水泥3D 打印噴頭流場分析及結構優化

蔣賢輝，方成剛，高 陽，許 飛

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009）

1 引言

與傳統生產工藝相比，3D 打印技術不僅具有節省材料、生產周期短等特點，更具有柔性和靈活性，使產品由千篇一律的大規模制造向小批量、多品種的個性化定制發展。因此，這一技術廣泛應用于汽車、航空航天、生物醫療、建筑業等各個領域[1]。水泥3D 打印作為3D 打印技術的一個分支，由于其制造自由度、個性化創造、原材料利用率、經濟環保等多方面的優勢，其在建筑業的應用，近期得到全球范圍內的高度重視[2-3]。

噴頭是3D 打印機的主要組成部件之一，其結構性能將直接關系到3D 打印工藝的效率和3D 打印成品的精度。在自然狀態下，水泥的凝固時間較長，而在水泥3D 打印過程中，要求已打印的部分的水泥在短時間內快速凝固，從而具有一定的強度支撐上層材料的堆積。因此，在水泥砂漿流經3D 打印噴頭時，會向其中添加一定量的速凝劑，而水泥與速凝劑混合的均勻程度與打印效果有直接的聯系。螺桿式水泥3D 打印噴頭集混合攪拌、擠出塑形于一體，采用固定式單螺桿結構實現物料的混合以及拌合料的擠出成型。為了深入研究該水泥3D 打印噴頭的結構性能，為其結構的進一步優化設計提供有效的理論指導，現對水泥砂漿在噴頭內部流經螺桿混合段的流動狀況進行模擬仿真和對比分析。

2 非牛頓流體的本構方程

根據流體受到的剪應力同剪切變形的關系，可以把流體分為兩大類：牛頓流體、非牛頓流體。……