CN108437155B

CN108437155B - 一种大型复杂地质物理模型3d成型机

Info

Publication number: CN108437155B
Application number: CN201810383868.2A
Authority: CN
Inventors: 冯夏庭; 龚彦华; 张希巍; 李正伟; 田军; 祝国强; 卢高明
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: CN108437155A

Abstract

一种大型复杂地质物理模型3D成型机，包括三轴模型打印组件及模型承载与转运组件；三轴模型打印组件包括打印框架、Z向升降部件、Y向水平移动部件、X向水平移动部件及打印头；Z向升降部件安装在打印框架内，Y向水平移动部件安装在Z向升降部件上，X向水平移动部件安装在Y向水平移动部件上，X向水平移动部件上用于安装打印头，且至少为两个；模型承载与转运组件包括支撑框架、模型成型围板、围板升降驱动缸、模型承载转运台及转运框架；在Y向水平移动部件上安装有模型压实气缸，模型压实气缸竖直设置且活塞杆朝下，在模型压实气缸活塞杆端部水平安装有模型压实辊。本发明在物理模型制作过程中可对其密实度进行调整，可打印两种以上材料。

Description

一种大型复杂地质物理模型3D成型机

技术领域

本发明属于大型三维物理模型制备技术领域，特别是涉及一种大型复杂地质物理模型3D成型机。

背景技术

通过物理模型试验来模拟自然岩体工程开挖过程，是预测和预报大型岩体工程地质灾害的重要方法。目前，大型物理模型通常采用浇筑法、捣实法及小块砌筑法进行制作，但通过这些传统方法制作的物理模型的结构较为单一，并且无法制作出内部含有断层、褶皱及层理等结构面的物理模型。

3D打印技术是一种将复杂的物体层层切片后再堆叠起来形成一个完整物体的方法，因此，3D打印技术为制作内部含有不同类型结构面的物理模型提供了一种新思路。

目前，用于制作物理模型的3D打印方法主要有两种，一种是光固化法，另一种是三维喷涂粘结法。光固化法是利用光敏树脂在一定波长照射下可以固化的特点进行物理模型的制作。三维喷涂粘结法是利用滚筒将粉末材料铺成一层，然后在计算机控制下，按照下一个建造截面的成型数据有选择的喷射粘结剂来建造层面，最终完成一个三维粉体粘结模型。

尽管上述两种3D打印方法可以内部含有不同类型结构面的物理模型，但是，对于制作大型复杂地质物理模型仍存在不足：1、由于大型复杂地质物理模型需要由岩体相似材料制成，而岩体相似材料通常由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成，但由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成岩体相似材料是无法应用于上述两种3D打印方法的；2、制作物理模型时无法对密实度进行调整；3、只能打印一种材料，不能同时打印两种以上的材料。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大型复杂地质物理模型3D成型机，适用于由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成岩体相似材料，在物理模型制作过程中可以对密实度进行调整，满足同时打印两种以上材料的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大型复杂地质物理模型3D成型机，包括三轴模型打印组件及模型承载与转运组件；所述三轴模型打印组件包括打印框架、Z向升降部件、Y向水平移动部件、X向水平移动部件及打印头；所述Z向升降部件安装在打印框架内，Y向水平移动部件安装在Z向升降部件上，X向水平移动部件安装在Y向水平移动部件上，X向水平移动部件上用于安装打印头；所述模型承载与转运组件包括支撑框架、模型成型围板、围板升降驱动缸、模型承载转运台及转运框架；所述三轴模型打印组件通过打印框架固装在支撑框架上，支撑框架固装在地基上，在地基内分别设置有围板基坑和升降驱动缸基坑，所述模型成型围板位于围板基坑内，所述围板升降驱动缸位于升降驱动缸基坑内，围板升降驱动缸的活塞杆固连在模型成型围板上，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型成型围板进行升降；在所述支撑框架的顶部安装有第一导轨，在所述转运框架的顶部安装有第二导轨，第一导轨与第二导轨对接配合，第一导轨与第二导轨对接后互为各自的延长导轨；在所述模型承载转运台下部安装有行走轮，模型承载转运台通过行走轮沿第一导轨和第二导轨直线移动；在所述模型承载转运台与转运框架之间连接有承载转运台驱动缸，承载转运台驱动缸与第一导轨及第二导轨相平行，承载转运台驱动缸的缸筒固连在转运框架上，承载转运台驱动缸的活塞杆通过螺栓锁具与模型承载转运台相连，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型承载转运台进行直线移动；所述转运框架下方的地面上设置有第三导轨，第三导轨通过导轨基座固装在地面上，第三导轨与第一导轨及第二导轨相垂直，在转运框架底部安装有滑块，转运框架通过转运滑块沿第三导轨直线移动；在所述转运框架与导轨基座之间连接有转运框架驱动缸，转运框架驱动缸与第三导轨相平行，转运框架驱动缸的缸筒固连在导轨基座上，转运框架驱动缸的活塞杆与转运框架相连接，通过活塞杆的伸缩动作驱动转运框架进行直线移动。

