人工智能在3D打印领域的应用研究

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏 银川 750021）

随着3D 打印技术的兴起，其潜在的商业价值不断显现，尤其是在产品的个性化定制方面显示出了其独特的优势；目前，3D 打印技术解决了个性化定制问题，而传统制造业的核心需求是批量化个性生产，这就对技术更新迭代提出了更高的要求。人工智能同3D 打印技术的深度融合将会彻底改变3D 打印行业现状，将为3D 打印技术的规模化、产业化应用提供更高效的解决方案。

1 3D 打印技术基本概述

3D 打印是能够有效地将数字化二维模型实体化的一种快速成型技术，在设计和制造物体方面表现十分高效，又称增材制造。3D 打印的工作原理就是将一个三维的几何拆分为若干个二维的平面，依据拆分对象的三维数据对打印对象进行逐层加工，利用成形设备层层材料堆积而形成所需要的立体模型，制造出实体三维模型。通俗一点来说，就像是现今社会上普遍存在的普通打印机，可以打印出纸面（即二维空间）上的任意图画，3D 打印就是将三维几何切分成一个个二维平面进行打印，然后将平面进行顺序叠加，最终制造出一个实体立体几何模型。3D 打印采用的是增材制造的方式，和采用减材制造的传统工艺有所不同，它在实现原材料的高效利用上具有重要意义，节约能源，是一种更加符合现代化建设的制造方式。目前为止，发展的3D 打印技术类型有熔融沉积式（FDM）、分层叠加式（GLOM）、光敏树脂固液化成式（SLA）、选择性粉末激光烧结式（SLS）、激光选区融化式（SLM）等[1]。

2 3D 打印技术及相关技术的应用现状

随着3D 打印技术的不断成熟，正在逐步从研发设计走向规模化、产业化应用。3D 打印技术的优势和核心在于可以实现传统制造业难以解决的个性化、复杂的、高难度的制造难题，是传统制造技术的一次重要革命。以铸造行业为例，随着整个铸造行业转型升级工作的不断推进，各种3D 打印设备应运而生，借助3D 打印技术，不仅解决了铸件产品的成型困难问题，而且使产品尺寸从设计到加工控制的更加精确，毛净重比进一步降低，也大幅度地降低了产品的生产周期，同时，有助于减小焊接应力，提高焊缝质量稳定性等。这一重大技术革新，使得“傻大黑粗”的传统铸件产品一夜之间变成了“窈窕淑女”型的3D 打印成型产品；这不仅仅是技术革新带来的思维方式的转变，更是新旧生产模式转型升级的生动体现。

随着3D 打印技术应用步伐的不断加快，对于智能化要求也越来越高。在3D 打印技术应用初期，诸多控制还需要大量的人为参与，例如设备控制需要操作人员按照作业流程，按部就班的进行现场操控。这种控制是相对简单的自动化应用模式，对于工业生产行业来说已经很难满足未来的发展需求；在不久的将来，将会逐渐被智能化生产模式所取代。人工智能技术在3D 打印领域的应用，将会掀起3D 打印技术规模化、产业化应用的新一轮技术革命。

3 人工智能在3D 打印领域应用的问题研究

无论是人工智能还是3D 打印，都属于新兴的技术，新兴技术在探究和应用过程中不可避免地会产生新的问题。目前，人工智能技术在3D 打印领域的探索才刚刚起步，技术积累还需要一段时间，距离实现规模化、产业化应用还有一段路要走，根据目前发展情况来看，人工智能技术在3D 打印领域应用受到诸多因素影响。

3.1 技术单一，缺乏人工智能基础研究

目前在3D 打印技术应用中，依然存在不足之处，缺乏对人工智能与3D 打印相结合的应用研究。例如，3D 打印设备依靠简单的自动化控制来实现，操控流程复杂，同时，设备控制方面容错能力不足，从而导致生产效率低下，企业成本增加，利润降低等。由于控制技术单一，缺乏对人工智能技术的相关拓展和研究，很难实现大的技术突破。

