基于打印参数影响的3D打印混凝土力学性能试验研究

本工作制备了具有良好工作性能的3D打印混凝土,研究了喷头尺寸、打印路径两类打印参数对试件抗压强度、抗弯强度、微观和细观结构的影响,重点分析了其受力开裂的破坏机理,并且基于孔隙结构参数提出了抗压强度预测模型。结果表明：随着喷头尺寸由20 mm增大至40 mm, 3D打印混凝土的可建造性增强,打印试件的力学强度提升7.5%～31.6%,孔隙率和缺陷数量下降;正交路径B的打印试件孔隙率与平行路径A的相近,但其力学强度提升10.8%～46.7%。3D打印混凝土最薄弱界面是打印层间界面;打印试件开裂破坏时有三类破坏形态出现;建立的3D打印混凝土抗压强度预测模型可为评估不同打印参数下3D打印混凝土的抗压强度提供理论参考。     

碳纳米管对3D打印混凝土流变性能及力学性能的影响

碳纳米管(MWCNTs)是一种性能优良的纳米材料,将其掺入3D打印混凝土(3DPC)中不仅会对基体内部微裂纹的生成和扩展以及3D打印混凝土的宏观力学性能产生显著影响,而且会影响新拌3D打印混凝土的流变性能。为了明确碳纳米管对3D打印混凝土性能的影响,通过设置六种碳纳米管掺量(0%、0.01%、0.02%、0.05%、0.08%、0.1%),研究了碳纳米管的掺量对3D打印凝土流变性能及力学性能的影响,并基于SEM测试结果进行了微观分析。研究结果表明：随着碳纳米管掺量的增加,3D打印混凝土的流动度逐渐下降,静态屈服应力、动态屈服应力逐渐增加。各龄期的抗折强度均随着碳纳米管掺量的增加而增大。随碳纳米管掺量的增加,3D打印混凝土的抗压强度先增大后减小,当碳纳米管掺量为0.05%时,其抗压强度最大。SEM结果显示,碳纳米管可以起到桥接和填充作用,能与基体紧密连接,阻止3D打印混凝土内部微裂缝和孔洞的生成与扩展,在较低掺量(不超过0.05%)下即能显著改善3D打印混凝土的微观结构。     

3D打印UHPC的制备和力学性能试验研究

混凝土材料的制备和性能优化是3D打印(3DP)智能建造技术的关键和核心.研发3D打印超高性能混凝土(3DP-UHPC)可促进该技术的推广应用.超高性能混凝土(UHPC)属胀流型流体,在挤压作用下会发生剪切增稠现象,不利于3D打印成型.本工作提出应用化学促凝和物理絮凝协调控制的水泥基复合材料改性方法,优化硫铝酸盐水泥、纤维素和黏土复掺比例,促进UHPC胀流型流体向宾汉姆流体的逐渐改变,制备3D打印UHPC材料.测试打印材料的抗压、抗拉、抗弯等基本力学性能,分析其微观形貌.结果表明:调整促凝/絮凝(A/F)比例有助于优化UHPC的3D可打印性,提高UHPC的力学性能.当硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥的质量分数为10％时,流动度控制在180～200 mm范围内,A/F比例满足相应的3D可打印性能要求.3DP-UHPC的抗压强度为129.6 MPa,抗弯强度为16.3 MPa,抗拉强度为4.6 MPa,极限拉伸率为1.2％.打印工艺有利于钢纤维形成定向分布,益于改善UHPC的韧性.     

3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究

3D混凝土打印(3DCP)技术由于其快速制造的优势,在过去几十年里得到了迅速的发展。然而,在印刷过程中仍有许多问题需要解决,例如：目前的相关研究尚未建立能准确预测与分析3DCP圆柱壳的力学模型。该文利用Goldenveizer-Novozhilov壳体理论,加入打印进程参数,包括打印速率、打印材料固化特征、柱壳几何特征、以及自重作用影响,对3DCP圆柱壳的两种破坏机理：弹性屈曲和塑性破坏进行了分析,并在此基础上描述了柱壳形直立墙弹性屈曲与塑性坍塌间的竞争关系。参数模型、有限元模拟与已有相关试验的对比结果表明：该文提出的模型可以较好地预测3DCP圆柱壳的失效高度与失效形式,并为找寻最佳打印参数集给予理论指导。     

HB-CSA与膨胀剂对3D打印混凝土收缩开裂性能的影响

3D打印材料因连续挤出的工艺要求,受限于喷嘴的尺寸,制备时一般使用细骨料.细骨料比表面积大,包裹骨料所需浆体多,造成胶凝材料占比高;无模逐层堆积建造的固有流程,提高了打印材料的水分蒸发速率,导致3D打印水泥基复合材料具有较高的收缩和开裂风险.为此,通过复掺高贝利特硫铝酸盐水泥(HB?CSA)和UEA膨胀剂制备低收缩3D打印水泥基复合材料,测试评估其可打印性、力学性能和收缩开裂性能.结果表明,单掺5％(质量分数,下同)的HB?CSA时,3D打印水泥基复合材料90 d的收缩率可降低约8％,早期开裂面积下降约35％,且流动度为190 mm,初凝时间为45 min,满足3D打印挤出工艺要求;5％的HB?CSA和10％的UEA膨胀剂复掺时,所制备材料90 d的收缩率可降低约30％,早期开裂面积下降约33％.     