所述Z向升降部件包括Z向升降梁、Z向升降驱动电机、Z向丝杠、Z向丝母及Z向导杆；所述Z向丝杠竖直安装在打印框架上，Z向丝杠上端通过轴承与打印框架相连，Z向丝杠下端与Z向升降驱动电机相连，Z向升降驱动电机固装在打印框架上；所述Z向丝母套装在Z向丝杠上，所述Z向升降梁与Z向丝母固装在一起，Z向升降梁通过Z向丝母沿Z向丝杠直线移动；所述Z向导杆安装在Z向丝杠侧部，Z向导杆与Z向丝杠相平行，在所述Z向升降梁开设有Z向导杆导向孔。

所述Y向水平移动部件包括Y向水平移动驱动电机、Y向水平移动梁、Y向水平移动板、Y向齿条导轨、Y向驱动齿轮及Y向滑块；所述Y向齿条导轨固装在Z向升降梁上，Y向齿条导轨与Z向丝杠相垂直；所述Y向水平移动板通过Y向滑块安装在Y向齿条导轨的导轨部分上，Y向水平移动板通过Y向滑块沿Y向齿条导轨直线移动；所述Y向水平移动驱动电机固装在Y向水平移动板上，所述Y向驱动齿轮与Y向水平移动驱动电机20的电机轴相连，且Y向驱动齿轮与Y向齿条导轨的齿条部分相啮合；所述Y向水平移动梁固装在Y向水平移动板上。

所述X向水平移动部件包括X向水平移动驱动电机、X向水平移动板、X向齿条导轨、X向驱动齿轮及X向滑块；所述X向齿条导轨固装在Y向水平移动梁上，X向齿条导轨与Y向齿条导轨相垂直；所述X向水平移动板通过X向滑块安装在X向齿条导轨的导轨部分上，X向水平移动板通过X向滑块沿X向齿条导轨直线移动；所述X向水平移动驱动电机固装在X向水平移动板上，所述X向驱动齿轮与X向水平移动驱动电机的电机轴相连，且X向驱动齿轮与X向齿条导轨的齿条部分相啮合；所述X向水平移动板用于安装打印头，打印头数量至少为两个。

在所述Y向水平移动板上安装有模型压实气缸，模型压实气缸竖直设置且活塞杆朝下，在模型压实气缸的活塞杆端部水平安装有模型压实辊。

本发明的有益效果：

本发明的大型复杂地质物理模型3D成型机，适用于由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成岩体相似材料，在物理模型制作过程中可以对密实度进行调整，满足同时打印两种以上材料的要求。

