CN109001237B - 一种基于ct扫描和3d打印的岩体内部结构制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，包括以下步骤：岩体试样CT扫描，获取多个二维断层扫描图像；将多个二维断层扫描图像分割为孔隙裂隙区、结构疏松区、低密度区和密实区，对分割后的图像进行三维结构模型重建；将重建后的三维结构模型发送至3D打印机进行岩体试样的实体打印；其中，结构疏松区采用粗颗粒矿砂逐层打印喷胶，低密度区采用粗颗粒矿砂和中颗粒矿砂逐层打印喷胶，密实区采用粗颗粒矿砂、中颗粒矿砂和细颗粒矿砂逐层交替打印并喷胶。本发明方法可复原岩体内部结构，并制作出力学性能与原始岩样相同的试样，为岩石的力学性能研究提供了新思路，为人工复原岩体内部结构提供新方法。

Description

一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法。
背景技术
岩体在形成过程中由于地质作用及环境作用往往形成非均匀、不连续的内部结构，如各种孔隙和微裂隙等缺陷，对岩体的各项力学性能产生重大的影响。尤其是结构疏松区和低密度区，由于其不规则、非致密、连续性差而实验室制样难以模拟的的特点，是岩石力学性能研究的难点问题，对其的研究在工程领域具有重大的意义。
在岩石力学与工程领域，研究岩体的各项力学性能的手段主要有现场原位实验和室内模型实验。其中现场原位实验工程量大，成本高，环境污染严重，实验结果离散性大，费事费力，且即使从同一地方开采的天然岩样其内部结构也不会完全相同，不适于普遍应用于各项工程与实验研究；而室内模型实验通过人工制样的方法难以获得内部缺陷完全一致的试样，且无法还原天然岩体内部的真实结构，对实验研究结果产生不利影响。
CT扫描技术通过X射线断层扫描能精确获得岩体内部真实信息，3D打印技术的发展使得获取内部结构完全一致的试样成为可能，将两项技术结合起来为岩土工程领域的研究提供了新的思路。但是，如何制作出力学性能和内部结构均与天然岩石试样相同的试样，依然是岩土工程领域研究的难题。
发明内容
为了解决这一问题，本发明提出一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法。可复原岩体内部结构，反映其内部结构信息的新型试样制作方法；通过该方法制作出了力学性能与原始岩样相同的试样，为岩石的力学性能研究提供了新思路，为人工复原岩体内部结构提供了新方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，包括以下步骤：
步骤1，对岩体试样进行CT扫描，顺序获取岩体试样的多个二维断层扫描图像，并存储为扫描数据；
步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维结构模型重建；包含以下子步骤：
子步骤2a，对扫描数据进行滤波处理，渲染；
子步骤2b，对岩体试样中的密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区分别设定阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像；
子步骤2c，对密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区进行定量分析，获取密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数；
子步骤2d，对所述密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，获得密实区的三维模型文件、低密度区的三维模型文件、结构疏松区的三维模型文件和孔隙裂隙区的三维模型文件；
步骤3，将重建后的三维结构模型发送至3D打印机，打印机对接收到的三维结构模型进行岩体试样的实体打印；包含以下子步骤：
子步骤3a，对岩体试样进行硬度测试，取与岩体试样硬度相同的矿砂材料作为打印材料；
子步骤3b，将所述密实区的三维模型文件、低密度区的三维模型文件、结构疏松区的三维模型文件和孔隙裂隙区的三维模型文件输入到3D打印机；
