斯威本科技大學(xué)的研究員和法國建筑公司Bouygues Travaux Publics的主管已經(jīng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來更好地理解3D打印建筑材料的抗壓強(qiáng)度。

為了開發(fā)一種對(duì)3D打印的地質(zhì)聚合物樣本進(jìn)行分類的過程，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)了特定變量，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)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(qiáng)度的建筑復(fù)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(jìn)行分類的路線圖。

該團(tuán)隊(duì)解釋說：“目的是引入一種可行的方法來對(duì)通過增材制造技術(shù)制成的地聚合物樣品進(jìn)行分類。這項(xiàng)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(dú)的分類模型。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，這些功能展示了為3D打印的地質(zhì)聚合物創(chuàng)建模型的強(qiáng)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(xiàng)目。圖片來自Bouygues Travaux Publics。

評(píng)估建筑中的添加劑應(yīng)用

近年來，許多結(jié)構(gòu)的建筑過程中都使用了3D打印，這些項(xiàng)目背后的方法學(xué)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(jī)，該技術(shù)都呈指數(shù)級(jí)發(fā)展。使用水泥砂漿，這些企業(yè)中的結(jié)構(gòu)組件分別進(jìn)行3D打印，并以有效的方式在各個(gè)建筑工地進(jìn)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(guān)的成本。眾所周知，水泥制造會(huì)導(dǎo)致更高的溫室氣體排放，從而導(dǎo)致更高的能源消耗，并降低3D打印混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)置，經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保的替代品。與常規(guī)水泥復(fù)合材料相比，該材料還具有增強(qiáng)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?yàn)橐阎杷猁}化合物還會(huì)引起環(huán)境問題，還因?yàn)樗鼈兙哂懈g性。結(jié)果，研究人員做出了許多努力，用其他元素代替已知會(huì)造成這種有害影響的地聚合物基質(zhì)中的硅和鋁原子。

研究團(tuán)隊(duì)著手利用土木和建筑工程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)3D打印材料的圖案和分類，并找出克服這些缺點(diǎn)的方法。由于信息的復(fù)雜性，團(tuán)隊(duì)使用了一種現(xiàn)代計(jì)算方法，包括條件推理樹（ctree）和遞歸分區(qū)（rpart）方法來得出結(jié)論。例如，當(dāng)對(duì)地質(zhì)聚合物粘合劑進(jìn)行3D打印時(shí)，其強(qiáng)度的有效因素?cái)?shù)量會(huì)因所使用的打印參數(shù)而有所增加。給定獨(dú)立變量的范圍，嘗試在不使用機(jī)器學(xué)習(xí)的情況下預(yù)測(cè)印刷的地質(zhì)聚合物樣品的抗壓強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生很高的誤差。因此，研究人員使用學(xué)習(xí)算法來評(píng)估印刷變量，并研究了對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度影響最大的因素。

顯示研究團(tuán)隊(duì)二人分析的變量的繪圖矩陣。圖片來自Material Advances。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)地質(zhì)聚合物進(jìn)行分類

在測(cè)試過程中，使用了定制的小型3D打印機(jī)來生產(chǎn)地質(zhì)聚合物。具有活塞操作的擠出機(jī)，將新鮮的地質(zhì)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(shí)，將外部振動(dòng)暫時(shí)施加到擠出機(jī)上，以確保內(nèi)部的混合物受到足夠的壓實(shí)。然后，對(duì)于每個(gè)樣品，將地質(zhì)聚合物長(zhǎng)絲水平3條打印成兩行，每條的尺寸為250 x 30 x 30 mm。

團(tuán)隊(duì)使用的ctree函數(shù)的DT流程圖來優(yōu)化其地質(zhì)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(qiáng)的穩(wěn)定性和耐用性，可用于建筑領(lǐng)域。例如，墨西拿大學(xué)的研究人員已經(jīng)配制了一種輕質(zhì)的泡沫混凝土，可以更有效地進(jìn)行3D打印建筑結(jié)構(gòu)，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(qiáng)水泥結(jié)構(gòu)的高速擠出3D打印方法的廣泛專利。借助這項(xiàng)技術(shù)，該公司旨在通過可持續(xù)的全尺寸3D打印結(jié)構(gòu)來克服常規(guī)建筑的當(dāng)前限制。 普渡大學(xué)的一個(gè)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(jié)構(gòu)中當(dāng)前存在的弱點(diǎn)（例如微觀結(jié)構(gòu)不均勻），研究人員正在挑戰(zhàn)這種材料的脆性。

團(tuán)隊(duì)使用的ctree函數(shù)的DT流程圖來優(yōu)化其地質(zhì)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(qiáng)的穩(wěn)定性和耐用性，可用于建筑領(lǐng)域。例如，墨西拿大學(xué)的研究人員已經(jīng)配制了一種輕質(zhì)的泡沫混凝土，可以更有效地進(jìn)行3D打印建筑結(jié)構(gòu)，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(qiáng)水泥結(jié)構(gòu)的高速擠出3D打印方法的廣泛專利。借助這項(xiàng)技術(shù)，該公司旨在通過可持續(xù)的全尺寸3D打印結(jié)構(gòu)來克服常規(guī)建筑的當(dāng)前限制。 普渡大學(xué)的一個(gè)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(jié)構(gòu)中當(dāng)前存在的弱點(diǎn)（例如微觀結(jié)構(gòu)不均勻），研究人員正在挑戰(zhàn)這種材料的脆性。