通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)3D打印材料，有望拓寬回收塑料新用途

導(dǎo)讀：伴隨著當(dāng)下對(duì)更復(fù)雜和多功能3D打印產(chǎn)品需求的不斷增加，人們?cè)谔剿髟霾闹圃煨虏牧线m用性的道路上也越走越寬。

南極熊獲悉，為了開(kāi)發(fā)出更多可兼容的3D打印材料，達(dá)卡工程技術(shù)大學(xué)的研究人員嘗試?yán)�用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)6種不同的3D打印用納米顆粒填充塑料材料進(jìn)行了分析和研究。這六種新的長(zhǎng)絲是針對(duì)FFF 3D打印工藝設(shè)計(jì)的，由回收的塑料和納米顆粒組合而成，其中兩種材料使用了石墨烯涂層。

在研究過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)評(píng)估和對(duì)比了材料的特性，包括微觀結(jié)構(gòu)、表面紋理、機(jī)械行為和熱特性。在機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的幫助下，研究人員能夠?qū)�給定的3D打印產(chǎn)品的打印參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更可靠和更強(qiáng)的機(jī)械和物理性能。

△a.PLA和HDPE，b. PLA、HDPE和TiO2，c. 再生塑料、PLA和HDPE，d. 再生塑料、PLA、HDPE和TiO2的顆�；旌衔�。圖片來(lái)自Polymer Testing。

FFF的工藝參數(shù)

在這項(xiàng)研究中，研究人員專(zhuān)注于FFF工藝，其中熔體和擠壓壓力的動(dòng)態(tài)平衡以及與溫度相關(guān)的聚合物流變學(xué)等因素對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳的3D打印部件至關(guān)重要。FFF打印部件的尺寸精度、表面光潔度和機(jī)械性會(huì)受到使用長(zhǎng)絲的性能和質(zhì)量以及相鄰長(zhǎng)絲之間粘合特性的顯著影響。

因此，科學(xué)家們認(rèn)為，為了優(yōu)化FFF打印的部件，了解各種工藝參數(shù)設(shè)置如何影響部件的機(jī)械性能至關(guān)重要，其中最關(guān)鍵的是拉伸、壓縮、彎曲或沖擊強(qiáng)度以及打印方向。

△a.PLA和HDPE，b. PLA和HDPE，c. PLA、HDPE和TiO2，d. 再生塑料、PLA和HDPE，e. 再生塑料、PLA和HDPE，f. 再生塑料、PLA、HDPE和TiO2混合擠出的長(zhǎng)絲。圖片來(lái)自Polymer Testing。

用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)新的3D打印絲材

這項(xiàng)研究的主要目的是探索與市售產(chǎn)品相比，如何尋求更可靠、更豐富的3D打印部件的強(qiáng)大機(jī)械和物理性能，研究人員希望該研究的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)各種行業(yè)相關(guān)工藝做出貢獻(xiàn)。

研究小組開(kāi)發(fā)了六種含有PLA、HDPE、回收長(zhǎng)絲材料和氧化鈦（TiO2）納米顆粒的新長(zhǎng)絲，使用市面上的FFF 3D打印機(jī)和長(zhǎng)絲擠出機(jī)生產(chǎn)3D打印部件。

其中的兩種長(zhǎng)絲材料中包含了用作疏水涂層的石墨烯，這樣可以最大限度地改變最終部件的原始機(jī)械性能，并且只處理部件的表面。

對(duì)于每種材料，都是使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)噴嘴溫度，而打印床溫度和打印速度也由該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器學(xué)習(xí)程序決定。研究人員表示，F(xiàn)FF打印產(chǎn)品的質(zhì)量直接取決于所使用材料的流動(dòng)性，而這是由準(zhǔn)確的噴嘴溫度所保證的。

△a.3D的模型圖像，b. 45度的打印方向。圖片來(lái)自PolymerTesting。

研究人員通過(guò)python平臺(tái)創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)程序，該程序采用線性回歸算法來(lái)建立相對(duì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。還應(yīng)用了一個(gè)培訓(xùn)/測(cè)試功能來(lái)衡量機(jī)器學(xué)習(xí)模型的適用性，它將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集。這個(gè)函數(shù)能夠幫助團(tuán)隊(duì)對(duì)比理論上的最佳擬合值，更直觀地看到模型的完成程度。

當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集吻合時(shí)，該模型被宣布有效，這意味著預(yù)測(cè)的噴嘴溫度足以打印樣品。正如機(jī)器學(xué)習(xí)程序所建議的那樣，由納米顆粒和再生塑料組成的材料的噴嘴溫度最高，而當(dāng)打印機(jī)的床身溫度處于最高水平時(shí)，打印速度處于最小范圍。

在打印完成后，對(duì)這些材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和熱重分析（TGA）測(cè)試，以及其他一些測(cè)試，以評(píng)估打印樣品的優(yōu)化性能。

△a.SolidWorks模型，b. FFF 3D打印機(jī)，c. 打印的試樣。圖片來(lái)自Polymer Testing。

研究人員的最終目的是將機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為一種手段部署，使FFF打印的零件與傳統(tǒng)的3D打印零件相比，具有更可靠和更強(qiáng)的機(jī)械和物理特性。展望未來(lái)，研究人員認(rèn)為該研究的結(jié)果將為工業(yè)相關(guān)的增材制造工藝的各種改進(jìn)鋪平道路。

△用于3D打印機(jī)的ML工藝優(yōu)化模型驗(yàn)證。圖片來(lái)自Polymer Testing。

該研究的更多信息可以在《聚合物測(cè)試》雜志上發(fā)表的題為："Developmentand analysis of nanoparticle infused plastic products manufactured by machinelearning guided 3D printer"的論文中找到。該研究由M. Hossain、M. Chowdhury、M. Zahid、C. Sakib-Uz-Zaman、M. Rahaman和M. Kowser共同撰寫(xiě)。

3D打印中的機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)能力在3D打印的許多方面得到越來(lái)越多的利用，以改善工藝和材料開(kāi)發(fā)。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德克薩斯A&M大學(xué)之前已經(jīng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)更有效地檢測(cè)3D打印部件的缺陷，紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院也曾利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)玻璃和碳纖維3D打印部件進(jìn)行逆向工程。

在材料開(kāi)發(fā)方面，斯威本科技大學(xué)使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具來(lái)改進(jìn)3D打印建筑材料的性能，劍橋大學(xué)分拆出來(lái)的Intellegens開(kāi)發(fā)了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于設(shè)計(jì)增材制造的新材料。

近來(lái)，來(lái)自利哈伊大學(xué)的研究人員也提出了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)相似性將其完成分類(lèi)。