CN104515696A - 应用3d打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，包括制备粉末状3D打印原料：柱状节理柱体的粉末、节理所需粉末和胶结粘合用粉末；将粉末状材料装入3D打印机内；建立柱状节理试样三维模型，并将其输入至3D打印机进行3D打印；打印完成后对试样进行后期处理灯步骤。本发明首次将3D打印技术应用于岩石力学试验中，用相似材料模拟实际工程中柱状节理岩体的基本特性，具有制备工艺简单、生产效率较人工制备试样更高、成品率高等优点。

Description

应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法

技术领域

本发明属于岩石力学与工程领域，涉及岩石力学试验研究时试样的制备，具体涉及一种应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法。

背景技术

在岩石力学与岩石工程邻域，岩石试验是研究岩石物理力学特性、岩石力学的基础，室内岩石试验岩石力学的重要手段。

通常用于岩石力学室内试验的试样均采自于现场的岩体，对于岩体结构破碎、结构面相对较多的岩体来说，通过钻孔现场取样是非常困难的。为了克服这些困难，研究人员采取用现场试验来替代室内试验，或者采用混凝土、树脂等相似材料进行人工制样。然而这些方法都存在不足之处：用现场采取的试样进行试验，其结果具有较大的离散性；采用现场试验通常受到场地环境、试验费用等条件限制，不可能进行大量的试验；采用人工制样时，需要进行模具的设计制作，试样内部的孔隙率不能准确控制，其结果也具有一定的离散性，而且结构复杂的试样也很难采用人工制样的方法制得。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，包括以下步骤：

1）提供柱状节理岩体相似材料试样打印所需要的粉末状原料，以及胶结粘合所述粉末状原料的粘结胶水，所述粉末状原料包括柱状节理柱体粉末材料和节理粉末材料；

2）准备3D打印机，所述打印机用于同时打印两种材料，将步骤（1）中所提供的粉末状原料和粘结胶水装入打印机内；

3）使用计算机辅助设计软件进行柱状节理试样模型的构建，构建完成后导入3D打印机所支持的软件中；

4）将所建立的三维模型输入至3D打印机中并再一次检查模型的正确合理性，将不合理的地方进行修改，或在步骤（3）中重新构建模型，最后进行3D打印；

5）打印完成后，对得到的柱状试样进行后期处理以满足后期试验所需要求。

作为优选，所述步骤1）的柱状节理柱体粉末材料为砂岩粉末材料或树脂粉末材料。可根据打印机对粉末材料粒径要求，将现场采集的岩石块体进行粉碎，粉末粒径需满足3D打印机要求即可。

作为优选，所述步骤1）中的节理粉末材料为砂岩粉末材料或树脂粉末材料。也即节理粉末材料可以与柱体粉末材料可以相同。

作为优选，为了区分柱体与节理，所述步骤1中的柱状节理柱体粉末材料与节理粉末材料采用不同强度的粘结胶水进行胶结粘合。

作为优选，所述步骤3）中模型的节理采用完全填充或断续填充，并对空隙的分布进行控制。

作为优选，所述步骤5）中的后期处理包括检查打印尺寸的误差、试样外表面凸凹不平处的打磨填补处理以及试样养护。

发明原理：本发明通过采用3D打印技术进行柱状节理岩体相似材料试样的制备。3D打印技术具有不需用制作模具和机械加工的优点，可直接通过计算机辅助设计软件进行三维模型的建立，然后输入至3D打印机系统软件中，在3D打印机内装入打印需用的粉末，进行3D打印后可将三维模型通过逐层打印的方式打印实体物件。

有益效果：本发明采用3D打印技术进行试样制备，具有制备工艺简单、生产效率较人工制备试样更高、成品率高、同时具有环保节省资源等优点。目前，3D打印技术还没有应用于岩石力学试验领域方面，本发明尚属首例。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的操作流程图；

