美國研究人員近日揭示了一種智能 3D 打印系統，能夠即時檢測和修復大型複合材料零件在生產過程中的缺陷。該技術本質上是一個自動控制器，專門用於監控複合材料的 3D 打印，這項研究由田納西州的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）科學家開發，屬於美國能源部（DoE）的一部分。據報導，這款智能工具結合了傳感器和計算機視覺技術。ORNL 團隊認為，這項技術可以幫助美國製造商生產大型定製零件，幾乎沒有缺陷。
此外，該系統還能減少浪費、降低成本，並鞏固美國在增材製造領域的領導地位。
ORNL 的高級研發研究員 Kris Villez 博士表示：「我們的控制器具有感知正在發生的事情並即時反應的能力，這是創新的。它幾乎像人類一樣控制過程：通過觀察和輕微調整設置，直到達到預期的結果。」在工程師使用大型工業 3D 打印機製造大型物體（包括飛機零件、汽車保險槓、船殼模具、貨運集裝箱以及建築物牆壁）的過程中，該技術能夠實現無缺陷的複合材料打印。然而，該過程對於温度波動和打印速度非常敏感。
研究人員指出，即使是微小的變化也可能削弱最終結構或毀掉整個打印件。
智能 3D 打印系統能夠即時檢測和修復缺陷
因此，他們在一台機器人 3D 打印機上安裝了一組傳感器和六個小型熱成像攝像頭，這些攝像頭被放置在打印噴嘴周圍。這一新系統能夠持續追蹤噴嘴的運動、打印速度，以及熱塑性複合材料在逐層冷卻過程中的温度。此外，該系統利用計算機視覺技術，這是一種使機器能夠解釋視覺數據的人工智能類型。這意味著系統可以在製造過程中分析實時的熱成像圖像。因此，若它檢測到沉積材料在添加下一層之前冷卻過快或變得過冷，它會自動調整打印速度，以確保最佳的打印條件。
為了測試該系統，團隊打印了一個比卡車輪胎還大的六邊形結構。他們故意以低速開始打印，導致材料冷卻到低於所需温度約 30%。控制器識別出這一問題並自動提高速度，並恢復強化層間粘合所需的正確温度。參與該項目的田納西大學研究生 Chris O’Brien 揭示，該工具能夠檢測和修正僅幾度的温度差異。根據他的説法，這一點至關重要，因為温度變化是造成複合材料打印失敗的常見原因。
該技術的巨大優勢在於，它不需要針對每個新設計或幾何形狀進行重新訓練。它還能夠在不同的打印機、材料和物體形狀上進行工作。Villez 在一份新聞稿中總結道：「這些機器具有極大的智能化和響應性的提升空間。」該系統還包括數字雙胞胎技術，或稱為物理打印過程的虛擬複製，利用機器學習技術創建。科學家可以利用這一技術安全地實驗新材料和打印技術，然後再應用於工廠。
項目 規格 控制器 自動監控和調整打印過程 傳感器 六個小型熱成像攝像頭 打印速度調整 自動調整至最佳條件
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