一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法技术

本申请提供了一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法，该智能化设计方法包括根据要求达到的性能指标和配合比约束范围确定3D打印水泥基材料中组成原料的配合比，其中组成原料包括胶凝材料、砂、水和外加剂，配合比约束范围为组成原料中各原材料用量的预设取值范围；确定打印参数，目标打印参数为打印参数和流变参数约束范围下满可打印性的打印参数，其中打印参数和流变参数约束范围为各打印参数的取值范围；以配合比和目标打印参数为基准，对材料进行打印并测试性能。本申请提供的智能化设计方法能够节省设计时间和成本。智能化设计方法能够节省设计时间和成本。智能化设计方法能够节省设计时间和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法


[0001]本申请涉及3D打印水泥基材料、机器学习
，尤其涉及一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术是一种颠覆性的制造技术，它能够实现在设计阶段将构件三维数字模型转换为实体构件，通过逐层堆叠材料来构建复杂的几何形状，因此被称为增材制造技术。这种技术不仅可以极大地提高制造效率和降低制造成本，同时也可以提高构件的可靠性、强度和质量。在3D打印技术的发展中，建筑行业也逐渐开始探索其应用，3D打印建筑成为一个备受关注的领域。
[0003]在建筑领域中，传统的建筑工艺需要制作模板和脚手架等大量辅助工具，这不仅费时费力，而且还会增加成本和浪费资源。而3D打印技术可以通过数字设计直接将构件转化为实体，避免了传统建筑所需要的制造辅助工具，从而极大地降低了建筑成本和人工费用。此外，3D打印技术还能够实现自由曲面的构建，以及对细节和结构进行精细控制，使得建筑设计更加个性化和灵活。同时，3D打印技术的高效率、高精度和可重复性也使得建筑施工变得更加安全、快速和高效。
[0004]在国内外，已经有不少成功的3D打印建筑案例。例如，美国建筑公司利用3D打印技术制造了一座6米高的建筑，而荷兰建筑公司则利用3D打印技术完成了一个多功能建筑的设计和建造。尽管在建筑领域中3D打印技术已经取得了一些成功的应用，但在打印混凝土材料方面的研究还相对较少，技术还有待提高和改进。
[0005]同时，随着人工智能技术的迅速发展，其在3D打印领域中的应用也越来越广泛。人工智能可以利用大量的数据进行训练和学习，从而获得更为精准和高效的结果，因此可以提高3D打印混凝土设计的效率和准确度。目前，在3D打印混凝土领域，人工智能已经被广泛应用于材料性能预测、打印路径优化、结构设计等方面，为3D打印混凝土的发展提供了有力的支持。
[0006]针对目前3D打印混凝土存在的问题，本专利技术专利提出了一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法。该方法首先通过采集大量的实验数据，并结合先进的机器学习算法进行建模，得到一个具有预测能力的模型。然后，通过该模型进行水泥基材料的设计，优化材料的力学性能和打印工艺参数，以满足不同应用需求。
[0007]具体而言，该方法包括以下步骤：首先，采集大量的混凝土实验数据，包括材料成分、混合比例、力学性能等。其次，利用机器学习算法对数据进行建模和训练，建立一个能够预测混凝土性能的模型。然后，通过该模型进行水泥基材料的设计，优化材料的成分和配比，以达到预期的力学性能。最后，利用3D打印技术将设计好的水泥基材料打印成型，得到最终的产品。
[0008]相比于传统的试错方法，该方法具有较高的效率和准确度，能够大大缩短产品研发周期，降低成本，提高产品质量。同时，该方法还具有一定的普适性和可操作性，可以为3D
打印混凝土的应用和发展提供有力的支持和保障。