附图说明

图1为本发明的一种大型复杂地质物理模型3D成型机的结构示意图；

图2为本发明的三轴模型打印组件的结构示意图；

图3为本发明的模型承载与转运组件的结构示意图；

图4为图1中I部放大图；

图5为本发明的X向水平移动部件的结构示意图；

图中，1—打印框架，2—支撑框架，3—模型成型围板，4—围板升降驱动缸，5—模型承载转运台，6—转运框架，7—第一导轨，8—第二导轨，9—行走轮，10—承载转运台驱动缸，11—螺栓锁具，12—第三导轨，13—导轨基座，14—转运滑块，15—转运框架驱动缸，16—Z向升降梁，17—Z向升降驱动电机，18—Z向丝杠，19—Z向导杆，20—Y向水平移动驱动电机，21—Y向水平移动梁，22—Y向水平移动板，23—Y向齿条导轨，24—Y向滑块，25—X向水平移动驱动电机，26—X向水平移动板，27—X向齿条导轨，28—X向驱动齿轮，29—X向滑块，30—模型压实气缸，31—模型压实辊，32—物理模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～5所示，一种大型复杂地质物理模型3D成型机，包括三轴模型打印组件及模型承载与转运组件；所述三轴模型打印组件包括打印框架1、Z向升降部件、Y向水平移动部件、X向水平移动部件及打印头；所述Z向升降部件安装在打印框架1内，Y向水平移动部件安装在Z向升降部件上，X向水平移动部件安装在Y向水平移动部件上，X向水平移动部件上用于安装打印头；所述模型承载与转运组件包括支撑框架2、模型成型围板3、围板升降驱动缸4、模型承载转运台5及转运框架6；所述三轴模型打印组件通过打印框架1固装在支撑框架2上，支撑框架2固装在地基上，在地基内分别设置有围板基坑和升降驱动缸基坑，所述模型成型围板3位于围板基坑内，所述围板升降驱动缸4位于升降驱动缸基坑内，围板升降驱动缸4的活塞杆固连在模型成型围板3上，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型成型围板3进行升降；在所述支撑框架2的顶部安装有第一导轨7，在所述转运框架6的顶部安装有第二导轨8，第一导轨7与第二导轨8对接配合，第一导轨7与第二导轨8对接后互为各自的延长导轨；在所述模型承载转运台5下部安装有行走轮9，模型承载转运台5通过行走轮9沿第一导轨7和第二导轨8直线移动；在所述模型承载转运台5与转运框架6之间连接有承载转运台驱动缸10，承载转运台驱动缸10与第一导轨7及第二导轨8相平行，承载转运台驱动缸10的缸筒固连在转运框架6上，承载转运台驱动缸10的活塞杆通过螺栓锁具11与模型承载转运台5相连，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型承载转运台5进行直线移动；所述转运框架6下方的地面上设置有第三导轨12，第三导轨12通过导轨基座13固装在地面上，第三导轨12与第一导轨7及第二导轨8相垂直，在转运框架6底部安装有滑块14，转运框架6通过转运滑块14沿第三导轨12直线移动；在所述转运框架6与导轨基座13之间连接有转运框架驱动缸15，转运框架驱动缸15与第三导轨12相平行，转运框架驱动缸15的缸筒固连在导轨基座13上，转运框架驱动缸15的活塞杆与转运框架6相连接，通过活塞杆的伸缩动作驱动转运框架6进行直线移动。

所述Z向升降部件包括Z向升降梁16、Z向升降驱动电机17、Z向丝杠18、Z向丝母及Z向导杆19；所述Z向丝杠18竖直安装在打印框架1上，Z向丝杠18上端通过轴承与打印框架1相连，Z向丝杠18下端与Z向升降驱动电机17相连，Z向升降驱动电机17固装在打印框架1上；所述Z向丝母套装在Z向丝杠18上，所述Z向升降梁16与Z向丝母固装在一起，Z向升降梁16通过Z向丝母沿Z向丝杠18直线移动；所述Z向导杆19安装在Z向丝杠18侧部，Z向导杆19与Z向丝杠18相平行，在所述Z向升降梁16开设有Z向导杆导向孔。

