喷墨式水泥3D打印喷头泥浆流动规律分析
                                        王康，黄筱调，陈勇，吴伟伟
                               (南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211816)
    基于熔融沉积成型3D打印工艺，介绍了喷头直接挤出水泥浆的喷墨式水泥3D打印工艺，并通过进料口压力、喷口直径、螺杆转速和螺杆几何尺寸对喷头出料率影响的实验，研究了喷头内水泥浆的流动规律，指出了影响喷头出料的关键因素。

    3D 打印由于其在制造自由度、个性化创造、原材料利用率、经济环保等多方面具有的优势，成为建筑行业重要的建设手段。D-shape［1］是世界上第一台以细骨料和胶凝材料为打印材料的大型3D打印机，可以打印尺寸在6m×6m内的任何建筑物。上海盈创公司利用其自主研发的打印机在24h内可以“打印”出10栋单个面积为200m2的建筑，其喷头挤出特殊黏结剂选择性地黏接水泥粉末，形成建筑截面，以此重复堆叠，最高可成形宽10m、高6m的墙体。
目前，市面上的水泥3D打印设备主要面向土木建筑领域，多用于房屋和大型雕塑的成形［2-3］。由于该类设备所用的技术大多是基于3DP成型工艺，制件表面粗糙，需进行大量的后期处理，难以应用于对制件表面质量要求较高的产品。喷墨式水泥3D打印由于其较高的成型精度和材料利用率,已成为水泥3D打印新的发展方向。

1  喷墨式水泥3D打印的工艺原理
   喷墨式水泥3D打印［4］工艺的原理与熔融沉积工艺（Fused Deposition Modeling, FDM）的原理相似，即泵机将水泥浆通过输料管送至喷头，喷头内部泥料由螺杆搅拌挤压，泥料受到螺杆的挤出压力从喷口射出。喷头部分受三轴运动控制系统控制，可沿X轴方向左右移动，沿Y轴方向前后移动，一个层面打印完成后，工作台沿Z轴方向垂直上升一个层面的高度，再重复上述步骤，如此循环，直至完成整个实体物件的打印。

2  泥浆流动理论
   水泥浆在喷头内的流动经过进料管、螺杆段、喷口3段。水泥浆在克服临界剪切应力之后，其流动性质与牛顿流体相同，故将喷头内泥浆流动视为牛顿流体流动，并忽略其重力作用。

2.1进料段和喷头段流体模型
    几何结构上，进料管段是一个截面为圆形的管道，水泥浆的流动与管道几何尺寸相关。喷口段与之结构相似。二者结构参数与流量关系如下［5］:

Q=πR4ΔP1〖〗8μL1（1）

式中：Q为喷头流量；R为流道半径；ΔP1为进料口（喷口）上下端压力降；μ为泥浆黏度；L1为流道长度。

2.2螺杆段流动模型
    螺旋腔内部螺槽结构虽然复杂，但是如果将其展开，便会得到一个长方形的流道。由于螺杆转速不高，在喷头工作过程中几乎无热量产生，故将泥浆视为在恒温条件下流动的牛顿流体。此时泥浆流量满足［6-7］：


Q=〖SX(〗π2d2nHcosφsinφ〖〗2〖SX)〗+〖SX(〗πdsin2φH3〖〗12μ〖SX)〗(ρg-〖SX(〗ΔP2〖〗L2〖SX)〗)（2）

Q1=π2d2nHcosφsinφ〖〗2（3）

Q2=πdsin2φH3〖〗12μ〖SX)〗(ρg-〖SX(〗ΔP2〖〗L2〖SX)〗)≈〖SX(〗πdsin2φH3〖〗12μ〖SX)〗·

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作者简介：王康（1990—），男，江苏南京人，南京工业大学硕士研究生，主要研究方向为固态无机物粉末3D打印机关键技术。


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