Nature子刊：利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過照片識別3D打印來源

導(dǎo)讀：隨著增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）技術(shù)在現(xiàn)代供應(yīng)鏈中的廣泛應(yīng)用，其敏捷性和靈活性為制造業(yè)帶來了革命性的變化。然而，這種技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如劣質(zhì)材料的使用、工藝控制不當(dāng)以及假冒零件的風(fēng)險(xiǎn)，這些問題對供應(yīng)鏈安全和產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，迫切需要開發(fā)新的測量技術(shù)，以監(jiān)控AM供應(yīng)商并驗(yàn)證AM零件和材料的質(zhì)量及真實(shí)性。



2025年5月，南極熊獲悉，來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究團(tuán)隊(duì)在npj Advanced Manufacturing上發(fā)表了一篇重要論文，題目為Additive manufacturing source identification from photographs using deep learning（利用深度學(xué)習(xí)從照片中識別增材制造來源），展示了如何利用深度學(xué)習(xí)模型通過零件照片預(yù)測AM零件的來源。這一研究可以監(jiān)控AM供應(yīng)商并驗(yàn)證AM零件和材料的質(zhì)量，也為未來的智能制造質(zhì)量控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

研究內(nèi)容：基于高分辨率圖像的深度學(xué)習(xí)模型
該研究的核心在于開發(fā)一種能夠從零件照片中識別其制造來源的深度學(xué)習(xí)模型。研究人員使用了21臺不同的打印機(jī)，生產(chǎn)了9192個(gè)零件，涵蓋了三種獨(dú)特的設(shè)計(jì)和四種AM工藝：數(shù)字光合成（Digital Light Synthesis, DLS）、多噴嘴熔融（Multi Jet Fusion, MJF）、立體光刻（Stereolithography, SLA）和熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling, FDM）。每個(gè)零件都經(jīng)過高分辨率掃描儀拍攝，生成高質(zhì)量的照片作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。


△ Fingerprint model工作流程概述

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)全新的分析框架，用于處理這些高分辨率圖像數(shù)據(jù)。此框架采用了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過對圖像的學(xué)習(xí)，模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測出每個(gè)零件的具體制造來源。識別模型還可以識別制造過程、材料類型以及零件在打印平臺中的具體位置等信息。


△本研究中制造的零部件概述

為了確保實(shí)驗(yàn)的有效性和可擴(kuò)展性，研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了三個(gè)不同類型的零件：連接器、插頭和晶格結(jié)構(gòu)。這些零件的設(shè)計(jì)靈感來源于工業(yè)應(yīng)用中的真實(shí)機(jī)械組件，具有多樣化的幾何特征。每臺打印機(jī)生產(chǎn)的零件數(shù)量根據(jù)制造能力進(jìn)行了合理分配，并且所有零件的顏色均為黑色，以便在成像過程中保持一致性。

圖像采集與預(yù)處理
零件圖像通過一臺高分辨率平板掃描儀（Epson Perfection V39）獲取，分辨率達(dá)到4800 dpi，像素大小為5.3 μm，每個(gè)零件被掃描兩次。為了提高數(shù)據(jù)收集效率，每次掃描包含21個(gè)零件，并隨機(jī)排列掃描位置以減少偏差。

深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)采用了一種高效的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，包括圖像預(yù)處理、模型訓(xùn)練和測試等多個(gè)步驟：
●圖像預(yù)處理階段將高分辨率圖像縮小到適合模型輸入的尺寸，同時(shí)保留關(guān)鍵特征。
●在訓(xùn)練過程中，模型會從每個(gè)零件圖像中隨機(jī)采樣一個(gè)感興趣區(qū)域（Region of Interest, ROI），并通過多次迭代學(xué)習(xí)圖像與其制造屬性之間的關(guān)系。
●模型在測試集上的表現(xiàn)通過多個(gè)ROI的投票機(jī)制進(jìn)行評估，從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。


△Fingerprint model機(jī)器學(xué)習(xí)框架概述

研究結(jié)果：高達(dá)98%以上的預(yù)測精度
在21臺打印機(jī)中，每臺打印機(jī)使用的訓(xùn)練樣本數(shù)為100個(gè)，測試樣本數(shù)為50個(gè)。經(jīng)過200輪訓(xùn)練后，模型在測試集上的表現(xiàn)極為出色，僅有16個(gè)零件被錯(cuò)誤分類，且錯(cuò)誤主要集中在同一工藝的不同機(jī)器之間。這表明模型不僅能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同工藝，還能在同一種工藝下精確識別不同的機(jī)器。

除了識別制造機(jī)器外，該模型還能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料組成和供應(yīng)商信息。對于DLS工藝生產(chǎn)的零件，模型在材料識別上的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，識別供應(yīng)商的準(zhǔn)確率為98.7%。此外，模型還能檢測零件在打印機(jī)內(nèi)的具體位置，準(zhǔn)確率為82.1%。盡管部分位置的誤判發(fā)生在相鄰位置，但模型在預(yù)測零件位置或相鄰位置上的準(zhǔn)確率達(dá)到了98.1%。

研究還進(jìn)一步探索了模型在識別零件構(gòu)建批次上的能力。通過對147個(gè)獨(dú)特構(gòu)建批次的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，模型在預(yù)測正確構(gòu)建批次上的準(zhǔn)確率為86.8%。這一結(jié)果表明，即使在單一制造工藝下，模型也能識別詳細(xì)的制造屬性，而無需依賴傳統(tǒng)的標(biāo)簽和跟蹤系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)還探討了圖像分辨率和采樣面積對預(yù)測精度的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣本尺寸小于200 μm時(shí)，DLS零件可以被準(zhǔn)確識別；而對于MJF和SLA工藝，樣本尺寸需達(dá)到1 mm以上才能實(shí)現(xiàn)超過90%的準(zhǔn)確率；FDM零件則需要更大的樣本尺寸（約3 mm）。這些發(fā)現(xiàn)為未來使用不同類型的圖像傳感器提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
未來展望
這項(xiàng)研究證明了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在AM領(lǐng)域的巨大潛力，為未來的智能制造質(zhì)量控制和供應(yīng)鏈管理提供了新的解決方案。通過簡單的照片即可追溯零件的制造來源，這一方法有望廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療等對零件質(zhì)量和真實(shí)性要求極高的行業(yè)。在未來的工作中，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化ML方法，并探索半監(jiān)督或無監(jiān)督模型的應(yīng)用。這些模型可以在不需要手動標(biāo)注數(shù)據(jù)的情況下，擴(kuò)展至新的機(jī)器和工藝，從而降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的成本。此外，無監(jiān)督模型還可以用于異常檢測任務(wù)，幫助識別未知來源的假冒零件或檢測供應(yīng)商制造過程中的偏差。

技術(shù)貢獻(xiàn)
本研究為制造科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域做出了三大貢獻(xiàn)：
●發(fā)現(xiàn)AM設(shè)備的獨(dú)特模式 ：AM設(shè)備在其生產(chǎn)的每個(gè)零件表面都會留下獨(dú)特的紋理模式，這些模式可用于識別設(shè)備本身。

●開發(fā)高效深度學(xué)習(xí)模型 ：通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，模型不僅能識別制造過程、材料類型，還能確定零件的具體構(gòu)建批次和位置。

●創(chuàng)新機(jī)器學(xué)習(xí)方法 ：研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套適用于高分辨率圖像分析的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，兼容多種深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，能夠在調(diào)優(yōu)增強(qiáng)后實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的預(yù)測。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44334-025-00031-2