3D 打印这个概念提出来到现在发展了好几十年了，不过在建筑行业才刚刚兴起，所以还没有相关的权威标准和规范。看看现在建筑材料 3D 打印的情况，轮廓工艺是最成熟的打印方式，打印出来的东西表面质量最好，但是这个工艺主要是靠他们自己研发的打印机和配套的打印技术。所以呢，这个课题就是要对现有的简易龙门式 3D 打印机的喷嘴进行改进，这样就能改善打印体的表面质量和界面结合强度，解决 3D 打印水泥基材料出现的冷缝和空腔问题，然后对水泥基材料进行 3D 打印，得到一些普遍适用的结果。

喷嘴装置的改进设计呢，主要是对现有的 3D 打印机喷嘴装置部分进行改进。要解决打印的时候层和层之间因为打印时间有间隔而出现的冷缝问题，还有打印过程中的空腔问题。现在的 3D 打印机是龙门式的，计划在现有的喷嘴那里设计一个门型的约束框，这样就能约束从喷嘴打印出来的新鲜混凝土，不让它自然堆砌成腰鼓形，还能给打印体加上约束应力，增加层间结合强度。

约束条件对 3D 打印材料层间界面结合性能有影响。在实验里给打印出来的混凝土条带加上约束，这样能提升打印样品整体的力学性能。计划用三种约束措施：第一种是加上矩形约束板，对上面和两边打出的混凝土进行约束，产生一定的约束力，让打出的混凝土条带尽量保持矩形，主要解决打印过程中的空腔问题；第二种是在约束板上加上割槽，改变界面的接触状态和方式，主要解决冷缝问题；第三种是在打印过程中同步铺上网状纤维条带，增强界面间的结合，也主要解决冷缝问题。打出的混凝土试样通过楔形劈裂实验来测试界面的强度，用 SEM 观察样品的断面和微观断裂行为，再结合力学性能进行分析。

约束条件对 3D 打印材料流动过程中的流变行为也有影响。混凝土浆料在 3D 打印过程中会流动。加上约束板后，混凝土浆料的流动会受到约束，不会自然坍落，会在约束下流动，填满约束的形状。通过模拟打印材料在实际过程中的流动，能反馈到约束装置的设计里，目的是让实际打印过程中打印材料能填满约束板内的空间和割槽里的部分。这个装置有料筒和喷嘴两部分，料筒是圆柱形的，直径大概 120 毫米，高 150 毫米，下面是漏斗形延伸连接下面的喷嘴，喷嘴孔径大概 40 毫米，喷嘴装置用螺钉连接的方式固定在特制的钣金件上，通过钣金件和打印机的横梁连接，可以在横梁上沿着直线方向运动。