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摘要

在淨零碳排的趨勢下,具備輕量化與高強度特性的複合材料成為航太與運具等產業的發展核心。 然而,複材製程參數開發長期受限於高昂的CAE(Computer-aided Engineering)軟體門檻與繁瑣試誤流程。 當導入新材料時,傳統仰賴大量模擬與實驗的方法,常導致開發週期過長且成本高昂。本研究提出「物理導向零樣本整體式學習」(Physics-guided Zero-Shot Ensemble Learning)AI 技術,能利用既有材料知識推論新材料參數,解決跨材料特性預測問題,成功減少超過50% 的模擬與試驗次數。同時透過遷移學習(Transfer Learning),以少量真實數據進行模型補償,使模型預測值與真實強度誤差降至 3% 以下,大幅提升複材製程優化效率與精度。

Abstract

Amid the global trend toward net-zero carbon emissions, composite materials with lightweight and high-strength characteristics have become a key development focus in the aerospace, green energy, and transportation industries. However, the development of composite manufacturing parameters has long been constrained by high CAE software barriers and time-consuming trial-and-error processes. When introducing new materials, traditional approaches relying on extensive simulations and physical experiments often lead to prolonged development cycles and high costs. This study proposes an innovative AI technology, Physics-guided Zero-Shot Ensemble Learning, which leverages existing material knowledge to infer parameters for new materials, effectively addressing the challenge of cross-material property prediction. This approach successfully reduces more than 50% of the simulation and experimental efforts required for new material development. Furthermore, Transfer Learning is employed to bridge the gap between simulation and real-world manufacturing. By using a small amount of physical data for model compensation, the prediction error for material strength is reduced to below 3%. The proposed AI solution demonstrates that intelligent software can effectively replace traditional experience-based methods, enabling efficient and high-precision process optimization in composite manufacturing.

摘要

在全球淨零碳排的趨勢下,複合材料因具備輕量化與高強度特性,成為航太、運具等產業的核心發展材料。然而,複材製程參數開發長期受限於高昂的 CAE(Computer-aided Engineering)軟體門檻與繁瑣試誤流程,導致開發周期過長且成本高昂。

本研究提出「物理導向零樣本整體式學習 (Physics-guided Zero-Shot Ensemble Learning)」AI 技術,利用既有材料知識推論新材料參數,解決跨材料特性預測問題。此技術成功減少超過 50% 的模擬與試驗次數,並透過遷移學習(Transfer Learning)以少量真實數據進行模型補償,使模型預測值與真實強度誤差降至 3% 以下,大幅提升複材製程優化效率與精度。

前言

全球製造業正加速尋求更節能、更輕量的材料解決方案。複合材料因具備優異的比強度與物理性質,需求持續增長,市場預估至 2030 年全球複材市場規模將達到 2,194 億美元,其中運具產業占據約 261 億美元的商機。

技術挑戰

  • 高昂成本:CAE 模擬軟體授權費用高,且模擬時間成本隨邊界條件複雜度呈指數級上升。
  • 試驗冗長:材料特性變更需重新進行大量實驗設計與試驗。
  • 數據稀缺性:工廠環境中可用於訓練的高品質數據極為有限。
  • 物理一致性:數據驅動模型缺乏物理常識,易生成違反物理定律的預測結果。

研究目標

  • 建立一條虛實融合的數位通路,減少對昂貴 CAE 軟體的依賴。
  • 透過 AI 模型推論新材料製程參數,減少初始實驗需求。
  • 協助產業擺脫對單一軟體供應商的依賴,實現高效能製程開發。

DOI: 10.30256/JIM.202605_(518).0006

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