CN104807685B - 利用3d打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法 - Google Patents

Abstract

一种利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，属于节理岩体相似模型试样的制样方法。该方法根据研究需要自行设计结构面或通过表面轮廓扫描技术获取实际岩体结构面形貌；在三维绘图软件中将设计结构面穿过完整圆柱体模型后，通过布尔运算获得分割得到的两部分互补试块模型，利用3D打印机将两部分试块模型分别打印成型；将打印模具分别置于两个制样盒中并组装完成，向制样盒中浇筑相似材料，待其凝固成型后拆模养护；将两部分试块正确组合得到含有设计结构面的标准试样。1)该方法操作安全、简便。2)在标准试样中嵌入复杂多变的结构面，通过配合表面轮廓扫描技术可再现实际岩体结构面，获得合理的试验结果。

Description

利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法

技术领域

本发明涉及一种节理岩体相似模型试样的制样方法，特别是一种利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法。

背景技术

自然界中的岩体由于经受复杂地质作用产生了各种结构面，这种结构面很大程度上的影响了节理岩体的力学特征。由于真实节理岩体内部的结构面的几何形态很难清楚得到，所以可以通过相似模型材料来制作节理岩体的类岩石试样。该类岩石试样的制作重点是能够在其内部嵌入不同形状、倾角和粗糙度等几何参数的结构面。目前对于节理岩体的研究方法主要是通过节理岩体表面裂隙裸露面产状大概推测结构面形态，或者通过机械切割或预埋铁片得到含简单结构面的岩体试样或类岩体试样，而这些方法不易操作或者不能得到含理想结构面的节理岩体试样。

发明内容

本发明的目的是要提供一种操作简便，并且能够根据需要灵活制作含不同形态特征的利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，解决节理岩体制样的操作困难和节理形态制样不理想的问题。

本发明的目的是这样实现的：该节理岩体类岩试样的制备方法包括：结构面设计及模具打印、制样盒与模具的组装、浇筑相似材料和拆模及试样养护；首先根据研究需要自行设计结构面或通过表面轮廓扫描技术获取实际岩体结构面形貌；在三维绘图软件中将设计结构面穿过完整圆柱体模型后，通过布尔运算获得分割得到的两部分互补试块模型，利用3D打印机将两部分试块模型分别打印成型；将打印模具分别置于两个制样盒中并组装完成，向制样盒中浇筑相似材料，待其凝固成型后拆模养护；将两部分试块正确组合得到含有设计结构面的标准试样。

具体步骤如下：

a.结构面设计及模具打印：

依据传统室内单轴试验与三轴试验所采用的标准试样尺寸，将目标试样设计为直径50mm，高度100mm的圆柱体；根据研究对象粗糙度的特点，设计结构面的起伏形态，或者利用表面轮廓扫描技术获取既有裂隙岩体结构面起伏形态；通过三维绘图软件(例如CAD)绘制设计尺寸的完整圆柱体，再将设计结构面以一定位置及角度穿过圆柱体，通过布尔运算分别得到圆柱体被分割后形成的两个独立部分，将它们分别导出为后缀为“.STL”格式的模型文件；将后缀为“.STL”格式的模型文件导入3D打印机配套软件中，选择0.1mm或者更高精度，用3D打印机分别将两部分打印出来形成两块互补的模具，该尺寸试样的打印时间约为2h；

b.制样盒与模具的组装：

制样盒包括一块底板、一块顶板、两块侧模板和两套螺栓；在制样盒组装前，先在顶底板、侧模板和打印模具接触试样的面上抹上薄层凡士林，以便于减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦并且便于后续拆模；组装制样盒与模具：首先，底板平置，将一块侧模板立于底板上；然后把打印模具的一块紧贴侧模板置于底板上，将另一块侧模板同样安置于底板上并与第一块侧模板合上，将螺栓穿过侧模板上的固定耳并拧紧螺母；同样，将另一块打印模具置于制样盒中组装好；

c.浇筑相似材料：

将配置好的相似材料一层一层填置于制样盒中，并置于振动台上充分振捣；振捣完毕后将表面抹平并装上顶板；

d.拆模及试样养护：

浇筑完成24h左右后，相似材料凝固成型，可进行模具拆卸；首先，将侧模板上的螺母外旋松动螺栓，取下顶板；随后拧开螺母，卸下螺栓，稍微倾斜制样盒并取下位于上方的侧模板；轻轻取出试样块和打印模具，并将其分离；以同样的方式取出另一半试样块；两试样块可以完美拼合成为一个圆柱体试样；然后，将试块放入养护箱内养护28天以达到预期强度。

