應(yīng)用3d打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，包括制備粉末狀3D打印原料：柱狀節(jié)理柱體的粉末、節(jié)理所需粉末和膠結(jié)粘合用粉末；將粉末狀材料裝入3D打印機(jī)內(nèi)；建立柱狀節(jié)理試樣三維模型，并將其輸入至3D打印機(jī)進(jìn)行3D打??；打印完成后對試樣進(jìn)行后期處理燈步驟。本發(fā)明首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于巖石力學(xué)試驗中，用相似材料模擬實際工程中柱狀節(jié)理巖體的基本特性，具有制備工藝簡單、生產(chǎn)效率較人工制備試樣更高、成品率高等優(yōu)點。
【專利說明】應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，涉及巖石力學(xué)試驗研宄時試樣的制備，具體涉及一種應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在巖石力學(xué)與巖石工程鄰域，巖石試驗是研宄巖石物理力學(xué)特性、巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，室內(nèi)巖石試驗巖石力學(xué)的重要手段。
[0003]通常用于巖石力學(xué)室內(nèi)試驗的試樣均采自于現(xiàn)場的巖體，對于巖體結(jié)構(gòu)破碎、結(jié)構(gòu)面相對較多的巖體來說，通過鉆孔現(xiàn)場取樣是非常困難的。為了克服這些困難，研宄人員采取用現(xiàn)場試驗來替代室內(nèi)試驗，或者采用混凝土、樹脂等相似材料進(jìn)行人工制樣。然而這些方法都存在不足之處:用現(xiàn)場采取的試樣進(jìn)行試驗，其結(jié)果具有較大的離散性；采用現(xiàn)場試驗通常受到場地環(huán)境、試驗費(fèi)用等條件限制，不可能進(jìn)行大量的試驗；采用人工制樣時，需要進(jìn)行模具的設(shè)計制作，試樣內(nèi)部的孔隙率不能準(zhǔn)確控制，其結(jié)果也具有一定的離散性，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試樣也很難采用人工制樣的方法制得。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，包括以下步驟:
1)提供柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣打印所需要的粉末狀原料，以及膠結(jié)粘合所述粉末狀原料的粘結(jié)膠水，所述粉末狀原料包括柱狀節(jié)理柱體粉末材料和節(jié)理粉末材料；
2)準(zhǔn)備3D打印機(jī)，所述打印機(jī)用于同時打印兩種材料，將步驟(I)中所提供的粉末狀原料和粘結(jié)膠水裝入打印機(jī)內(nèi)；
3)使用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行柱狀節(jié)理試樣模型的構(gòu)建，構(gòu)建完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)所支持的軟件中；
4)將所建立的三維模型輸入至3D打印機(jī)中并再一次檢查模型的正確合理性，將不合理的地方進(jìn)行修改，或在步驟(3)中重新構(gòu)建模型，最后進(jìn)行3D打印；
5)打印完成后，對得到的柱狀試樣進(jìn)行后期處理以滿足后期試驗所需要求。
[0006]作為優(yōu)選，所述步驟I)的柱狀節(jié)理柱體粉末材料為砂巖粉末材料或樹脂粉末材料?？筛鶕?jù)打印機(jī)對粉末材料粒徑要求，將現(xiàn)場采集的巖石塊體進(jìn)行粉碎，粉末粒徑需滿足3D打印機(jī)要求即可。
[0007]作為優(yōu)選，所述步驟I)中的節(jié)理粉末材料為砂巖粉末材料或樹脂粉末材料。也即節(jié)理粉末材料可以與柱體粉末材料可以相同。
[0008]作為優(yōu)選，為了區(qū)分柱體與節(jié)理，所述步驟I中的柱狀節(jié)理柱體粉末材料與節(jié)理粉末材料采用不同強(qiáng)度的粘結(jié)膠水進(jìn)行膠結(jié)粘合。
[0009]作為優(yōu)選，所述步驟3)中模型的節(jié)理采用完全填充或斷續(xù)填充，并對空隙的分布進(jìn)行控制。
[0010]作為優(yōu)選，所述步驟5)中的后期處理包括檢查打印尺寸的誤差、試樣外表面凸凹不平處的打磨填補(bǔ)處理以及試樣養(yǎng)護(hù)。
[0011]發(fā)明原理:本發(fā)明通過采用3D打印技術(shù)進(jìn)行柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備。3D打印技術(shù)具有不需用制作模具和機(jī)械加工的優(yōu)點，可直接通過計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行三維模型的建立，然后輸入至3D打印機(jī)系統(tǒng)軟件中，在3D打印機(jī)內(nèi)裝入打印需用的粉末，進(jìn)行3D打印后可將三維模型通過逐層打印的方式打印實體物件。
[0012]有益效果:本發(fā)明采用3D打印技術(shù)進(jìn)行試樣制備，具有制備工藝簡單、生產(chǎn)效率較人工制備試樣更高、成品率高、同時具有環(huán)保節(jié)省資源等優(yōu)點。目前，3D打印技術(shù)還沒有應(yīng)用于巖石力學(xué)試驗領(lǐng)域方面，本發(fā)明尚屬首例。
[0013]除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例的操作流程圖；
圖2為圓柱體試樣橫截面圖；
圖3為柱體傾角為90°的圓柱體試樣的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為柱體傾角為75°的圓柱體試樣的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為節(jié)理填充圖。

