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Machine learning and SHAP for predicting impact strength of FDM-printed short carbon fiber-reinforced nylon

材料科学 超参数 夏比冲击试验 艾氏冲击强度试验 复合材料 均方误差 随机森林 机器学习 相关系数 挤压 均方根 决定系数 预测建模 碳纤维 线性回归 超参数优化 人工智能 塑料挤出 Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno算法 均方预测误差 决策树 近似误差 聚碳酸酯 计算机科学 热塑性塑料 实验设计 熔融沉积模型 沉积(地质) 工作(物理) 贝叶斯优化 算法 回归 性能预测 数学 贝叶斯概率
作者
Qibin Fang,Jing Yu,Yanchuan Liu,Chao Li
出处
期刊:Journal of Reinforced Plastics and Composites [SAGE Publishing]
标识
DOI:10.1177/07316844261421791
摘要

The influence of fused deposition modeling (FDM) process parameters on the Charpy impact strength of short carbon fiber-reinforced nylon (PAHT-CF) was investigated using machine learning (ML). A total of 129 specimens were fabricated by varying five key parameters: extrusion temperature, bed temperature, printing speed, layer thickness, and printing orientation. The impact strength of the samples was tested according to ISO 179. Nine ML regression models were developed and hyperparameter-optimized via grid search, randomized search, and Bayesian optimization. The coefficient of determination R 2 scores and the mean square error (MSE) values from the five-fold cross-validation were used to assess the performance of the hyperparameter settings. The prediction performance of the ML models was evaluated and compared using R 2 , MSE, root mean square error (RMSE), and mean absolute error (MAE). The decision tree model tuned with Bayesian optimization yielded the best predictive accuracy (R 2 = 0.884; lowest MSE, RMSE, and MAE). SHapley Additive exPlanations (SHAP) analysis identified printing orientation as the dominant factor affecting impact strength across all models, while nonlinear ML models effectively captured synergistic interactions among process parameters. This work demonstrates the potential of interpretable ML for predicting and explaining the mechanical properties of high-performance thermoplastic composites fabricated via FDM.
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