当机器学习遇上3D打印 工业制造革命指日可待

两年时间在阿姆斯特丹3D打印一座钢铁大桥，实践向世人展示了这项技术的行与不行。

五年前，3D曾经一度风靡世界，无数人甚至认为，未来将充斥着3D打印。比如我们会驾驶着3D打印的汽车，住在3D打印的房子里。然而，五年后，我们想象中的未来并没有时间。但是即便炒作不再，仍有公司正在坚持开发这项技术。

两年前，MX3D宣布了一项计划，将使用3D打印技术建造一整座由Joris Laarman设计的钢铁大桥。这个项目进展顺利，预计在未来几年内即可竣工。对此，公司和其主要投资方Autodesk与我们独家分享了他们的进度。技术的发展以及项目的进行十分令人惊叹，无数难题在这一过程中被克服，未来十分值得期待。

工业应用的完美案例

这座桥梁无疑是从造船到海上石油钻机等一系列钢铁打印应用的概念证明。实现这一目标不仅需要更好的软件，还需要能够自己学习3D打印的机器人。“我们即将取得可打印物体体积的重大突破，将为3D打印的应用带来飞跃发展”，MX3D公司的管理人Gijs van der Velden说道。MX3D是一家致力于商业化大规模钢铁打印的创业公司，剥离自Joris Laarman Lab。

当Laarman第一次设计这座桥梁时，该桥本由像冰晶一样的格子状柱子支撑。桥梁坐落于靠近阿姆斯特丹历史悠久的红灯区附近的运河上。但是由于一个简单的原因，桥梁发生了根本性变化：该市的发现桥梁的设计会给运河的河床带来巨大压力，因此必须重新进行工程设计。现在正在被打印制造的桥梁更像是典型的行人结构，但桥面和形状依然保持了原来奇异的弯曲和扭曲——并且这种设计只能以3D打印完成。更重要的是，它向所有潜在的合作伙伴展示了3D打印技术的可能性。

不过，打印过程中遇到的一个挑战是打印大块形状。你可能会认为这是一个硬件问题——使用性能更好的机器就可以解决——但实际上这更多的是一个软件问题。一直以来，现成的工业机器人是主角，客户可以方便地预订这些机器人，3周左右之后就可以收到货，然后使用MX3D的软件打印任何他们想要的东西。但是让这些机器人焊接具有高性能部件所需的所有物理属性的东西，就变得十分复杂。

铁的物理性质在熔化后发生改变。不断地重复加热会使得铁变脆，意味着你不能简单地像打印塑料那样一层又一层地3D打印钢铁结构。随着一层一层地钢铁不断堆叠，他们会重复加热下面的钢铁曾。如果这些钢铁层最近刚打印完，他们会变得更加脆弱。克服这一困难意味着需要采用完全不同的打印侧列。钢铁须建造在已经冷却的区域，由于区域的不同，打印出来的仿佛是随机图案。用来3D打印钢铁的机器人看起来不怎么像蜘蛛织网——倒更像是磕了药的蜘蛛在织网。因为打印机不再需要等待某一特定位置的钢铁冷却，打印机本身的工作效率可以提高两倍。

但接下来的事情更加复杂。复杂的三维几何是根据定义定制的，所以很难预先知道机器在创建强焊接时会在哪个位置遇到麻烦。但是机器学习可以解决这个问题。MX3D使用的工业机器人已经具备传感器，可以检测用于加热钢铁的电流值、钢铁的温度以及焊接的准确位置。MX3D正在开展下一个阶段工作：将该数据与机器学习算法相结合，帮助机器人学习那些焊接可能产生问题——并选择要么实时解决这些问题，要么采用全新的移动模式以完全避免这些问题，重新合理构建每一层结构。“当你制作打印文件的时候，你可以解决掉明显的问题，”van der Velden解释说，“但在实际打印的时候，机器会识别出问题并即时创建解决方案。”

van der Velden同时也承认，3D打印钢铁将不适用于95％的工业建筑项目。在这些项目中，钢铁的结构十分简单，无需使用3D打印技术。但是，剩下的5％项目意味着巨大的市场。比如，海上石油钻机的钢支撑结构设计异常复杂困难。与其让每个工程团队建造每一个独立部分，你可以聘请两名工程师监管8台机器。此外，为石油钻进平台等大型项目制造部件最耗时的步骤之一是削减关键部件，以尽量减少重量。将重量从6000公斤减少到5000公斤意味着你可用采用完全不同类型的起重机械进行安装，从而大幅降低成本。对这些关键部件采用3D打印，使其复杂内部结构的重量减少到最低——最多可能减少50％的重量，同时还不需要额外的修整工作。大型高性能零件（如货运轮船上的转子）也可以使用3D打印，道理是一样的。表面看上去一样但内部实际上已经最优化的设计可以带来极大的优越性。

让我们再次回到这座大桥上。这个项目由Autodesk赞助，MX3D负责开发其软件。并且，十几个合作方已经投资了数百万美元用于开发这一技术。虽然大桥外表看上去十分酷炫，但其真正目的在于向我们展示几十年来一尘未变的大型内部结构的创新可能性。“这并非一个能够制造一切的神奇方式，”van der Velden说，“但我们会找到真正适用3D打印的重要新部件。”