子步骤3c，3D打印机采用与岩体试样的密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区分别对应的密实区打印材料、低密度区打印材料、结构疏松区打印材料和孔隙裂隙区打印材料，进行岩体试样的实体模型打印；
本发明的特点及进一步改进为：
优选的，步骤3c中，所述密实区的打印方式为：先采用粗颗粒矿砂材料打印底层，喷胶，再在粗颗粒矿砂材料的空隙中填充中颗粒矿砂材料，喷胶，然后在中颗粒矿砂材料空隙中填充细颗粒矿砂材料，重复进行，自下而上逐层打印；所述低密度区的打印方式为：先采用粗颗粒矿砂材料打印底层，喷胶，再在粗颗粒矿砂材料的空隙中填充中颗粒矿砂材料，喷胶，自下而上逐层打印；所述结构疏松区的打印方式为：采用粗颗粒矿砂材料自下而上逐层打印，相邻两层之间喷胶粘接。
优选的，子步骤3c中，所述密实区打印材料为粗颗粒矿砂材料、中颗粒矿砂材料和细颗粒矿砂材料，所述低密度区打印材料为粗颗粒矿砂材料和中颗粒矿砂材料，所述结构疏松区打印材料为粗颗粒矿砂材料，所述孔隙裂隙区打印材料为网格支撑材料。
优选的，子步骤3c中，所述粗颗粒矿砂材料粒径范围为0.5mm-1mm，中颗粒矿砂材料粒径范围为0.25mm-0.5mm，细颗粒矿砂材料粒径范围为0.10mm-0.25mm。
优选的，子步骤2c中，子步骤2c中，所述密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数分别为密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区的体积参数、形状参数和位置参数。
优选的，子步骤2c中，所述定量分析为对密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像分别进行数据处理，对应得到密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数。
优选的，步骤2b中，所述孔隙裂缝区的阈值范围为-292Hu～1249Hu。
优选的，步骤1中，对岩体试样进行CT扫描时，选择间距为0.5mm进行连续扫描。
本发明中，孔隙裂隙区为裂隙宽度或孔隙孔径超过0.1mm的裂隙或孔隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供一种根据岩体内部结构的密实程度来区分识别的3D打印方法，该方法运用数字岩心处理技术，通过选取硬度与原始岩样颗粒基本一致的矿砂颗粒，根据级配原理采用不同粒径的该矿砂颗粒作为打印基材，制作出与原始岩样内部结构基本一致的3D打印试样，且能够保持岩石力学特征与原始岩样的一致性。本方法能够制备出内部密实程度与原始岩样一致的3D打印试样，为岩石物理、力学实验研究提供了新的手段，同时为人工复原岩体内部密实程度的结构提供了新的方法。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法的步骤流程图。
图2为本发明的密实区的矿砂材料打印示意图。
图3为本发明的低密度区的矿砂材料打印示意图。
图4为本发明的结构疏松区的矿砂材料打印示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，以下实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1-图4，本发明实施例提供的一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，包括以下步骤：
(1)采用工业CT机对直径为50mm，高度100mm的砂岩圆柱试样进行CT扫描，顺序获取砂岩圆柱试样的多个二维断层扫面图像；
工业CT机为nanoVoxel4000CT机，该设备最高空间分辨率为500nm，最大标称分辨率为100nm，该CT机对砂岩圆柱试样沿横断面间隔0.05mm进行扫描，获取了多个二维横断面扫描图像，并以DICOM格式存储为扫描数据；