技术实现思路

[0009]本申请提供了一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法，旨在降低3D打印水泥基材料中水泥的用量，从而降低3D打印水泥基材料的制备成本，促进建筑行业的可持续发展和智能化进程。该方法包括智能化配合比设计和目标打印参数设计，并以优化算法为基础，实现了智能化设计。本申请的智能化设计方法可有效降低设计成本和时间，提高3D打印水泥基材料的制备效率和品质。
[0010]传统的水泥基材料设计方法通常基于经验和试错，该方法效率低下，成本高昂，且难以实现优化。本申请提供的基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法，能够有效解决这些问题。首先，该方法根据用户要求的性能指标和配合比约束范围，确定3D打印水泥基材料中组成原料的配合比。这些组成原料包括胶凝材料、砂、水和外加剂等。配合比约束范围为各原材料用量的预设取值范围，可以确保3D打印水泥基材料在满足性能指标的同时，达到成本最小化。其次，该方法确定目标打印参数，包括打印参数和流变参数约束范围下的最优打印参数，确保3D打印水泥基材料在3D打印机上能够顺畅打印，且材料质量稳定可靠。最后，该方法以配合比和目标打印参数为基准，对材料进行打印并测试性能。通过智能化设计，本申请能够实现3D打印水泥基材料的制备过程智能化、优化化、高效化，进一步促进了建筑行业的可持续发展和智能化进程。
[0011]在某些实现方式中，本申请提供的方法首先建立了3D打印水泥基材料可打印性模型，该模型的输入参数包括3D打印水泥基材料流变参数和3D打印机打印参数。流变参数包括静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度等；打印参数包括打印速度、打印高度、打印机转速和打印端口直径等。输出参数为可打输出参数为可打印性，包括层高误差和层宽误差。通过优化算法，根据用户指定可打印性指标，智能化设计3D打印水泥基材料流变参数与3D打印机打印参数。在优化过程中，差分进化算法可以被用来最小化可打印性误差，以获得最佳的打印参数。具体而言，差分进化算法通过对种群中的个体进行“交叉”、“变异”等操作来搜索参数空间中的最优解。在优化完成后，系统将输出最优打印参数，包括打印速度、打印高度、打印机转速和打印端口直径。
[0012]其次，基于最优的打印参数，建立3D打印水泥基材料流变模型。在此流变模型中，输入参数为3D打印水泥基材料配合比参数，包括水泥、粉煤灰、石灰石粉、水、砂、增稠剂以及减水剂。输出参数为3D打印水泥基材料流变参数，包括静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度。在此流变模型中，我们使用了混凝土学界常用的Bingham塑性流变模型。该模型假设材料的初始变形需要达到一定的屈服应力，之后材料才能开始流动。在建立流变模型后，我们可以预测不同配合比下的流变参数，从而指导实际的打印生产。
[0013]进一步，评价所建立的机器学习模型的评价方式为计算测试集的测试目标值与预测目标值的平均相对误差、平均绝对误差、均方根误差、均方误差和相关系数。
[0014]所述平均相对误差MRE的计算方式为：
[0015][0016]所述平均绝对误差MAE的计算方式为：
[0017][0018]所述均方根误差RMSE的计算方式为：
[0019][0020]所述相关系数R2的计算方式为：
[0021][0022]所述均方误差MSE的计算方式为：
[0023][0024]其中，y
i
为测试集的测试目标值，y
′
i
为测试集的预测目标值，n为样本数，为真实值的平均值，i＝1,2,
…
,n。
[0025]本专利技术的有益效果在于：本专利技术建立了所述纳米增强水泥基材料数据库，基于预测算法和优化算法建立了纳米增强水泥基材料性能优化模型；本专利技术提供了一种纳米增强水泥基材料智能化设计方法，能够实时、高效地给用户推荐满足性能要求的纳米增强水泥基材料生产配合比，节约了经济、时间和环境成本。
[0026]在本申请提供的智能化设计方法中，我们通过建立可打印性模型和流变模型来实现参数的智能化设计。该方法在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人工智能的3D打印水泥基材料设计方法，其特征在于，包括：确定目标打印参数和流变参数，所述目标打印参数为打印参数约束范围下满足可打印性要求的打印参数，所述目标流变参数为流变参数约束范围下满足可打印性要求的流变参数，其中，所述约束范围为各打印参数和流变参数的取值范围；根据要求达到的流变性能指标和配合比约束范围确定3D打印水泥基材料中组成原料的配合比，其中，所述组成原料包括胶凝材料、砂、水和外加剂，所述配合比约束范围为3D打印水泥基材料中各原材料用量的取值范围；以配合比和目标打印参数为基准，对材料进行打印并测试3D打印水泥基材料性能。2.根据权利要求1所述的智能化设计方法，其特征在于，所述确定目标打印参数，包括：基于可打印性目标函数和所述打印参数和流变参数约束范围，通过优化算法进行打印参数全局寻优，以获得P个打印及流变参数和P个可打印性指标，所述P个打印及流变参数和所述P个可打印性指标一一对应，将所述P个可打印性指标中最优的可打印性所对应的打印及流变参数确定为目标打印及流变参数，其中，所述可打印性目标函数为打印及流变参数与可打印性指标的映射函数，P为大于或者等于1的整数；所属可打印性指标包括层高误差和层宽误差。3.根据权利要求1所述的3D打印水泥基材料设计方法，其特征在于，所述根据要求达到的流变性能指标和配合比约束范围确定3D打印水泥基材料中组成原料的配合比，包括：基于流变目标函数和所述配合比约束范围，通过优化算法进行配合比全局寻优，以获取N个配合比和N个流变性能参数，所述N个配合比和所述N个流变性能参数一一对应，将所述N个流变性能参数中最接近所述流变性能指标的流变性能参数所对应的配合比...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙武剑，罗启灵，吴福成，罗创涟，冯甘霖，程博远，梅柳，吴环宇，
申请(专利权)人：广州广检建设工程检测中心有限公司，
类型：发明
国别省市：