ИИ и 3D-печать меняют производство деталей для подводных лодок

Представьте флот подводных лодок, простаивающий на военной базе из-за неисправных или устаревших компонентов. Каждое судно требует уникальной замены, доступной лишь у единственного специалиста за тысячи километров. После месяцев ожидения детали прибывают — но механики обнаруживают дефект, и всё начинается заново.

Исследователи из Виргинского технологического университета предлагают более эффективный подход. Новая работа под руководством Прахалады Рао, доцента инженерного колледжа, может кардинально изменить процесс создания подводных лодок и самолётов.

Учёный опубликовал исследование в журнале Materials & Design, демонстрирующее, как искусственный интеллект может контролировать процесс дуговой аддитивной печати — по сути, 3D-сварки. Алгоритмы обнаруживают дефекты в режиме реального времени, корректируют их и гарантируют готовность детали сразу после изготовления.

Этот прорыд особенно актуален для ВМС, которым требуется ускоренное и надёжное производство для поддержания флота.

«Мы всегда полагались на традиционное машиностроение, но изготовление даже одной детали занимало месяцы», — отмечает Рао. «Аддитивное производство позволяет создавать компоненты быстрее и с меньшими отходами, открывая новые возможности для конструирования».

Ранее оборонные и аэрокосмические цепочки поставок зависели от небольших мастерских. Эти предприятия обладали expertise для обработки, литья или ковки критически важных компонентов из цельных металлических блоков. Однако их методы были медленными, ресурсоёмкими и полагались на сокращающийся пул специалистов. Дефекты часто обнаруживались лишь после завершения работы, что приводило к потере недель труда и браку.

После холодной войны многие из этих мастерских закрылись, а их навыки ушли вместе с персоналом. Аддитивное производство помогло заполнить этот пробел, предлагая более быстрый способ создания сложных компонентов и сокращая сроки ввода деталей в эксплуатацию.

Не все методы аддитивного производства одинаковы. Некоторые, например, лазерное напыление порошка, медленны и подходят для небольших intricate деталей. Рао работает над более скоростными подходами — дуговой и лазерно-проволочной печатью.

«Дуговая аддитивная печать — это, по сути, 3D-сварка», — поясняет учёный. «Если лазерное напыление производит пинту материала в день, то дуговая печать работает с объёмами в размеры бочки. За сутки можно нанести 40–50 килограммов металла. Задача — обеспечить безупречное качество при таких темпах».

Здесь на помощь приходит искусственный интеллект. Вместо того чтобы обнаруживать трещины или поры после изготовления, алгоритмы учатся распознавать признаки дефектов непосредственно в процессе наплавки металла. Изучая «ванну расплава» и сравнивая «хорошие» и «плохие» отпечатки, ИИ предугадывает проблемы в реальном времени и сигнализирует о необходимости корректировок до их распространения.

«Когда ванна расплава выглядела правильно, деталь получалась как надо. Когда нет — мы знали, что ждать», — говорит Рао. «Мы создали алгоритм машинного обучения, который с точностью около 90% предсказывает возникновение дефектов».

Рао является частью исследовательской команды Virginia Tech Made: Центра передового производства. Центр fostering междисциплинарные коллаборации, расширяет партнёрства с промышленностью и государством, а также готовит студентов и специалистов на основе экспертизы университета в области advanced материалов, производственных технологий, computational дизайна, анализа данных и digital инфраструктуры.

Будучи частью Grado Department of Industrial and Systems Engineering, Рао применяет системный подход, чтобы сделать производство не только быстрее, но и умнее.

«Быстрее, лучше, дешевле», — говорит он. «Я стремлюсь улучшить качество контроля, ускорить процессы за счёт исключения переделок и снизить стоимость благодаря уменьшению брака. Это то, что мы отлично делаем в управлении процессами».

Рао и его команда проводят much работы в своей лаборатории в Kelly Hall, но также используют Learning Factory — практический центр производственного образования Виргинского технологического университета. Недавно туда добавили установки лазерного напыления порошка и гибридной лазерно-проволочной печати — ресурс, который Рао связывает с дальновидностью руководителя department Эйлин Ван Акен.

«Предоставление студентам доступа к тем же машинам, что используются в industry, критически важно», — подчёркивает учёный. «Поэтому установки в Learning Factory так ценны. Аддитивным технологиям можно обучить быстро, и это готовит наших студентов к будущему manufacturing».