欧洲重量级3D打印研发项目：首创人工智能增强型光束整形，培养8名博士！

2025年7月7日

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3D打印技术参考注意到，在慕尼黑工业大学激光增材制造教授团队的协调下，来自8个国家的11家合作伙伴共同投资，发起了一项名为InShaPe的研究与创新项目，希望通过光束整形和过程监控实现绿色增材制造，进一步推动金属3D打印技术的发展。项目开始日期为2022年6月1日，结束日期为2025年5月31日。本期内容，3D打印技术参考将介绍该技术的基本情况。

项目开启背景

在汽车、航空航天和能源等诸多工业领域，对轻质、高强度且具有高韧性的特种金属部件的需求正不断增加。基于粉末床的激光金属增材制造技术是实现这一目标的重要工艺。

然而结果仍没有达到人们所预期的那样，虽然该技术能够制造高性能、复杂部件，但高昂的运营成本阻碍了其更广泛的应用，与传统工艺相比仍然不具备竞争力，55-60%的生产成本源于工艺缺陷和较长的加工时间。除了商业影响外，这些工艺缺陷还会造成环境负担，包括材料浪费、能耗和排放。因此，金属3D打印技术需要有更好的创新成果来解决上述问题。这与欧洲对更环保的生产流程和供应链日益增长的需求相一致。

InShaPe项目使用了EOS金属3D打印平台

作为金属3D打印技术的发源地，激光增材制造的创新发展总体上由该地区引领。InShaPe项目的发起者，希望将LPBF金属3D打印工艺从一项高潜力技术转变为主流制造技术，在零件制造精度、新型超级材料处理和可持续性方面超越压铸等传统方法。同时，InShaPe的创新技术有望在单位零件成本以及快速大规模生产方面与传统制造方法并驾齐驱。

项目概况及具体实现指标

经查询，该项目的重量级发起者包括慕尼黑工业大学、EOS、欧瑞康欧洲公司等，汇集了LPBF、激光加工、材料科学、温度传感和人工智能方面的专业知识，项目总预算超过720万欧元，其中EOS一家就贡献了将近210万欧元。

项目的总体目标是开发一种以技术创新为基础的新型LPBF工艺，它是一种基于人工智能的光束整形模块，结合了用于过程监控的新型多光谱成像技术。其制造能力将在资源效率和制造精度方面超越传统工艺。具体的说，该项目将开发并演示一种利用激光束一次性完成金属粉末床熔融工艺的创新技术，其涉及两项技术创新：

(i)首创AI增强型光束整形模块，可根据打印部件的材料/几何形状灵活调整激光光束形状；

EOS光束整形技术演示

(ii)新型多光谱在线过程监控和控制系统应用。

非轴向多光谱成像（MSI）系统

该项目要达到的关键绩效指标包括：与目前同类最佳的LPBF工艺相比，建造速度提高7倍，成本降低50%以上，能耗降低60%，废品率降低30%。此外，该项目还将展示如何实际部署基于人工智能的解决方案，实现先进的制造战略，同时符合当前的标准和用户期望。

项目开展的工作及取得的成果

InShaPe项目方法包含四个主要研发步骤：规范制定、开发、集成与验证以及演示。

项目中的“规范制定”步骤始于对四个初始用例进行基准化。具体包括：欧瑞康航空航天将极大提升高质量叶轮3D打印的速度；BeamIT专注于提高生产效率并实现工业燃气轮机部件的特定机械性能；AENIUM研究用于火箭发动机的CuCrNb基合金，解决微观结构定制和后处理方面的挑战；AMEXCI致力于将小型发动机缸盖生产从压铸过渡到增材制造，通过开发光束整形功能和优化零件设计来提高成本效益和生产效率。

“开发”阶段涉及光束整形和多光谱成像领域的进步。理解激光与材料相互作用对于该技术的经济高效生产和广泛的工业应用至关重要。第一步定义了在 InShaPe中应创建的不同光束形状；下一步是在增材制造工艺中对这些建议的光束形状进行物理开发。

首批实验包括使用不同光束形状和工艺设置进行高速成像，观察其对工艺的定性影响。研究团队创建了单熔道和剖面线图案，分析不同光束形状和工艺参数对最终工艺特征和熔池的影响。通过这些实验，缩小了稳定加工的工艺窗口。在第二组实验中，创建了实体零件，分析了最终的密度、机械性能、微观结构和表面粗糙度。使用不同的扫描策略和光束形状来定制微观结构是一项主要成就。此外，通过使用环形光束轮廓填充和高斯光束轮廓，打印速度已提高了4倍。该复杂演示部件的单位总成本降低了46%，能耗降低了45%。

除了光束整形方面的技术创新外，还开发了多光谱成像监测系统（MSI）。第一步，评估了MSI传感器的配置。第二步，设计和制造了多光谱相机。利用这种新型硬件，MSI小组开始了第一次实验。同时，在硬件制造过程中开发了将数字值转换为物理值的算法。将新型硬件与InShaPe开发的MSI软件相结合，首次评估了不同光束形状的温度分布。