近日，华南师范大学软件学院副研究员何乐为联合新加坡南洋理工大学教授李华、周伟徳博士设计提出了多种新型打印喷嘴以增强3D打印水泥的层间结合强度。相关研究发表于Additive Manufacturing。
3D打印技术又叫增材制造技术，广泛应用于航空航天，国防军工，生物医疗，工业生产等众多领域。水泥3D打印作为一个分支，亦得到了越来越多的关注。现阶段，水泥3D打印面临的一个主要问题是：通过打印得到的水泥构件在两层之间的结合强度显著低于水泥本身的强度，从而导致结构容易开裂，并对日后使用造成重大安全隐患。
研究人员通过大量实验和仿真模拟，发现水泥构件层间结合强度主要受水泥层间槽深度和打印过程中水泥层间应力的影响，并以此为基础设计提出了多种新型打印喷嘴以增强3D打印水泥的层间结合强度。
该研究共研究了24个喷嘴形状和2个喷头附加部件在2种不同水泥材料上的表现，主要可分为实验和仿真两大部分。在实验部分中，研究人员自主搭建3D打印实验平台，将这些喷嘴逐一替换进行打印，并测量打印产物的层间槽深度和层间结合强度。在仿真部分中，作者借助于流体力学仿真软件对打印过程中的层间应力进行模拟，并巧妙地提出“计算”和“打补丁”循环进行的方法以在多相流条件下更准确地计算水泥层间应力。
通过实验和仿真相对照，该研究发现受益于较小的层间槽深度和较大的层间剪切应力，圆形喷嘴产生的层间强度（2.24兆帕）约比长方形喷嘴所产生的高22%。同时，具有齿状压花刀的喷嘴和具有垂直刮刀的喷嘴分别能将3D打印水泥的层间强度进一步提高到2.85兆帕和3.48兆帕。
该研究还发现对于具有较大水灰比的水泥材料，最优喷嘴形状由圆形转变为肾形，预示了不同的打印材料对应不同的最优喷嘴设计，因此喷嘴优化应与打印材料的研发同步进行。
“我们的发现弥补了在水泥3D打印领域通过喷嘴的设计优化来提高水泥层间强度的空缺，并提出了一套喷嘴设计和优化的流程，为后续的相关研究应用提供了重要理论依据。”何乐为表示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102452