斯威本科技大學的研究員和法國建筑公司Bouygues Travaux Publics的主管已經(jīng)使用機器學習技術來更好地理解3D打印建筑材料的抗壓強度。

為了開發(fā)一種對3D打印的地質聚合物樣本進行分類的過程，研究團隊針對了特定變量，并使用機器學習方法優(yōu)化了3D打印的材料的組成。該研究不僅可以產(chǎn)生具有更高抗壓強度的建筑復合材料，還可以為建筑行業(yè)中使用的其他3D打印化合物的穩(wěn)定性進行分類的路線圖。

該團隊解釋說：“目的是引入一種可行的方法來對通過增材制造技術制成的地聚合物樣品進行分類。這項研究采用了流行的遞歸分區(qū)功能，包括rpart和ctree，以建立單獨的分類模型。根據(jù)調查結果，這些功能展示了為3D打印的地質聚合物創(chuàng)建模型的強大能力?！?/p>

法國Bouygues Travaux Publics公司的建筑工地之一。該公司的主管是研究項目。圖片來自Bouygues Travaux Publics。

評估建筑中的添加劑應用

近年來，許多結構的建筑過程中都使用了3D打印，這些項目背后的方法學發(fā)展迅速。從1998年的Construction Digital Fabrication（CDF）系統(tǒng)發(fā)明到2007年意大利工程師Enrico Dini的粉末狀“ D-Shape” 3D打印機，該技術都呈指數(shù)級發(fā)展。使用水泥砂漿，這些企業(yè)中的結構組件分別進行3D打印，并以有效的方式在各個建筑工地進行匯總。

但是，這些企業(yè)還使用了大量的水泥，這些水泥產(chǎn)生了很高的自發(fā)收縮，水化熱以及與建筑材料相關的成本。眾所周知，水泥制造會導致更高的溫室氣體排放，從而導致更高的能源消耗，并降低3D打印混凝土結構的整體可持續(xù)性性能。

另一方面，聚合物提供了一種快速設置，經(jīng)濟高效且環(huán)保的替代品。與常規(guī)水泥復合材料相比，該材料還具有增強的耐火性和耐久性。盡管有這些好處，但使用硅酸鹽化合物可能是不利的，這不僅是因為已知硅酸鹽化合物還會引起環(huán)境問題，還因為它們具有腐蝕性。結果，研究人員做出了許多努力，用其他元素代替已知會造成這種有害影響的地聚合物基質中的硅和鋁原子。

研究團隊著手利用土木和建筑工程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，學習3D打印材料的圖案和分類，并找出克服這些缺點的方法。由于信息的復雜性，團隊使用了一種現(xiàn)代計算方法，包括條件推理樹（ctree）和遞歸分區(qū)（rpart）方法來得出結論。例如，當對地質聚合物粘合劑進行3D打印時，其強度的有效因素數(shù)量會因所使用的打印參數(shù)而有所增加。給定獨立變量的范圍，嘗試在不使用機器學習的情況下預測印刷的地質聚合物樣品的抗壓強度會產(chǎn)生很高的誤差。因此，研究人員使用學習算法來評估印刷變量，并研究了對材料的抗壓強度影響最大的因素。

顯示研究團隊二人分析的變量的繪圖矩陣。圖片來自Material Advances。

使用機器學習方法對地質聚合物進行分類

在測試過程中，使用了定制的小型3D打印機來生產(chǎn)地質聚合物。具有活塞操作的擠出機，將新鮮的地質聚合物從尺寸為30 mm x 15 mm的矩形噴嘴中擠出。在裝入新鮮混合物時，將外部振動暫時施加到擠出機上，以確保內部的混合物受到足夠的壓實。然后，對于每個樣品，將地質聚合物長絲水平3條打印成兩行，每條的尺寸為250 x 30 x 30 mm。

團隊使用的ctree函數(shù)的DT流程圖來優(yōu)化其地質聚合物水泥的組成。圖片來自Material Advances。建筑業(yè)的增材制造 近年來，研究人員已使用3D打印開發(fā)了一系列水泥混合物，顯示出增強的穩(wěn)定性和耐用性，可用于建筑領域。例如，墨西拿大學的研究人員已經(jīng)配制了一種輕質的泡沫混凝土，可以更有效地進行3D打印建筑結構，而無需任何模板。新型材料（3DPC）由于具有很高的粘度，因此能夠保持其形狀處于“熔融”或“新鮮”狀態(tài)。 位于亞利桑那州的3D建筑印刷公司Armatron已獲得生產(chǎn)增強水泥結構的高速擠出3D打印方法的廣泛專利。借助這項技術，該公司旨在通過可持續(xù)的全尺寸3D打印結構來克服常規(guī)建筑的當前限制。 普渡大學的一個研究小組開發(fā)了一種彈性，抗扭曲和抗裂的水泥替代品。通過研究3D打印水泥結構中當前存在的弱點（例如微觀結構不均勻），研究人員正在挑戰(zhàn)這種材料的脆性。

團隊使用的ctree函數(shù)的DT流程圖來優(yōu)化其地質聚合物水泥的組成。圖片來自Material Advances。建筑業(yè)的增材制造 近年來，研究人員已使用3D打印開發(fā)了一系列水泥混合物，顯示出增強的穩(wěn)定性和耐用性，可用于建筑領域。例如，墨西拿大學的研究人員已經(jīng)配制了一種輕質的泡沫混凝土，可以更有效地進行3D打印建筑結構，而無需任何模板。新型材料（3DPC）由于具有很高的粘度，因此能夠保持其形狀處于“熔融”或“新鮮”狀態(tài)。 位于亞利桑那州的3D建筑印刷公司Armatron已獲得生產(chǎn)增強水泥結構的高速擠出3D打印方法的廣泛專利。借助這項技術，該公司旨在通過可持續(xù)的全尺寸3D打印結構來克服常規(guī)建筑的當前限制。 普渡大學的一個研究小組開發(fā)了一種彈性，抗扭曲和抗裂的水泥替代品。通過研究3D打印水泥結構中當前存在的弱點（例如微觀結構不均勻），研究人員正在挑戰(zhàn)這種材料的脆性。