新型噴嘴增強3D打印水泥的層間結合強度

　　近日，華南師范大學軟件學院副研究員何樂為聯合新加坡南洋理工大學教授李華、周偉徳博士設計提出了多種新型打印噴嘴以增強3D打印水泥的層間結合強度。相關研究發表于Additive Manufacturing。

　　3D打印技術又叫增材制造技術，廣泛應用于航空航天，國防軍工，生物醫療，工業生產等眾多領域。水泥3D打印作為一個分支，亦得到了越來越多的關注。現階段，水泥3D打印面臨的一個主要問題是：通過打印得到的水泥構件在兩層之間的結合強度顯著低于水泥本身的強度，從而導致結構容易開裂，并對日后使用造成重大安全隱患。

　　研究人員通過大量實驗和仿真模擬，發現水泥構件層間結合強度主要受水泥層間槽深度和打印過程中水泥層間應力的影響，并以此為基礎設計提出了多種新型打印噴嘴以增強3D打印水泥的層間結合強度。

　　該研究共研究了24個噴嘴形狀和2個噴頭附加部件在2種不同水泥材料上的表現，主要可分為實驗和仿真兩大部分。在實驗部分中，研究人員自主搭建3D打印實驗平臺，將這些噴嘴逐一替換進行打印，并測量打印產物的層間槽深度和層間結合強度。在仿真部分中，作者借助于流體力學仿真軟件對打印過程中的層間應力進行模擬，并巧妙地提出“計算”和“打補丁”循環進行的方法以在多相流條件下更準確地計算水泥層間應力。

　　通過實驗和仿真相對照，該研究發現受益于較小的層間槽深度和較大的層間剪切應力，圓形噴嘴產生的層間強度（2.24兆帕）約比長方形噴嘴所產生的高22%。同時，具有齒狀壓花刀的噴嘴和具有垂直刮刀的噴嘴分別能將3D打印水泥的層間強度進一步提高到2.85兆帕和3.48兆帕。

　　該研究還發現對于具有較大水灰比的水泥材料，最優噴嘴形狀由圓形轉變為腎形，預示了不同的打印材料對應不同的最優噴嘴設計，因此噴嘴優化應與打印材料的研發同步進行。

　　“我們的發現彌補了在水泥3D打印領域通過噴嘴的設計優化來提高水泥層間強度的空缺，并提出了一套噴嘴設計和優化的流程，為后續的相關研究應用提供了重要理論依據。”何樂為表示。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102452