3.2 3D 打印及相关技术缺乏创新

由于受到资金、应用环境、人才资源等各方面的制约，3D 打印及其配套技术创新不足。在3D 打印技术应用中发现，不管是3D 打印设备自生各系统之间的配合，还是与其他自动化设备之间的对接，都会或多或少地出现各种难以诊断和解决的问题。同时，由于缺乏对3D 打印技术更深入的控制和理论研究，导致在设备的设计优化和故障诊断等方面困难重重，很难有大的技术创新，根本原因在于缺乏扎实的理论研究。一切技术创新都须建立在深入的基础理论研究之上，特别是对3D 打印技术而言，加大技术投入和基础理论研究对于实现3D 打印智能化具有巨大的推动作用。

3.3 缺乏高素质创新人才

如今，随着科学技术的突飞猛进，各行各业对于高素质创新人才变得愈发依赖。在3D 打印技术领域，对于技术创新要求很高，为了加快3D 打印智能化应用步伐，相应的高素质创新性人才必不可少，不仅要懂3D 打印相关技术，更要求有扎实的自动化和人工智能技术基础。但根据目前现状来看，这方面人才缺乏，高素质创新型人才较少，这在一定程度上影响了人工智能技术在3D 打印领域的应用进程。

4 人工智能在3D 打印领域的应用探究

4.1 集成业务，简化操作流程

在人工智能技术的支持下，充分应用3D 打印控制系统，取代人工干预，将复杂的操作流程交给相应的处理系统。

例如，用户在选取需要打印零件的三维图形后，系统自动根据三维图形的数量和尺寸，将打印零件合理地摆放在虚拟工作平台的相应位置，以提高工作平台空间利用率，在校验零件摆放无误后，系统将迅速完成数据转化、设备诊断、开始打印、产品清理的一系列工作，所有生产环节完全取代人工干预。通过可靠的人工智能控制，不仅能确保整个3D 打印系统稳定运行，减少人工操作造成的失误，而且可以提高生产效率，增加企业利润。通过3D 打印与人工智能技术紧密结合，将很好地推动3D 打印技术快速、稳定发展。

4.2 拓展智能学习，增强容错能力

随着信息技术的发展，智能学习让计算机从经验中获取知识，并根据相应体系划分来实现人工智能，因此，以计算机为平台的3D 打印控制系统同样具备实现人工智能的可能性。在人工智能技术应用中，在恰当的工具辅助下，对同构、异构的数据源进行抽取和集成，将结果按照一定的规范统一存储，应用相应的技术对存储的数据进行分析、处理，将采集的大量数据进行分类处理成数据集，并将归类后的数据集中的每一个样本进行进一步规范处理，使其成为修正后的数据模型，再将需要处理的数据和数据模型进行比对来实现智能处理。

以3D 砂模打印机为例，可通过机器视觉技术，在零件堆积过程中读取每层图形的实际喷绘情况，将实际和理论的图形数据进行对比分析，再根据相邻层同一位置对应像素点的重合度和实际喷绘的砂模尺寸偏差，对运动控制系统和喷绘系统做出实时调整。如果相邻层喷绘的图形出现位置偏移或者图形尺寸出现偏差，在喷绘下一层的过程中，运动控制系统和喷绘系统将在对应的喷绘位置做出精确调整，以此，将出现的缺陷补充到其他层，从而避免因堆叠错位而产生层纹。通过一定层数的数据积累、对比和分析，对出现缺陷的打印数据进行相应的修正和补充。这样，可有效消除3D 成型砂模的表面粗糙问题。

同样的，3D 打印技术可以通过类似的智能学习，将设备所出现的各种可能性不断分类处理，在智能学习技术的支持下，不断增强3D 打印设备的容错能力，使3D 打印技术的应用变得更加稳定、成熟、高效，从而为3D 打印技术的规模化、产业化应用打下坚实的技术基础。

5 结束语

通过3D 打印技术同人工智能等相关的技术深度融合，不仅能带动3D 打印技术的快速发展，而且能够促进新一轮的技术革新。相信在各种思想和技术的碰撞下，将彻底改变传统的生产和运营模式。