图2为圆柱体试样横截面图；

图3为柱体倾角为90°的圆柱体试样的结构示意图；

图4为柱体倾角为75°的圆柱体试样的结构示意图；

图5为节理填充图。

具体实施方式

实施例：

以打印完全填充的圆柱体试样为例，本实施例的操作流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：首先准备柱状节理岩体相似材料试样打印所需要的粉末状原料，该粉末状的原料主要包括柱状节理柱体粉末材料、节理粉末材料，另外提供胶结粘合所用粉末状材料的粘接胶水。

上述粉末状材料可以使用相似材料如混泥土材料、树脂材料等复合材料，也可以从现场采集现场柱状节理岩体碎块（节理填充物），将其磨成3D打印机所满足的粉末状。粉末状的粘合材料起到粘合胶结的作用。柱状节理柱体粉末材料与节理粉末材料采用不同强度的粘结胶水进行胶结粘合

步骤2：选择一台3D打印机（ProJet X60系列），或配置更高的打印机均可，将粉末原料放与胶水装入打印机内；胶水在该打印机所适用的胶水型号中选择，针对两种粉末材料所需打印模型的强度选择两种不同强度的胶水。

步骤3：使用计算机辅助设计软件（AutoCAD、3DMAX）进行圆柱体试样模型的构建，根据设计的尺寸大小进行模型构建；

构建模型的形状参数如图2所示，其正六边形边可视为节理，节理厚度设置为0.5mm左右。如图3和图4所示，圆柱体试样的直径为50mm，高为100mm，柱状节理中柱体截面采用正六边形，正六边形的边长为5mm，节理厚度设置为0.5mm，柱体倾角按30°、45°、60°、75°、90°设置。如图5所示，在建立的三维模型中，节理的填充可采用完全填充、断续填充或者按照一定的孔隙率随机填充的方式。柱体的截面形状也可以由四边形或Voronoi图构成。

步骤4：三维模型建立完成之后输入至3D打印机系统中并再一次检查模型的正确合理性，将不合理的地方进行修改，或在步骤3中重新构建模型，最后进行3D打印。

步骤5：打印完成后，得到圆柱体柱状节理相似材料试样，对试样进行后期处理以满足后期试验所需要求。主要检查打印尺寸的误差是否满足试验要求，对于圆柱体外表面凸凹不平的地方进行打磨填补处理，最后对试样进行养护。

上面所述是应用3D打印技术制作柱状节理岩体相似材料试样的方法流程，试验表明，将3D打印技术岩石力学试验研究方面，生产效率较人工制备试样更高，具有制作工艺简单、成品率高等优点。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对岩石力学领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）提供柱状节理岩体相似材料试样打印所需要的粉末状原料，以及胶结粘合所述粉末状原料的粘结胶水，所述粉末状原料包括柱状节理柱体粉末材料和节理粉末材料；

2）准备3D打印机，所述打印机用于同时打印两种材料，将步骤（1）中所提供的粉末状原料和粘结胶水装入打印机内；

3）使用计算机辅助设计软件进行柱状节理试样模型的构建，构建完成后导入3D打印机所支持的软件中；

4）将所建立的三维模型输入至3D打印机中并再一次检查模型的正确合理性，将不合理的地方进行修改，或在步骤（3）中重新构建模型，最后进行3D打印；

5）打印完成后，对得到的柱状试样进行后期处理以满足后期试验所需要求。

2.根据权利要求1所述的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的柱状节理柱体粉末材料为砂岩粉末材料或树脂粉末材料。

3.根据权利要求1所述的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的节理粉末材料为砂岩粉末材料或树脂粉末材料。

4.根据权利要求1所述的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的柱状节理柱体粉末材料与节理粉末材料采用不同强度的粘结胶水进行胶结粘合。

5.根据权利要求1所述的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中模型的节理采用完全填充或断续填充，并对空隙的分布进行控制。

6.根据权利要求1所述的应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中的后期处理包括检查打印尺寸的误差、试样外表面凸凹不平处的打磨填补处理以及试样养护。