所述Y向水平移动部件包括Y向水平移动驱动电机20、Y向水平移动梁21、Y向水平移动板22、Y向齿条导轨23、Y向驱动齿轮及Y向滑块24；所述Y向齿条导轨23固装在Z向升降梁16上，Y向齿条导轨23与Z向丝杠18相垂直；所述Y向水平移动板22通过Y向滑块24安装在Y向齿条导轨23的导轨部分上，Y向水平移动板22通过Y向滑块24沿Y向齿条导轨23直线移动；所述Y向水平移动驱动电机20固装在Y向水平移动板22上，所述Y向驱动齿轮与Y向水平移动驱动电机20的电机轴相连，且Y向驱动齿轮与Y向齿条导轨23的齿条部分相啮合；所述Y向水平移动梁21固装在Y向水平移动板22上。

所述X向水平移动部件包括X向水平移动驱动电机25、X向水平移动板26、X向齿条导轨27、X向驱动齿轮28及X向滑块29；所述X向齿条导轨27固装在Y向水平移动梁21上，X向齿条导轨27与Y向齿条导轨23相垂直；所述X向水平移动板26通过X向滑块29安装在X向齿条导轨27的导轨部分上，X向水平移动板26通过X向滑块29沿X向齿条导轨27直线移动；所述X向水平移动驱动电机25固装在X向水平移动板26上，所述X向驱动齿轮28与X向水平移动驱动电机25的电机轴相连，且X向驱动齿轮28与X向齿条导轨27的齿条部分相啮合；所述X向水平移动板26用于安装打印头，打印头数量至少为两个。

在所述Y向水平移动板22上安装有模型压实气缸30，模型压实气缸30竖直设置且活塞杆朝下，在模型压实气缸30的活塞杆端部水平安装有模型压实辊31。

下面结合附图说明本发明的一次应用过程：

本实施例中，打印头数量设定为两个，两个打印头用于输出不同的材料，用于打印内部含有断层的物理模型，在打印过程中，通过两个打印头交替打印来形成物理模型的断层特征。

在初始状态，模型成型围板3完全位于围板基坑内，围板升降驱动缸4的活塞杆处于完全回缩状态，模型承载转运台5处于打印框架1内的打印工位。

启动打印程序，通过Z向升降部件、Y向水平移动部件及X向水平移动部件进行三轴联动，打印头每打印好一层，则打印头上升一个设定高度，同时模型成型围板3也相应上升一个相同的设定高度。

打印头每打印好一层后，则模型压实气缸30启动一次，并控制模型压实辊31输出一个设定下压量，然后启动Y向水平移动驱动电机20，控制Y向水平移动板22沿Y向齿条导轨23匀速运动，直到模型压实辊31完成对物理模型的一次压实，进而实现对物理模型的密实度调整。另外，还可以选择打印几层后再启动一次压实。

当物理模型完成最后一层打印和压实后，物理模型打印结束，等到物理模型结束养护期后，则可控制围板升降驱动缸4的活塞杆执行回缩动作，直到模型成型围板3落回到围板基坑内，而物理模型也将完全暴露出来。

