麻省理工學(xué)院的研究人員訓(xùn)練了一個機器學(xué)習(xí)模型來監(jiān)控和調(diào)整3D打印過程，以實時糾正錯誤。

可用于3D打印的新材料正在持續(xù)開發(fā)，但弄清楚怎樣使用它們進行打印可能是一個復(fù)雜、成本高昂的難題。一貫，操作員需要使用手動試驗和錯誤，興許會進行成百上千次打印以確定理想?yún)?shù)，從而始終如一地有效地打印新材料。

麻省理工的研究人員已經(jīng)使用AI來簡化該程序?？茖W(xué)家開發(fā)了一種新的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用計算機視覺來觀察制造過程，可以實時糾正材料處理方式的錯誤。

他們使用仿真來教神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)怎樣調(diào)整打印參數(shù)以最小化錯誤，之后將該控制器應(yīng)用于真正的3D打印機。新系統(tǒng)與其他現(xiàn)有的3D打印控制器相比，能更準(zhǔn)確地打印物體。

這項工作避免了打印數(shù)千或數(shù)百萬個真實對象來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的昂貴過程。它可以使工程師更容易地將新材料整合到他們的3D打印產(chǎn)品中，這可以幫助他們開發(fā)具有特殊電氣或化學(xué)特性的產(chǎn)品。它還可以幫助技術(shù)人員在材料或環(huán)境條件意外變化時對打印過程進行調(diào)整。

"這個項目確實是建立一個使用機器學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)復(fù)雜控制策略的制造系統(tǒng)的第一個示范，"負(fù)責(zé)該項目的麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)教授Wojciech Matusik說，"假如你有更智能的制造設(shè)備，它們可以實時適應(yīng)工作場所持續(xù)變化的環(huán)境，以提高產(chǎn)量或系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，那么你就可以從機器中獲取更多的價值。"

揀選參數(shù)

確定數(shù)字化制造過程的理想?yún)?shù)可能是該過程中最昂貴的部分之一，因為需要大量的試錯。一旦技術(shù)人員找到一個運行良好的組合，這些參數(shù)只適用于一種特定情況。他們近乎沒有有關(guān)材料在其他環(huán)境、不同硬件上或新批次是否表現(xiàn)出不同特性的行為的數(shù)據(jù)。

使用機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)也充滿了挑戰(zhàn)。首先，研究人員需要實時測量3D打印機上發(fā)生的事情。

為此，研究人員開發(fā)了一種機器視覺系統(tǒng)，使用兩個針對3D打印機噴嘴的攝像頭。該系統(tǒng)在材料沉積時向材料發(fā)出光照射，并根據(jù)通過的光線量計算材料的厚度。"你可以把視覺系統(tǒng)想象成一雙眼睛實時觀察這個過程，"Foshey說。

然后，控制器將處理從視覺系統(tǒng)接收的圖像，并根據(jù)它看到的任何錯誤，調(diào)整進料速率和打印機的方向。

不過，訓(xùn)練基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器來理解這種制造過程是數(shù)據(jù)密集型的，并且需要進行數(shù)百萬次打印。因此，研究人員建造了一個模擬器。

成功模擬

為了更好地訓(xùn)練控制器，他們使用了一個稱為強化學(xué)習(xí)的過程，在這個過程中，模型通過試錯來學(xué)習(xí)并獲得獎勵。該模型的任務(wù)是選擇打印參數(shù)，以便在模擬環(huán)境中創(chuàng)建特定對象。在顯示預(yù)期輸出后，當(dāng)模型選擇的參數(shù)最小化其打印與預(yù)期結(jié)果之間的誤差時，模型將獲得獎勵。

在這種情況下，"錯誤"意味著模型要么分配了過多的材料，將其放置在應(yīng)該保持開放的區(qū)域，要么沒有分配足夠的材料，留下應(yīng)該填充的開放點。伴隨模型執(zhí)行更多的模擬打印，它更新了其控制策略以最大化獎勵，變得愈來愈準(zhǔn)確。

然則，現(xiàn)實世界比模擬更混亂。在實踐中，條件通常由于印刷過程中的微小變化或噪音而變化。因此，研究人員創(chuàng)建了一個數(shù)值模型，該模型近似于3D打印機的噪聲。他們使用這個模型為仿真添加噪聲，從而產(chǎn)生更逼真的結(jié)果。

"我們發(fā)現(xiàn)有趣的是，通過實現(xiàn)這個噪聲模型，我們能夠?qū)⒓兇庠诜抡嬷杏?xùn)練的控制策略轉(zhuǎn)移到硬件上，而無需進行任何物理實驗的訓(xùn)練，"Foshey說，"而且之后，我們不需要對實際設(shè)備進行任何微調(diào)。"

當(dāng)測試控制器時，它比之前評估的任何其他控制方法更準(zhǔn)確地打印物體。它在填充印刷中表現(xiàn)特別好，填充印刷是打印物體的內(nèi)部。其他一些控制器沉積了如此多的材料，以至于打印的物體凸起，但研究人員的控制器調(diào)整了打印路徑，使物體保持水平。

他們的控制策略甚至可以了解材料在沉積后怎樣擴散并相應(yīng)地調(diào)整參數(shù)。

自動調(diào)整

"我們還能夠設(shè)計控制策略，可以動態(tài)控制不同類型的材料。因此，假如您在現(xiàn)場有一個制造流程，并且想要更改材料，則無需重新驗證制造流程。你可以只加載新材料，控制器就會自動調(diào)整。"Foshey說。

當(dāng)前他們已經(jīng)展示了這種技術(shù)對3D打印的有效性，研究人員希望為其他制造工藝開發(fā)控制器。他們還想看看怎樣修改這種方法，以應(yīng)對多層材料或同時打印多個材料的情況。另外，他們的方法假設(shè)每種材料都有固定的粘度，但未來的迭代可以使用AI來實時識別和調(diào)整粘度。

麻省理工學(xué)院在增材制造方面有著悠久的歷史，并催生了多家主要的3D打印公司，如Desktop Metal和VulcanForms。這項工作部分得到了FWF Lise-Meitner計劃，歐洲研究委員會啟動補助金和美國國家科學(xué)基金會的支持。