近日，華南師范大學軟件學院副研究員何樂為聯(lián)合新加坡南洋理工大學教授李華、周偉徳博士設(shè)計提出了多種新型打印噴嘴以增強3D打印水泥的層間結(jié)合強度。相關(guān)研究發(fā)表于Additive Manufacturing。
3D打印技術(shù)又叫增材制造技術(shù)，廣泛應用于航空航天，國防軍工，生物醫(yī)療，工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域。水泥3D打印作為一個分支，亦得到了越來越多的關(guān)注。現(xiàn)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(gòu)件在兩層之間的結(jié)合強度顯著低于水泥本身的強度，從而導致結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)水泥構(gòu)件層間結(jié)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(chǔ)設(shè)計提出了多種新型打印噴嘴以增強3D打印水泥的層間結(jié)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(xiàn)，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(chǎn)物的層間槽深度和層間結(jié)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(huán)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的層間強度（2.24兆帕）約比長方形噴嘴所產(chǎn)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(fā)現(xiàn)對于具有較大水灰比的水泥材料，最優(yōu)噴嘴形狀由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)槟I形，預示了不同的打印材料對應不同的最優(yōu)噴嘴設(shè)計，因此噴嘴優(yōu)化應與打印材料的研發(fā)同步進行。
“我們的發(fā)現(xiàn)彌補了在水泥3D打印領(lǐng)域通過噴嘴的設(shè)計優(yōu)化來提高水泥層間強度的空缺，并提出了一套噴嘴設(shè)計和優(yōu)化的流程，為后續(xù)的相關(guān)研究應用提供了重要理論依據(jù)。”何樂為表示。
