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——材料的抗断裂性。研究人员希望这一领域的进展能够导致在水泥基结构中更广泛地使用增材制造。长期目标是使用增材技术开发更好的材料，从而实现创新设计和功能。
水泥是构成现代建筑（包括建筑物、道路、跑道、桥梁和水坝）大部分的混凝土的主要成分。近年来，随着 3D 打印在效率和多功能性方面的优势显现，人们对该技术应用于建筑的兴趣与日俱增。
但与传统浇注混凝土相比，3D 打印替代品可能会开裂，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引入的不均匀微观结构。普林斯顿大学的研究人员使用了一项新的测试来在微观层面更好地理解这种裂缝。他们的发现表明，通过适当表征压裂特性，3D 打印混凝土的强度可能与浇铸混凝土一样强，甚至更强。
在《水泥和混凝土复合材料》杂志的一项研究中，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。通过控制激光的功率和速度，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更准确的测试。
“我们现在可以更透彻地了解 3D 打印水泥基材料在各种失效模式下的断裂特性，这对于最终扩大这项技术非常重要，”土木系助理教授 Reza Moini 说。普林斯顿大学和环境工程系，该研究的资深作者。“通过利用增材技术带来的材料结构设计和制造自由度，可以制造出更坚固、更坚韧的材料。”
该研究的其他普林斯顿作者，都是莫伊尼实验室的成员，是 Shashank Gupta 和 Arjun Prihar，他们都是博士。学生和前副研究员 Hadi Esmaeeli。
与浇注到模板中并硬化的浇注混凝土不同，3D 打印混凝土包含一个喷嘴，每次挤出一根水泥浆。喷嘴来回移动，逐条构建混凝土，最终逐层构建。
“这项针对脆性 3D 打印材料的测试的优势在于，使用相同的样品几何形状，可以捕获在拉伸、剪切或两者的任何组合下的抗裂性，”Moini 说。
该论文的第一作者 Shashank Gupta 强调，“这种方法可以帮助了解材料特性，因为研究人员正在与工业界合作，以扩大用于结构和非结构应用的混凝土增材制造工艺。”
Moini 实验室的研究生正在推进这些目标，研究建筑材料和断裂特征。最近，在 4 月份于旧金山举行的美国混凝土学会春季大会上，论文合著者 Arjun Prihar 获得了海报奖三等奖，研究生 Krystal Delnoce 获得了第一名。Prihar 的研究重点是通过实验和模拟了解混凝土材料的正弦曲线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一个缺口，为 3D 打印材料采用一种新的断裂测试方法。
“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，”Moini 说。