黄蒿纤维增强混凝土的受力性能试验研究

混凝土是一种典型的压强拉弱的建筑材料,利用抗拉能力突出的纤维补强混凝土的抗拉缺陷是一条常规思路,这其中韧性较强的植物纤维,如黄蒿纤维,是一种既经济又环保的材料。通过在混凝土中分层均匀地添加黄蒿纤维制得混凝土立方体试块,一方面通过对部分试块进行劈裂试验以探究黄蒿纤维对增强混凝土劈裂抗拉强度的效果;另一方面通过对部分试块进行标准立方体抗压试验以探讨黄蒿纤维对混凝土立方体抗压强度的影响。结果表明,黄蒿纤维的掺入可以有效地提高混凝土的立方体抗压强度,显著地提高混凝土的劈裂抗拉强度。此外,还基于复合材料力学理论对黄蒿纤维增强混凝土进行受力分析,推导出黄蒿纤维增强混凝土的抗拉强度与黄蒿纤维掺入率等参数之间的关系,并利用试验数据拟合了黄蒿纤维增强混凝土劈裂抗拉强度和立方体抗压强度关于纤维掺入率的经验公式,由此得出黄蒿纤维的最优掺入率,最后还讨论了黄蒿纤维的掺入对混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度产生影响的原因。     

3D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究

3D打印技术在建筑领域得到显著发展,为解决混凝土3D打印行业实现可持续发展。通过对再生粗骨料(RCA)取代率为0%、50%、100%的3D打印试件和铸模试件进行抗冻性能研究,结合3D打印再生粗骨料混凝土(3DPRAC)界面过渡区的电镜扫描分析其劣化成因。结果表明,在前200次冻融循环中RCA的掺入并没有明显降低3D打印混凝土的质量和动弹模量;在600次冻融循环后RCA为100%掺量的3D打印再生混凝土抗冻性能表现优于RCA掺量为50%。基于3D打印再生混凝土逐层堆叠的建造特点,提出了3DPRAC孔隙区域集中分布模型,揭示了3DPRAC冻融损伤劣化机理。建立的冻融损伤模型能够较好地反映3DPRAC抗冻性能变化规律。     

高分子3D打印材料和打印工艺

3D打印技术亦称为增材制造,是基于三维数学模型数据,通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术。3D打印技术与传统材料加工技术相比有许多突出的优势,吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。目前制约3D打印技术发展的因素主要有两个:打印工艺和打印材料。高分子聚合物在3D打印材料中占据主要地位。介绍了当前3D打印常用的高分子材料(热塑性高分子和光敏树脂)和与之相适应的打印工艺(FDM、SLS、SLA、Polyjet等),并对它们的特性和优缺点进行了评述,讨论了这些3D打印材料和工艺的开发面临的问题和挑战。     

3D打印技术对工业产品形态的影响分析

目的 给处于发展瓶颈中的工业产品企业和传统工艺作坊,提供产品形态创新发展的思路。方法 以部分行业领域的3D打印创新作品为例,通过对案例中的3D打印技术创新进行介绍与其社会价值进行分析,得出3D打印工业产品形态的主体框架一体化趋势、产品形态轻量化趋势和产品造型多样化趋势。 结论 未来的定制化3D打印工业产品,将会呈现出更多个性化的形态,对于处于发展瓶颈的工业产品企业与传统手工艺作坊来说,需要用互联网思维认识和思考3D打印技术对产品形态的影响,结合民生需求,通过3D打印技术创新,赋予产品更多的形态可能,从而焕发新生。     

3D打印隔热材料研究进展

3D打印技术能够实现面向性能的设计以及非常规结构的制造,其在隔热领域的应用可以使材料具有更加精细、可控、定制化的结构与功能。当前,3D打印隔热材料技术仍处于快速迭代期,打印材料、结构设计和制造工艺等技术瓶颈尚待突破。本文对3D打印隔热材料的现状进行了综述,简要分析了在隔热材料制造方面较有前景的3D打印工艺,对比了各工艺的优缺点以及适用的材料类型,着重讨论了3D打印陶瓷、发泡混凝土、泡沫塑料和气凝胶材料在隔热领域的研究进展,最后总结了目前面临的技术挑战和未来的主要发展方向。     

3D打印革命

从上世纪80年代问世以来,5D打印技术已经不是什么新鲜的概念,却依然没有大规模的应用。高昂的成本、不易操作的参数输入方式、不太稳定的打印制造效果……种种的限制都让利用这项技术进行批量生产的难度加大。     

