增材制造（俗稱3D打印）目前已被廣泛用于汽車、醫(yī)療、航天等不同領(lǐng)域，尤其是激光粉末熔融技術(shù)（laser powder bed fusion, LPBF）被成功地應(yīng)用于多種金屬合金的增材制造。此技術(shù)實現(xiàn)過程中一個普遍的問題是如何針對特定材料選擇加工參數(shù)，即加工參數(shù)優(yōu)化工作。特別是針對新材料開發(fā)時，往往會耗費大量的時間和資金才可以得到較為合適的加工參數(shù)。如果加工參數(shù)選擇不當，制造出的產(chǎn)品往往得不到高質(zhì)量密度或存在裂紋、孔隙等問題，進而機械性能也不盡人意。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究人員通過對AlSi10Mg合金的研究，提出了一種基于機器學(xué)習(xí)的參數(shù)優(yōu)化方案，并通過圖像識別技術(shù)更全面細致地刻畫了材料顯微結(jié)構(gòu)特征。此研究最終闡述并建立了“打印過程參數(shù)-材料顯微結(jié)構(gòu)-材料機械性能”三者之間的量化關(guān)系，對于材料的工業(yè)應(yīng)用具有指導(dǎo)性作用。相關(guān)論文以題為“Machine-learning assisted laser powder bed fusion process optimization for AlSi10Mg: New microstructure description indices and fracture mechanisms”發(fā)表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.010

本研究選擇AlSi10Mg為目標材料，通過LPBF技術(shù)以不同的打印參數(shù)加工出一定量的塊體材料，進行密度測量后作為輸入訓(xùn)練集，通過高斯過程回歸（Gaussian process regression, GPR）進行參數(shù)優(yōu)化，從而得到一個范圍較大的優(yōu)化參數(shù)窗口，而不僅僅是一組優(yōu)化參數(shù)，來為科研人員或材料使用者提供更多的加工參數(shù)選擇。在得到優(yōu)化參數(shù)窗口后（可以得到密度大于99%樣品的打印參數(shù)區(qū)域），五組新的打印參數(shù)被挑選出來作為驗證集測試預(yù)測準確性。實驗結(jié)果表明，高斯過程回歸可以在較少訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下保持較高的預(yù)測準確性。更廣的參數(shù)選擇范圍為材料發(fā)展提供了更多的可能性與更靈活的應(yīng)用性。

圖1 （a）不同打印參數(shù)下的加工塊體的物理密度；（b）高斯過程回歸預(yù)測響應(yīng)曲面；（c）預(yù)測值的預(yù)測誤差

圖2 （a）高斯過程回歸預(yù)測打印密度2D平面等高線圖，橘色區(qū)域為優(yōu)化參數(shù)窗口區(qū)（密度>99%）；（b）五個新打印參數(shù)，作為驗證集樣品驗證預(yù)測準確性

從密度優(yōu)化參數(shù)窗口新選擇出來的五組打印參數(shù)，被用來制備更多的樣品用于顯微結(jié)構(gòu)刻畫與機械性能測試。本研究通過利用圖像識別技術(shù)（Image processing， IP）與主成分分析技術(shù)（Principal components analysis， PCA），基于10個圖像特征全新構(gòu)建了兩個顯微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Id與Is，以此更全面地刻畫、表征出Al-Si胞狀結(jié)構(gòu)顯微特征。此外，本研究還進行了硬度測試、拉伸測試以及斷裂韌性測試，從多方面反應(yīng)材料的機械表現(xiàn)性能。通過機器學(xué)習(xí)預(yù)測所得出的較大參數(shù)優(yōu)化窗口，我們發(fā)現(xiàn)了更多新的優(yōu)化打印參數(shù)，打印試樣最終得到了此前未達到的機械性能。

圖3 AlSi10Mg電子顯微結(jié)構(gòu)及晶粒結(jié)構(gòu)

圖4 兩個新型顯微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分別刻畫胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸維度與形狀維度

圖5 AlSi10Mg的硬度、拉伸曲線及斷裂韌性曲線

圖6 拉伸及斷裂的斷口分析圖

圖7 本研究中五個驗證集打印參數(shù)表現(xiàn)出令人滿意的機械性能，在具有較高強度的同時保持了較高的延展性