缩短到1-2年,整体时间减少一半以上;为3D打印技术广泛应用铺平(píng)道路,彻底改变从风力涡(wō)轮机(jī)到燃气(qì)轮机的(de)各种发电产品的效(xiào)率和性能;组合的项目团队将在ORNL的超级(jí)计算机Summit 上进行工作,开(kāi)发强大(dà)的人工智能(néng)(AI)和机器(qì)学习(ML)技术,从而以更(gèng)快的(de)速度实现数百万(wàn)次(cì)设计迭(dié)代(dài)。该项(xiàng)目将以实(shí)现(xiàn)无缺陷、高(gāo)性能的3D打印组件设计为最终(zhōng)目标(biāo),与铸造等传统工艺生产(chǎn)的零部件(jiàn)相(xiàng)比,这些3D打印组(zǔ)件(jiàn)将能够承受高温和高应力,并具有优化的性能。

    GE 研发增(zēng)材制造业务(wù)负(fù)责人对(duì)于这一(yī)项目对3D打(dǎ)印技术的(de)意义做了(le)进(jìn)一步说明(míng),由此可以看到(dào)这一项目对于(yú)增材制造的意义。他表示(shì),减(jiǎn)少创(chuàng)建和验证无缺(quē)陷的3D打印(yìn)组件设(shè)计所需时间(jiān),是实现3D打印(yìn)的广泛使用关键因(yīn)素之一,使(shǐ)用支(zhī)持多物(wù)理功能的工具和(hé)人工智能技术,将使(shǐ)3D打印组件设计整个过程自动化,并使得增材制造过程比某些传(chuán)统制造工艺更快。3D打印组(zǔ)件结构特性的优化已经实(shí)现自动化,但热和流体(tǐ)特性(xìng)优化(huà)还没有实现,这一项目(mù)将利用人工智能技术,从增(zēng)材制造(zào)可(kě)生产性数据自动(dòng)生成(chéng)代(dài)理模型,并将设计与多物(wù)理场设计优化技术进行(háng)无缝集成。

    项目团队将(jiāng)使用ORNL实验室的Summit超级计算机,以前所未有的(de)精度创(chuàng)建这些(xiē)基于(yú)人工智能的的代理(lǐ)模型。除此之外,ORNL 高(gāo)通量同(tóng)位素反应堆(duī)将被(bèi)用于分析增材(cái)制造组件,分(fèn)析数(shù)据将(jiāng)用于(yú)训练(liàn)和评估人(rén)工智能创建的模型。

    人工智能(néng)在(zài)自动生(shēng)成3D打印组件设计模型(xíng)中起到了重要作(zuò)用(yòng)。根(gēn)据项目成(chéng)员之一PARC,人工(gōng)智能技(jì)术(shù)可以加速创成式设(shè)计,这是一项能(néng)够显著减少(shǎo)设计(jì)与(yǔ)制造优质3D打印零件的重要创新性技术(shù)。使(shǐ)用机器学(xué)习人工智能技术,使(shǐ)得自动生成的功能集成3D打印零(líng)部件(jiàn)能够满足现实世界的应用需求,为制造(zào)业提供创(chuàng)新性的增材制造解决方案(àn)。

    3D科学谷Review

    《暗知识》一(yī)书中谈(tán)到,算力、数据、算法这三个要素同步成熟,形成合力,带(dài)来了(le)今天人工智能技术的爆发,这三个要(yào)素中最重要的(de)是计算能力的发(fā)展和算法的相互(hù)促进(jìn)。以上(shàng)项(xiàng)目(mù)正是将(jiāng)超级计算机的(de)算(suàn)力与机器学习算法相结合,促(cù)进(jìn)人工智能(néng)技术在(zài)3D打印零件设计开(kāi)发中的(de)应用。

    根据3D科学谷的市场观察,ORNL 实验室的超级计算机还将(jiāng)支持(chí)一个针(zhēn)对3D打印(yìn)的高级仿真功能开发项目。该项目名为Exascale增材制(zhì)造(ExaAM),该项目将利用超级计算机Frontier开发高级仿真功能。这一仿(fǎng)真功(gōng)能将(jiāng)使(shǐ)科学家更好地理(lǐ)解工艺参数(例如扫描模式),材料微观结构(晶粒尺(chǐ)寸和(hé)方向的分布)之间的复杂关系,以及3D打印金属(shǔ)零件的最终(zhōng)特性(例如强度)。

    以上这些信息可用于预测(cè)增材制造零件性能、强度、寿命,加快零件的鉴定和(hé)认证,从而以更(gèng)低(dī)成本创新和优(yōu)化产品。但当前的技术(shù)在预测增材制造(zào)零件的微(wēi)观结构时必须做出许多近(jìn)似和简化,而有了超级计(jì)算(suàn)机Frontier,研究人员将能(néng)够消(xiāo)除(chú)近似(sì)值(zhí),并优化制造过程中使用的参数,从而能够设计出重量更(gèng)轻的零件,减少浪费,减少零件组装的(de)需要(yào),或(huò)根据具(jù)体应用(yòng)确定其(qí)他属性(xìng)。

    正向(xiàng)设计与3D打(dǎ)印优势(shì)的结合、人工智能与工(gōng)艺开(kāi)发的结合、数(shù)字孪生(shēng)与生产控制(zhì)的结(jié)合是推动3D打印产(chǎn)业化的(de)“三驾马车。除了(le)增材制造硬件设备(bèi)快速发展,材料成本的(de)下降以及种(zhǒng)类的丰富,算力、数据(jù)、算法支撑起的人工智能软实力,也是促进(jìn)3D打印技术得(dé)到广泛应用(yòng)的(de)“硬核”。

    关键词:




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