接下来，控制承载转运台驱动缸10的活塞杆伸出，直到利用螺栓锁具11将活塞杆与模型承载转运台5固连在一起，然后控制承载转运台驱动缸10的活塞杆回缩，便可将载有物理模型的模型承载转运台5拉到转运框架6上，最后通过转运框架驱动缸15推动转运框架6，以使物理模型移动到加载试验位置，等待后续加载试验。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种大型复杂地质物理模型3D成型机，其特征在于：包括三轴模型打印组件及模型承载与转运组件；所述三轴模型打印组件包括打印框架、Z向升降部件、Y向水平移动部件、X向水平移动部件及打印头；所述Z向升降部件安装在打印框架内，Y向水平移动部件安装在Z向升降部件上，X向水平移动部件安装在Y向水平移动部件上，X向水平移动部件上用于安装打印头；所述模型承载与转运组件包括支撑框架、模型成型围板、围板升降驱动缸、模型承载转运台及转运框架；所述三轴模型打印组件通过打印框架固装在支撑框架上，支撑框架固装在地基上，在地基内分别设置有围板基坑和升降驱动缸基坑，所述模型成型围板位于围板基坑内，所述围板升降驱动缸位于升降驱动缸基坑内，围板升降驱动缸的活塞杆固连在模型成型围板上，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型成型围板进行升降；在所述支撑框架的顶部安装有第一导轨，在所述转运框架的顶部安装有第二导轨，第一导轨与第二导轨对接配合，第一导轨与第二导轨对接后互为各自的延长导轨；在所述模型承载转运台下部安装有行走轮，模型承载转运台通过行走轮沿第一导轨和第二导轨直线移动；在所述模型承载转运台与转运框架之间连接有承载转运台驱动缸，承载转运台驱动缸与第一导轨及第二导轨相平行，承载转运台驱动缸的缸筒固连在转运框架上，承载转运台驱动缸的活塞杆通过螺栓锁具与模型承载转运台相连，通过活塞杆的伸缩动作驱动模型承载转运台进行直线移动；所述转运框架下方的地面上设置有第三导轨，第三导轨通过导轨基座固装在地面上，第三导轨与第一导轨及第二导轨相垂直，在转运框架底部安装有滑块，转运框架通过转运滑块沿第三导轨直线移动；在所述转运框架与导轨基座之间连接有转运框架驱动缸，转运框架驱动缸与第三导轨相平行，转运框架驱动缸的缸筒固连在导轨基座上，转运框架驱动缸的活塞杆与转运框架相连接，通过活塞杆的伸缩动作驱动转运框架进行直线移动；所述Z向升降部件包括Z向升降梁、Z向升降驱动电机、Z向丝杠、Z向丝母及Z向导杆；所述Z向丝杠竖直安装在打印框架上，Z向丝杠上端通过轴承与打印框架相连，Z向丝杠下端与Z向升降驱动电机相连，Z向升降驱动电机固装在打印框架上；所述Z向丝母套装在Z向丝杠上，所述Z向升降梁与Z向丝母固装在一起，Z向升降梁通过Z向丝母沿Z向丝杠直线移动；所述Z向导杆安装在Z向丝杠侧部，Z向导杆与Z向丝杠相平行，在所述Z向升降梁开设有Z向导杆导向孔；所述Y向水平移动部件包括Y向水平移动驱动电机、Y向水平移动梁、Y向水平移动板、Y向齿条导轨、Y向驱动齿轮及Y向滑块；所述Y向齿条导轨固装在Z向升降梁上，Y向齿条导轨与Z向丝杠相垂直；所述Y向水平移动板通过Y向滑块安装在Y向齿条导轨的导轨部分上，Y向水平移动板通过Y向滑块沿Y向齿条导轨直线移动；所述Y向水平移动驱动电机固装在Y向水平移动板上，所述Y向驱动齿轮与Y向水平移动驱动电机20的电机轴相连，且Y向驱动齿轮与Y向齿条导轨的齿条部分相啮合；所述Y向水平移动梁固装在Y向水平移动板上；所述X向水平移动部件包括X向水平移动驱动电机、X向水平移动板、X向齿条导轨、X向驱动齿轮及X向滑块；所述X向齿条导轨固装在Y向水平移动梁上，X向齿条导轨与Y向齿条导轨相垂直；所述X向水平移动板通过X向滑块安装在X向齿条导轨的导轨部分上，X向水平移动板通过X向滑块沿X向齿条导轨直线移动；所述X向水平移动驱动电机固装在X向水平移动板上，所述X向驱动齿轮与X向水平移动驱动电机的电机轴相连，且X向驱动齿轮与X向齿条导轨的齿条部分相啮合；所述X向水平移动板用于安装打印头，打印头数量至少为两个；在所述Y向水平移动板上安装有模型压实气缸，模型压实气缸竖直设置且活塞杆朝下，在模型压实气缸的活塞杆端部水平安装有模型压实辊。