本刊编译整理
6月，来自美国普林斯顿大学的工程师们正在部署激光来精确评估3D 打印水泥的一个主要缺点，即材料的抗断裂性。研究人员希望这一领域的进展能够使增材制造在水泥基结构中得到更广泛的应用。该研究项目的长期目标是使用增材制造技术开发更好的材料，从而实现创新的设计和功能。
水泥是混凝土的主要成分，混凝土构成了现代建筑的大部分，包括建筑、道路、跑道、桥梁和大坝。近年来，随着3D 打印在效率和多功能性方面表现出的优势，人们将该技术应用于建筑表现出越来越多的兴趣。
但与传统浇筑的混凝土相比，3D 打印的替代品可能会出现裂缝，尤其是在不同混凝土层之间的区域。研究人员将此归因于3D 打印中使用的分层过程所引入的非均匀微结构。普林斯顿大学的研究人员使用了一种新的测试方法，从微观层面更好地理解这种裂缝。他们的发现表明，通过适当地表征断裂性能，3D 打印混凝土可能与浇注混凝土一样坚固，甚至更坚固。
在《水泥与混凝土复合材料》杂志上的一项研究中，普林斯顿大学的研究人员展示了一种新的测试方法，该方法使用激光在3D 打印的水泥中切割精确定位的凹槽。通过控制激光功率和速度，研究人员可以控制凹槽的深度和形状等关键特征。这种控制允许比传统方法实现更精确的测试。
普林斯顿大学土木与环境工程系助理教授、该研究的高级作者Reza Moini 说：“我们现在可以更全面地了解3D打印水泥基材料在各种失效模式下的断裂特性，这对最终推广这项技术很重要。通过利用材料结构的设计和增材制造技术带来的制造自由，有了制造更坚固、更坚韧材料的新机会。”
该研究的其他论文作者，都是Moini 实验室的成员，分别是Shashank Gupta和Arjun Prihar，他们都是博士生，以及前副研究学者Hadi Esmaeeli。浇注混凝土是通过浇筑成型并硬化的，而3D 打印混凝土与浇注混凝土不同，它需要一个喷嘴，一次挤出一股水泥浆。喷嘴来回移动，一股一股地构建混凝土，最终逐层构建。
3D 打印混凝土存在的一个挑战是，在挤出过程中往往会在每个打印区域周围形成一层薄的富含水的薄膜，以促进流动。这些富含水分的薄膜可能会导致3D 打印材料线束间的显著内部缺陷和不均匀性，从而导致结构薄弱。研究人员更详细地检查了这些界面，以了解它们与断裂特性的关系。研究团队最初使用挤出水泥浆的定制3D打印机制作并固化样品进行测试。传统的测试通常包括在材料上切割切口，通常使用圆锯。然而在微观结构研究中，这些锯子的表现却非常钝，无法实现非常尖锐的缺口，从而使测试变得困难和不精确。
Moini 和同事们没有使用锯子等物理工具来切割缺口，而是选择使用激光。他们的方法将测试缺口直接切到需要的地方，例如在打印层之间的界面处。Moini说：“这种针对脆性3D 打印材料测试的优势在于，使用相同的样品几何形状，可以捕捉到在张力、剪切或两者的任何组合下的抗裂性。”论文第一作者Shashank Gupta 强调，“这种方法有助于了解材料特性，因为研究人员正在与工业界合作，扩大结构和非结构应用的混凝土增材制造工艺。”
目前，实验室的研究人员还在进一步研究建筑材料和断裂特征。在今年4月举行的美国混凝土学会春季大会上，论文合著者Arjun Prihar 分别获奖。Prihar 的研究重点是通过实验和模拟来理解混凝土材料正弦结构设计的断裂力学。Delnoce 的研究重点是通过在刀具路径中开发缺口，为3D打印材料采用一种新的断裂测试方法。Moini说：“我们的工作有助于解决有关3D 打印混凝土断裂行为的基本问题。”
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