LPBF金屬3D打印材料工藝AI大模型來了

2026年2月18日，南極熊獲悉，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)的研究人員開發(fā)了一種由多智能體和大型語言模型 (LLM)協(xié)調(diào)的工作流程，旨在實(shí)現(xiàn)激光粉末床熔融 (LPBF) 工藝的合金早期自動(dòng)化評(píng)估。

△ 智能體工作流架構(gòu)。圖片來自 Pak 等人

這項(xiàng)研究以題為“Agentic additive manufacturingalloy evaluation”發(fā)表在《增材制造快報(bào)》(Additive ManufacturingLetters ) 上，它將Thermo-Calc性能計(jì)算與分析熔池模型相結(jié)合，生成未熔合 (LoF) 工藝圖，用于篩選已知和擬議的合金成分。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2026.100355

實(shí)現(xiàn)合金篩選多工具工作流程的自動(dòng)化

選擇用于增材制造的合金通常需要協(xié)調(diào)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真工具和缺陷建模。在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究中，激光模型（LLM）充當(dāng)“代理”，向外部軟件發(fā)送工具調(diào)用并解釋結(jié)果，從而評(píng)估合金候選材料和激光粉末床熔融（LPBF）參數(shù)范圍。

這套工作流程整合了三個(gè)通過模型上下文協(xié)議 (MCP) 公開的工具服務(wù)器：用于基于 CALPHAD 的屬性預(yù)測(cè)的 Thermo-Calc 層、用于生成工藝圖的增材制造軟件包以及用于狀態(tài)管理的工作區(qū)工具。LLM 通過將自然語言提示轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化輸入并匯總輸出來協(xié)調(diào)這些工具。

從熱物理性質(zhì)到燒結(jié)圖

對(duì)于每種合金，系統(tǒng)都會(huì)生成一個(gè)包含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成分文件。已知合金的成分信息從查找表中檢索，而假設(shè)的成分信息則根據(jù)用戶提示進(jìn)行解析。

Thermo-Calc 用于計(jì)算密度、熱導(dǎo)率、比熱容和相變溫度。數(shù)據(jù)庫(kù)選擇程序會(huì)將成分映射到相應(yīng)的 Thermo-Calc 數(shù)據(jù)庫(kù)，并為多主元合金提供備選方案。

激光吸收率的估算采用基于德魯?shù)履Ｐ偷慕品椒ǎ?070 nm波長(zhǎng)處的電阻率推導(dǎo)得出。作者指出，這僅作為基準(zhǔn)，對(duì)于具有強(qiáng)功率依賴性吸收效應(yīng)的材料，精度可能較低。

增材制造模塊隨后利用羅森塔爾的解析熱源模型估算熔池尺寸，并應(yīng)用基于填充間距、層高和熔池幾何形狀的未熔合重疊判據(jù)。由此生成的工藝圖將光束功率和掃描速度組合分類為處于或超出未熔合重疊區(qū)域。

目前的實(shí)現(xiàn)方式假設(shè)熔池行為是傳導(dǎo)模式，并沒有直接模擬匙孔或球狀化現(xiàn)象，而這通常需要計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 方法。

△針對(duì)LPBF合金生成的預(yù)測(cè)未熔合過程圖。圖片來自Pak等人

測(cè)試已知合金、性能驅(qū)動(dòng)型合金和新型合金

這套系統(tǒng)在三種情況下進(jìn)行了評(píng)估：已知合金、性能驅(qū)動(dòng)搜索以及新型或改進(jìn)的成分。對(duì)于已知合金，包括316L不銹鋼和Inconel 718，預(yù)測(cè)工作流程在大多數(shù)情況下都能成功生成LoF圖。在基于屬性的搜索中，LLM模型提出了候選合金，并比較了它們預(yù)測(cè)的LoF區(qū)域。

我們還測(cè)試了新型和改良的合金成分。雖然許多實(shí)驗(yàn)都生成了可用的工藝流程圖，但10個(gè)新型合金實(shí)驗(yàn)中有2個(gè)由于熱力學(xué)限制或數(shù)據(jù)庫(kù)缺失而失敗，這凸顯了CALPHAD覆蓋范圍的實(shí)際局限性。

在已知合金和基于屬性的搜索中也出現(xiàn)了失敗案例。“工具鋼”提示由于牌號(hào)變體之間的歧義而停滯不前，對(duì) Mar-M 247 的評(píng)估嘗試也未能成功完成。在另一個(gè)案例中，LLM 錯(cuò)誤地推薦了增強(qiáng)型馬氏體時(shí)效鋼，盡管它在候選材料中具有最大的 LoF 區(qū)域，這表明對(duì)工具返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的誤解會(huì)如何影響智能體的推理。

△LLM推薦使用增強(qiáng)型馬氏體時(shí)效鋼而非高強(qiáng)度不銹鋼，理由是增強(qiáng)型馬氏體時(shí)效鋼的熔合區(qū)較小，這是錯(cuò)誤的。圖片來自 Pak等人

作者將預(yù)測(cè)的LoF窗口與已發(fā)表的Inconel718和316L不銹鋼的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。對(duì)于IN718，預(yù)測(cè)的LoF區(qū)域與文獻(xiàn)觀察結(jié)果重疊，但部分預(yù)測(cè)值偏低，這歸因于基于Rosenthal模型的簡(jiǎn)化模型。對(duì)于SS316L，預(yù)測(cè)趨勢(shì)與已報(bào)道的現(xiàn)象一致，LoF出現(xiàn)在較低功率和較高掃描速度的組合下。

建模的局限性以及向集成數(shù)字工作流程的更廣泛轉(zhuǎn)變

本文討論了匙孔效應(yīng)和球化現(xiàn)象，但并未直接對(duì)其進(jìn)行建模，因?yàn)椴蹲竭@些現(xiàn)象通常需要計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，而這會(huì)顯著增加計(jì)算成本。作者計(jì)劃擴(kuò)展框架，包含更多的缺陷類型、光束尺寸效應(yīng)、改進(jìn)的吸收率建模以及對(duì)所提出的成分和參數(shù)范圍的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

這條技術(shù)路線圖反映了金屬增材制造領(lǐng)域一個(gè)更廣泛的制約因素：高精度熱模擬的計(jì)算成本仍然很高，合金優(yōu)化工作流程通常需要使用不同的熱力學(xué)、建模和參數(shù)選擇工具。近年來，激光粉末床熔融（LPBF）建模技術(shù)的進(jìn)步主要集中在提高熱模擬效率，而無需依賴全尺寸計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，這反映了高保真熔池分析計(jì)算成本高昂且迭代速度慢這一長(zhǎng)期存在的制約因素。與此同時(shí)，工業(yè)界致力于構(gòu)建全棧式金屬優(yōu)化平臺(tái)，力求將熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝建模和性能目標(biāo)整合到統(tǒng)一的數(shù)字化流程中。

在此背景下，CMU 智能體工作流程通過引入一個(gè)協(xié)調(diào)層來擴(kuò)展這一軌跡，協(xié)調(diào)層通過自然語言提示來協(xié)調(diào)屬性計(jì)算和流程圖生成，同時(shí)保留基于物理的求解器作為底層決策引擎，而不是替換它們。

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