对于结构面设计，根据研究需要自行设计不同粗糙度的结构面，或者通过表面轮廓扫描技术获得实际工程岩体结构面形貌；通过三维绘图软件建立被设计结构面切割形成的两部分试块模型，并通过3D打印机打印成形。

在制样过程中，打印模具所受到的力不大，所以打印模具强度要求不需要很高，适当减小模具打印的充填率以节约打印时间和打印材料。

在制样盒与模具的组装前，在其接触相似材料试样的面上涂抹薄层凡士林或黄油，以减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦且便于后续拆模。

如需要使结构面分割形成的两部分试块间具有一定粘结力，则可以使用已凝固成型的一部分试块代替打印模具，采用相同步骤浇筑另一部分试块，如此得到的两部分试块间会存在一定的粘结力。

有益效果，由于采用了上述方案，灵活地将3D打印技术运用于节理岩体相似模型试样的制作，制样过程简单快捷，并且能够根据研究需要设计并制作含各种复杂多变的结构面的节理岩体相似模型标准试样，用于单轴压缩和三轴压缩试验研究结构面对节理岩体力学性质的影响。该技术方案与现有技术方案相比，具有如下特点：

1)本发明中的技术方法较传统方法操作更安全、更简便。

2)运用本发明中的技术方法可以更巧妙灵活的在标准试样中嵌入各种复杂多变的结构面，甚至可以利用表面轮廓扫描等技术制作与再现实际岩体结构面形貌特征，从而获得更科学合理的试验结果。

解决了节理岩体制样的操作困难和节理形态制样不理想的问题，达到了本发明的目的。

附图说明：

图1为本发明制样盒立体图。

图2为本发明制样盒纵剖面图。

图3为本发明制样盒顶视图。

图4为本发明顶、底板前视图与顶视图。

图5为本发明模具放置示意图。

图中：1、顶板；2、底板；3、侧模板；4、固定耳；5、螺栓；6、打印模具。

具体实施方式

实施例1：

该节理岩体类岩试样的制备方法包括：结构面设计及模具打印、制样盒与模具的组装、浇筑相似材料和拆模及试样养护；首先根据研究需要自行设计结构面或通过表面轮廓扫描技术获取实际岩体结构面形貌；在三维绘图软件中将设计结构面穿过完整圆柱体模型后，通过布尔运算获得分割得到的两部分互补试块模型，利用3D打印机将两部分试块模型分别打印成型；将打印模具分别置于两个制样盒中并组装完成，向制样盒中浇筑相似材料，待其凝固成型后拆模养护；将两部分试块正确组合得到含有设计结构面的标准试样；制取含有复杂结构面的节理岩体，配合表面轮廓扫描技术再现实际岩体结构面。

具体步骤如下：

a.结构面设计及模具打印：

依据传统室内单轴试验与三轴试验所采用的标准试样尺寸，将目标试样设计为直径50mm，高度100mm的圆柱体；根据研究对象粗糙度的特点，设计结构面的起伏形态，或者利用表面轮廓扫描技术获取既有裂隙岩体结构面起伏形态；通过三维绘图软件(例如CAD)绘制设计尺寸的完整圆柱体，再将设计结构面以一定位置及角度穿过圆柱体，通过布尔运算分别得到圆柱体被分割后形成的两个独立部分，将它们分别导出为后缀为“.STL”格式的模型文件；将后缀为“.STL”格式的模型文件导入3D打印机配套软件中，选择0.1mm或者更高精度，用3D打印机分别将两部分打印出来形成两块互补的模具，该尺寸试样的打印时间约为2h；

b.制样盒与模具的组装：

制样盒包括一块底板、一块顶板、两块侧模板和两套螺栓；在制样盒组装前，先在顶底板、侧模板和打印模具接触试样的面上抹上薄层凡士林，以便于减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦并且便于后续拆模；组装制样盒与模具：首先，底板平置，将一块侧模板立于底板上；然后把打印模具的一块紧贴侧模板置于底板上，将另一块侧模板同样安置于底板上并与第一块侧模板合上，将螺栓穿过侧模板上的固定耳并拧紧螺母；同样，将另一块打印模具置于制样盒中组装好；

c.浇筑相似材料：

将配置好的相似材料一层一层填置于制样盒中，并置于振动台上充分振捣；振捣完毕后将表面抹平并装上顶板；

d.拆模及试样养护：

浇筑完成24h左右后，相似材料凝固成型，可进行模具拆卸；首先，将侧模板上的螺母外旋松动螺栓，取下顶板；随后拧开螺母，卸下螺栓，稍微倾斜制样盒并取下位于上方的侧模板；轻轻取出试样块和打印模具，并将其分离；以同样的方式取出另一半试样块；两试样块可以完美拼合成为一个圆柱体试样；然后，将试块放入养护箱内养护28天以达到预期强度。