【具體實施方式】
[0015]實施例:
以打印完全填充的圓柱體試樣為例，本實施例的操作流程如圖1所示，包括以下步驟:步驟1:首先準(zhǔn)備柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣打印所需要的粉末狀原料，該粉末狀的原料主要包括柱狀節(jié)理柱體粉末材料、節(jié)理粉末材料，另外提供膠結(jié)粘合所用粉末狀材料的粘接膠水。
[0016]上述粉末狀材料可以使用相似材料如混泥土材料、樹脂材料等復(fù)合材料，也可以從現(xiàn)場采集現(xiàn)場柱狀節(jié)理巖體碎塊(節(jié)理填充物)，將其磨成3D打印機(jī)所滿足的粉末狀。粉末狀的粘合材料起到粘合膠結(jié)的作用。柱狀節(jié)理柱體粉末材料與節(jié)理粉末材料采用不同強(qiáng)度的粘結(jié)膠水進(jìn)行膠結(jié)粘合
步驟2:選擇一臺3D打印機(jī)(Pix)Jet X60系列)，或配置更高的打印機(jī)均可，將粉末原料放與膠水裝入打印機(jī)內(nèi)；膠水在該打印機(jī)所適用的膠水型號中選擇，針對兩種粉末材料所需打印模型的強(qiáng)度選擇兩種不同強(qiáng)度的膠水。
[0017]步驟3:使用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件(AutoCAD、3DMAX)進(jìn)行圓柱體試樣模型的構(gòu)建，根據(jù)設(shè)計的尺寸大小進(jìn)行模型構(gòu)建； 構(gòu)建模型的形狀參數(shù)如圖2所示，其正六邊形邊可視為節(jié)理，節(jié)理厚度設(shè)置為0.5mm左右。如圖3和圖4所示，圓柱體試樣的直徑為50mm，高為100mm，柱狀節(jié)理中柱體截面采用正六邊形，正六邊形的邊長為5mm，節(jié)理厚度設(shè)置為0.5mm，柱體傾角按30°、45°、60°、75°、90°設(shè)置。如圖5所示，在建立的三維模型中，節(jié)理的填充可采用完全填充、斷續(xù)填充或者按照一定的孔隙率隨機(jī)填充的方式。柱體的截面形狀也可以由四邊形或VOTonoi圖構(gòu)成。
[0018]步驟4:三維模型建立完成之后輸入至3D打印機(jī)系統(tǒng)中并再一次檢查模型的正確合理性，將不合理的地方進(jìn)行修改，或在步驟3中重新構(gòu)建模型，最后進(jìn)行3D打印。
[0019]步驟5:打印完成后，得到圓柱體柱狀節(jié)理相似材料試樣，對試樣進(jìn)行后期處理以滿足后期試驗所需要求。主要檢查打印尺寸的誤差是否滿足試驗要求，對于圓柱體外表面凸凹不平的地方進(jìn)行打磨填補(bǔ)處理，最后對試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
[0020]上面所述是應(yīng)用3D打印技術(shù)制作柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的方法流程，試驗表明，將3D打印技術(shù)巖石力學(xué)試驗研宄方面，生產(chǎn)效率較人工制備試樣更高，具有制作工藝簡單、成品率高等優(yōu)點。
[0021]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。對巖石力學(xué)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實施方式進(jìn)行實施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)提供柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣打印所需要的粉末狀原料，以及膠結(jié)粘合所述粉末狀原料的粘結(jié)膠水，所述粉末狀原料包括柱狀節(jié)理柱體粉末材料和節(jié)理粉末材料； 2)準(zhǔn)備3D打印機(jī)，所述打印機(jī)用于同時打印兩種材料，將步驟(I)中所提供的粉末狀原料和粘結(jié)膠水裝入打印機(jī)內(nèi)； 3)使用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行柱狀節(jié)理試樣模型的構(gòu)建，構(gòu)建完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)所支持的軟件中； 4)將所建立的三維模型輸入至3D打印機(jī)中并再一次檢查模型的正確合理性，將不合理的地方進(jìn)行修改，或在步驟(3)中重新構(gòu)建模型，最后進(jìn)行3D打??； 5)打印完成后，對得到的柱狀試樣進(jìn)行后期處理以滿足后期試驗所需要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中的柱狀節(jié)理柱體粉末材料為砂巖粉末材料或樹脂粉末材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中的節(jié)理粉末材料為砂巖粉末材料或樹脂粉末材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于:所述步驟I)中的柱狀節(jié)理柱體粉末材料與節(jié)理粉末材料采用不同強(qiáng)度的粘結(jié)膠水進(jìn)行膠結(jié)粘合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中模型的節(jié)理采用完全填充或斷續(xù)填充，并對空隙的分布進(jìn)行控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法，其特征在于:所述步驟5)中的后期處理包括檢查打印尺寸的誤差、試樣外表面凸凹不平處的打磨填補(bǔ)處理以及試樣養(yǎng)護(hù)。
【文檔編號】G01N1/28GK104515696SQ201410744393
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】閆龍, 徐衛(wèi)亞, 王如賓, 王環(huán)玲, 張久長, 孟慶祥, 吉華, 林志南, 冉少鵬, 俞雋 申請人:河海大學(xué)