當(dāng)機(jī)器學(xué)習(xí)遇上3D打印，大型工業(yè)制造革命指日可待
兩年時(shí)間在阿姆斯特丹3D打印一座鋼鐵大橋，實(shí)踐向世人展示了這項(xiàng)技術(shù)的行與不行。
五年前，3D曾經(jīng)一度風(fēng)靡世界，無數(shù)人甚至認(rèn)為，未來將充斥著3D打印。比如我們會(huì)駕駛著3D打印的汽車，住在3D打印的房子里。然而，五年后，我們想象中的未來并沒有時(shí)間。但是即便炒作不再，仍有公司正在堅(jiān)持開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。
兩年前，MX3D宣布了一項(xiàng)計(jì)劃，將使用3D打印技術(shù)建造一整座由JorisLaarman設(shè)計(jì)的鋼鐵大橋。這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)即可竣工。對(duì)此，公司和其主要投資方Autodesk與我們獨(dú)家分享了他們的進(jìn)度。技術(shù)的發(fā)展以及項(xiàng)目的進(jìn)行十分令人驚嘆，無數(shù)難題在這一過程中被克服，未來十分值得期待。
工業(yè)應(yīng)用的完美案例
這座橋梁無疑是從造船到海上石油鉆機(jī)等一系列鋼鐵打印應(yīng)用的概念證明。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅需要更好的軟件，還需要能夠自己學(xué)習(xí)3D打印的機(jī)器人?！拔覀兗磳⑷〉每纱蛴∥矬w體積的重大突破，將為3D打印的應(yīng)用帶來飛躍發(fā)展”，MX3D公司的管理人GijsvanderVelden說道。MX3D是一家致力于商業(yè)化大規(guī)模鋼鐵打印的創(chuàng)業(yè)公司，剝離自JorisLaarmanLab。
當(dāng)Laarman第一次設(shè)計(jì)這座橋梁時(shí)，該橋本由像冰晶一樣的格子狀柱子支撐。橋梁坐落于靠近阿姆斯特丹歷史悠久的紅燈區(qū)附近的運(yùn)河上。但是由于一個(gè)簡(jiǎn)單的原因，橋梁發(fā)生了根本性變化：該市的發(fā)現(xiàn)橋梁的設(shè)計(jì)會(huì)給運(yùn)河的河床帶來巨大壓力，因此必須重新進(jìn)行工程設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在正在被打印制造的橋梁更像是典型的行人結(jié)構(gòu)，但橋面和形狀依然保持了原來奇異的彎曲和扭曲——并且這種設(shè)計(jì)只能以3D打印完成。更重要的是，它向所有潛在的合作伙伴展示了3D打印技術(shù)的可能性。
不過，打印過程中遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)是打印大塊形狀。你可能會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)硬件問題——使用性能更好的機(jī)器就可以解決——但實(shí)際上這更多的是一個(gè)軟件問題。一直以來，現(xiàn)成的工業(yè)機(jī)器人是主角，客戶可以方便地預(yù)訂這些機(jī)器人，3周左右之后就可以收到貨，然后使用MX3D的軟件打印任何他們想要的東西。但是讓這些機(jī)器人焊接具有高性能部件所需的所有物理屬性的東西，就變得十分復(fù)雜。
鐵的物理性質(zhì)在熔化后發(fā)生改變。不斷地重復(fù)加熱會(huì)使得鐵變脆，意味著你不能簡(jiǎn)單地像打印塑料那樣一層又一層地3D打印鋼鐵結(jié)構(gòu)。隨著一層一層地鋼鐵不斷堆疊，他們會(huì)重復(fù)加熱下面的鋼鐵曾。如果這些鋼鐵層最近剛打印完，他們會(huì)變得更加脆弱。克服這一困難意味著需要采用完全不同的打印側(cè)列。鋼鐵須建造在已經(jīng)冷卻的區(qū)域，由于區(qū)域的不同，打印出來的仿佛是隨機(jī)圖案。用來3D打印鋼鐵的機(jī)器人看起來不怎么像蜘蛛織網(wǎng)——倒更像是磕了藥的蜘蛛在織網(wǎng)。因?yàn)榇蛴C(jī)不再需要等待某一特定位置的鋼鐵冷卻，打印機(jī)本身的工作效率可以提高兩倍。
但接下來的事情更加復(fù)雜。復(fù)雜的三維幾何是根據(jù)定義定制的，所以很難預(yù)先知道機(jī)器在創(chuàng)建強(qiáng)焊接時(shí)會(huì)在哪個(gè)位置遇到麻煩。但是機(jī)器學(xué)習(xí)可以解決這個(gè)問題。MX3D使用的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)具備傳感器，可以檢測(cè)用于加熱鋼鐵的電流值、鋼鐵的溫度以及焊接的準(zhǔn)確位置。MX3D正在開展下一個(gè)階段工作：將該數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，幫助機(jī)器人學(xué)習(xí)那些焊接可能產(chǎn)生問題——并選擇要么實(shí)時(shí)解決這些問題，要么采用全新的移動(dòng)模式以完全避免這些問題，重新合理構(gòu)建每一層結(jié)構(gòu)?！爱?dāng)你制作打印文件的時(shí)候，你可以解決掉明顯的問題，”vanderVelden解釋說，“但在實(shí)際打印的時(shí)候，機(jī)器會(huì)識(shí)別出問題并即時(shí)創(chuàng)建解決方案。”
vanderVelden同時(shí)也承認(rèn)，3D打印鋼鐵將不適用于95％的工業(yè)建筑項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目中，鋼鐵的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，無需使用3D打印技術(shù)。但是，剩下的5％項(xiàng)目意味著巨大的市場(chǎng)。比如，海上石油鉆機(jī)的鋼支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異常復(fù)雜困難。與其讓每個(gè)工程團(tuán)隊(duì)建造每一個(gè)獨(dú)立部分，你可以聘請(qǐng)兩名工程師監(jiān)管8臺(tái)機(jī)器。此外，為石油鉆進(jìn)平臺(tái)等大型項(xiàng)目制造部件最耗時(shí)的步驟之一是削減關(guān)鍵部件，以盡量減少重量。將重量從6000公斤減少到5000公斤意味著你可用采用完全不同類型的起重機(jī)械進(jìn)行安裝，從而大幅降低成本。對(duì)這些關(guān)鍵部件采用3D打印，使其復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量減少到最低——最多可能減少50％的重量，同時(shí)還不需要額外的修整工作。大型高性能零件（如貨運(yùn)輪船上的轉(zhuǎn)子）也可以使用3D打印，道理是一樣的。表面看上去一樣但內(nèi)部實(shí)際上已經(jīng)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)可以帶來極大的優(yōu)越性。
讓我們?cè)俅位氐竭@座大橋上。這個(gè)項(xiàng)目由Autodesk贊助，MX3D負(fù)責(zé)開發(fā)其軟件。并且，十幾個(gè)合作方已經(jīng)投資了數(shù)百萬美元用于開發(fā)這一技術(shù)。雖然大橋外表看上去十分酷炫，但其真正目的在于向我們展示幾十年來一塵未變的大型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可能性?！斑@并非一個(gè)能夠制造一切的神奇方式，”vanderVelden說，“但我們會(huì)找到真正適用3D打印的重要新部件?！?/p>