对于结构面设计，根据研究需要自行设计不同粗糙度的结构面，或者通过表面轮廓扫描技术获得实际工程岩体结构面形貌；通过三维绘图软件建立被设计结构面切割形成的两部分试块模型，并通过3D打印机打印成形。

在制样过程中，打印模具所受到的力不大，所以打印模具强度要求不需要很高，适当减小模具打印的充填率以节约打印时间和打印材料。

在制样盒与模具的组装前，在其接触相似材料试样的面上涂抹薄层凡士林或黄油，以减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦且便于后续拆模。

如需要使结构面分割形成的两部分试块间具有一定粘结力，则可以使用已凝固成型的一部分试块代替打印模具，采用相同步骤浇筑另一部分试块，如此得到的两部分试块间会存在一定的粘结力。

Claims (5)

1.一种利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，其特征是：该节理岩体类岩试样的制备方法包括：结构面设计及模具打印、制样盒与模具的组装、浇筑相似材料和拆模及试样养护；首先根据研究需要自行设计结构面或通过表面轮廓扫描技术获取实际岩体结构面形貌；在三维绘图软件中将设计结构面穿过完整圆柱体模型后，通过布尔运算获得分割得到的两部分互补试块模型，利用3D打印机将两部分试块模型分别打印成型；将打印模具分别置于两个制样盒中并组装完成，向制样盒中浇筑相似材料，待其凝固成型后拆模养护；将两部分试块正确组合得到含有设计结构面的标准试样；

对于结构面设计，根据研究需要自行设计不同粗糙度的结构面，或者通过表面轮廓扫描技术获得实际工程岩体结构面形貌；通过三维绘图软件建立被设计结构面切割形成的两部分试块模型，并通过3D打印机打印成形；

在制样过程中，打印模具所受到的力不大，所以打印模具强度要求不需要很高，适当减小模具打印的充填率以节约打印时间和打印材料；

在制样盒与模具的组装前，在其接触相似材料试样的面上涂抹薄层凡士林或黄油，以减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦且便于后续拆模；

如需要使结构面分割形成的两部分试块间具有一定粘结力，则可以使用已凝固成型的一部分试块代替打印模具，采用相同步骤浇筑另一部分试块，如此得到的两部分试块间会存在一定的粘结力。

2.根据权利要求1所述的利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，其特征是：所述的结构面设计及模具打印：依据传统室内单轴试验与三轴试验所采用的标准试样尺寸，将目标试样设计为直径50mm，高度100mm的圆柱体；根据研究对象粗糙度的特点，设计结构面的起伏形态，或者利用表面轮廓扫描技术获取既有裂隙岩体结构面起伏形态；通过三维绘图软件绘制设计尺寸的完整圆柱体，再将设计结构面以一定位置及角度穿过圆柱体，通过布尔运算分别得到圆柱体被分割后形成的两个独立部分，将它们分别导出为后缀为“.STL”格式的模型文件；将后缀为“.STL”格式的模型文件导入3D打印机配套软件中，选择0.1mm或者更高精度，用3D打印机分别将两部分打印出来形成两块互补的模具，该尺寸试样的打印时间约为2h。

3.根据权利要求1所述的利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，其特征是：所述的制样盒与模具的组装：制样盒包括一块底板、一块顶板、两块侧模板和两套螺栓；在制样盒组装前，先在顶底板、侧模板和打印模具接触试样的面上抹上薄层凡士林，以便于减小浇筑相似材料时侧壁的摩擦并且便于后续拆模；组装制样盒与模具：首先，底板平置，将一块侧模板立于底板上；然后把打印模具的一块紧贴侧模板置于底板上，将另一块侧模板同样安置于底板上并与第一块侧模板合上，将螺栓穿过侧模板上的固定耳并拧紧螺母；同样，将另一块打印模具置于制样盒中组装好。

4.根据权利要求1所述的利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，其特征是：所述的浇筑相似材料：将配置好的相似材料一层一层填置于制样盒中，并置于振动台上充分振捣；振捣完毕后将表面抹平并装上顶板。

5.根据权利要求1所述的利用3D打印制作含特定几何特征结构面的节理试样方法，其特征是：所述的拆模及试样养护：浇筑完成24h左右后，相似材料凝固成型，可进行模具拆卸；首先，将侧模板上的螺母外旋松动螺栓，取下顶板；随后拧开螺母，卸下螺栓，稍微倾斜制样盒并取下位于上方的侧模板；轻轻取出试样块和打印模具，并将其分离；以同样的方式取出另一半试样块；两试样块可以完美拼合成为一个圆柱体试样；然后，将试块放入养护箱内养护28天以达到预期强度。