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
一支國際研究團隊在生物打印領域取得重大突破:他們利用一種新型生物墨水,3D打印出功能性人類胰島,顯示出巨大的臨床應用潛力,為治療Ⅰ型糖尿病帶來了新希望。這項成果在2025年歐洲器官移植學會大會上首次發......
一支國際研究團隊在生物打印領域取得重大突破:他們利用一種新型生物墨水,3D打印出功能性人類胰島,顯示出巨大的臨床應用潛力,為治療Ⅰ型糖尿病帶來了新希望。這項成果在2025年歐洲器官移植學會大會上首次發......
近年來,具備可見光響應的有機功能材料,尤其是光致變色材料與室溫磷光(RTP)材料,已成為推動前沿光學應用發展的核心驅動力。盡管多數材料在紫外光照射下僅呈現單一功能特性,但可見光激發型功能材料的研發仍面......
近年來,具備可見光響應的有機功能材料,尤其是光致變色材料與室溫磷光(RTP)材料,已成為推動前沿光學應用發展的核心驅動力。盡管多數材料在紫外光照射下僅呈現單一功能特性,但可見光激發型功能材料的研發仍面......
在生物科技前沿,中國科研團隊和企業正以顛覆性創新,不斷突破科學與產業的邊界。從體內精準可視化的微小人工血管,到實現靶向給藥的微型機器人,再到成功應用于臨床的先進仿生關節——這些突破性成果,正在重新定義......
在生物科技前沿,中國科研團隊和企業正以顛覆性創新,不斷突破科學與產業的邊界。從體內精準可視化的微小人工血管,到實現靶向給藥的微型機器人,再到成功應用于臨床的先進仿生關節——這些突破性成果,正在重新定義......
當指尖輕觸智能手機屏幕時,您或許未曾察覺,方寸之間密布著寬度僅數十微米的微納信號通道——這些肉眼難辨的微觀結構,正以精密的協同運作支撐著現代智能設備的通信效能。而在5G基站以毫秒級速率處理海量數據的背......
當指尖輕觸智能手機屏幕時,您或許未曾察覺,方寸之間密布著寬度僅數十微米的微納信號通道——這些肉眼難辨的微觀結構,正以精密的協同運作支撐著現代智能設備的通信效能。而在5G基站以毫秒級速率處理海量數據的背......
中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵團隊,設計了一種由無機材料誘導的生物3D打印預神經化心肌修復支架,為心肌梗死修復提供了一種新思路。相關研究近日發表于《先進材料》。神經負責調節人體各種生理活動,在......
中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵團隊,設計了一種由無機材料誘導的生物3D打印預神經化心肌修復支架,為心肌梗死修復提供了一種新思路。相關研究近日發表于《先進材料》。神經負責調節人體各種生理活動,在......