3D打印技术对产品的影响

目的研究3D打印技术性因素对产品从内在概念到外在结构与形式的影响,科学地认知该技术在设计方面的价值。重点研究在3D打印技术背景下产品属性及价值、生产与制造、设计、结构与形态等诸方面呈现出新的变化趋势。方法通过对"商品"与"产品"概念变迁的阐述,揭示3D打印技术影响下产品价值与内涵的变迁形式。分析3D打印技术对产品生产制造、造型与结构等方面的影响,进一步理清3D打印技术对产品、产品设计与生产、产品结构与形态等方面影响的形式与程度。结论 3D打印技术在设计范畴、设计观念、设计核心问题等方面突破了传统的设计认知藩篱。通过梳理新技术对产品多方面的影响,从而建立起新技术背景下的设计认知,以实现技术价值与创新设计价值的进一步融合。     

高性能混凝土早期力学性能试验研究与分析

通过对高性能混凝土试块进行早龄期的轴心抗压强度和弹性模量的试验研究，获得了它们随龄期变化的一般规律，既有助于加强对混凝土早期力学性能及其发展规律的认识，也可为混凝士施工期的可靠性分析提供参考。     

3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题,采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane,TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响,获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析,确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据,得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大,试样的柔性减弱;在4种超弹性模型中,Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果;4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考,为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。     

烧结颈分布对3D打印覆膜Al2O3零件强度的影响

从烧结颈的尺寸及分布入手,研究覆膜Al2O3粉末的粒径分布对零件强度的影响。使用UV激光对覆膜粉末进行原位加热,在影像测量仪下测量并获得烧结颈束腰直径与颗粒直径之间的关系。建立颗粒堆积模型,将烧结颈分布与颗粒配位点对应,计算得出某一截面上被断开的烧结颈的投影面积比例。结果表明:对于2%(质量分数)树脂含量的覆膜Al2O3粉末,随着颗粒直径从75μm增长至375μm,烧结颈的束腰直径从40μm增长至100μm。而堆积模拟结果显示,随着颗粒直径从75~107μm区间增加至300~375μm区间,烧结颈的投影面积比例从0.2557降低至0.0823,与实验测量的覆膜Al2O3粉末的抗拉强度的趋势一致。将70/100,100/140目的颗粒按照质量比0∶10,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶0混合后计算,发现投影面积比例从0.1772降低至0.1264,孔隙率从0.4511升高至0.4633。综合考虑抗拉强度及透气性,得出优化结果为两者比例为7∶3时,投影面积比为0.1481,堆积孔隙率为0.4596。     

3D打印钛合金孔挤压试验分析

孔挤压试验是通过模拟螺栓、销钉、铆钉与构件结合时的受力情况,针对检测构件部分承受的载荷而提出的一种试验方法。该文通过试验对3D打印钛合金TC4的孔挤压试验特性进行研究和分析,并采用对比试验的形式,研究3D打印钛合金孔挤压试验中试样厚度、孔径、孔边距及边距比对试验结果的影响。通过对实验数据的分析整理,建立数学关系式,明确试样厚度、孔边距、孔径以及孔挤压最大载荷4个参数之间的关系。分析试样的失效形式,描述孔挤压试验可能造成的3种裂纹形式,并对这3种裂纹的形成原因进行分析和研究。     

3D打印气管

2011年，卡伊巴（Kaiba）还只有6个星期大时．他突然停止了呼吸，脸色发青。他的父母赶紧把他送到了医院，医生很遗憾地发现他的左丁气管有先天性缺陷。此后，病情反复发作，直到2012年的一月，外科医生们在他的肺部植入了一个3D打印的气管，才使他的呼吸遁保持畅通。几年之后，这个人造气管会在体内自行溶解，     

月球表面3D打印技术畅想

3D打印以其施工高效、节约资源等优势,在建筑方面有广阔的发展前景。针对3D打印建设月球基地的问题,介绍了3D打印建筑、月壤材料研究及模拟月壤制备、月球基地建设环境问题和外太空3D打印等4方面内容,总结了月球土壤的基本性能和利用地球资源研制的几种模拟月壤,并梳理了零重力环境下的3D打印实验方案和月球基地的设计蓝图,最后提出了3种月壤混凝土材料的制备方案,并对月球基地的3D打印研究计划进行了展望。     

3D打印AlSi10Mg合金组织性能研究

3D打印技术(3D printing)是20世纪90年代出现的一种新型快速成型技术,为提升我国与该技术相关的扫描路径、扫描宽度和扫描深度等关键参数的控制水平,本文利用金相显微镜和扫描电镜分析了用进口EOSM280金属粉末激光烧结系统制备的AlSi10Mg合金制品的组织,并检测了制品的力学性能。结果表明:3D打印试样平行构建方向形成典型的鱼鳞状组织,这些鱼鳞状组织是激光扫描熔池凝固后形成的;组织分析结果表明,扫描形成熔池深度约为180μm,扫描间距约为210μm,层与层间的扫描方向互成120°;凝固熔池内形成了典型的柱状晶,其生长方向与传热方向平行;柱状晶内的共晶组织呈"管状",Si颗粒尺寸细小均匀;平行于构建方向样品的抗拉强度和延伸率分别为487.5 MPa和9.0%,垂直于构建方向样品的抗拉强度和延伸率分别为490.0 MPa和7.0%.