(2)将采集的数据使用Media Filter功能进行滤波处理；使用Volume Render功能，基于灰度值，进行渲染；设定砂岩圆柱试样中的密实区阈值范围为2180Hu～297Hu，低密度区阈值范围为1551Hu～2179Hu，结构疏松区阈值范围为1250Hu～1550Hu，孔隙裂隙区-292Hu～1249Hu；添加Interactive Thresholding命令实现数据的分割，获得砂岩圆柱试样中的密实区三维结构信息，低密度区三维结构信息、结构疏松区三维结构信息和孔隙裂隙区三维结构信息；使用Analysis Filter命令剔除不需要的样品点，并逐层分割标定，得到每层的分区显示二维断层扫描图像
(3)添加Lable Analysis功能对孔隙裂隙区、结构疏松区、低密度区和密实区分别进行定量分析，基于CT数比较各部分的密度差异，获得孔隙裂隙区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数、低密度区三维空间参数和密实区三维空间参数。
对孔隙裂隙区、结构疏松区、低密度区和密实区分别进行三维模型重建，分别获得孔隙裂隙区三维模型STL文件、结构疏松区三维模型STL文件、低密度区三维模型STL文件和密实区三维模型STL文件。
孔隙裂隙区三维模型STL文件包含了砂岩圆柱试样中所有孔隙直径和裂隙宽度大于0.1mm区域的体积、形状和位置分布信息，结构疏松区三维模型STL文件包含了砂岩圆柱试样中所有结构疏松区域的体积、形状和位置分布信息，低密度区三维模型STL文件包含了砂岩圆柱试样中的所有密度较小结构完整区域的体积、形状和位置分布信息，密实区三维模型STL文件包含了所有结构紧密区域的体积、形状和位置信息。
(4)采用摩氏硬度计对砂岩圆柱试样进行硬度测试，得砂岩圆柱试样的摩氏硬度为7.0，选取与砂岩圆柱试样硬度相似的GS19矿砂粉末作为打印基材。
将上述孔隙裂隙区三维模型STL文件、结构疏松区三维模型STL文件、低密度区三维模型STL文件和密实区三维模型STL文件分别发送至3D打印机，3D打印机采用与砂岩圆柱试样的孔隙裂隙区、结构疏松区、低密度区和密实区相对应的打印材料和打印方式进行打印。
其中，选择不同粒径的GS19矿砂粉末作为打印基材，选择呋喃树脂作为胶结剂，按照铺一层砂喷一层胶的方式自下而上实现打印。将不同粒径的GS19矿砂粉末分装在3D打印机的多个材料盛装盒中，当一种材料的打印完成后换上另一种材料继续进行打印即可。对于砂岩圆柱试样，选择粗颗粒粒径为0.5-1.0mm、中颗粒粒径为0.25-0.5mm，细颗粒粒径为小于0.1-0.25mm，且颗粒形状圆滑的矿砂材料进行打印。密实区采用粗、中、细三种颗粒粒径，按照间隔喷洒不同粒径的材料并层层喷胶的形式进行打印，实现粗颗粒空隙由中颗粒填充，中颗粒空隙由细颗粒填充，如此逐级填充并粘结进而形成致密的状态；对于低密度区，选择粗颗粒和中颗粒按照自下而上逐层打印，相邻两层之间喷胶粘结的方式进行打印；对于结构疏松区，采用粗颗粒矿粉材料自下而上逐层打印，且相邻两层间喷胶；对于孔隙裂隙区选用网格支撑材料进行打印。进一步地，对于孔隙直径或裂隙宽度在0.1mm以下的孔隙和裂隙不作任何处理，按照密实区进行打印。
上述实施例中，对制得的砂岩圆柱试样实体模型进行摩式硬度测试，得该砂岩圆柱试样实体模型的摩式硬度为7.0，说明本发明方法可制作出力学性能与原始岩样一致的岩样实体模型，为岩体的物理、力学性能的研究提供新的方法。
上述3D打印砂岩圆柱试样的方法，按砂岩的内部结构密实程度来划分，能够真实还原砂岩内部结构，通过选取硬度与砂岩圆柱试样基本一致的矿砂颗粒作为打印材料，能够保持岩石力学特征的一致性；根据级配原理采用不同粒径的该矿砂颗粒作为打印基材，制作出与原始岩样内部结构基本一致的3D打印试样。本方法能够制备出内部密实程度与原始岩样一致的3D打印试样，为岩石物理、力学实验研究提供了新的手段，同时为人工复原岩体内部密实程度提供了新的方法。
上述实施例中，砂岩圆柱试样的摩氏硬度测试方法为：选择砂岩圆柱试样的尖锐位置，在已知硬度的平面型矿物硬度计平面进行刻划，刻划硬度的测试由低至高依次进行。观察硬度计平面有无刻面，轻擦平面，以防被测样品的粉末留在硬度计上，影响判断失误。若硬度计平面有划痕，则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高一级的硬度计，直至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为止。
需要说明的是，由于层层喷胶，而随着矿粉粒径的变化，其比表面积相应变化，进而使喷胶的相对密实度产生了变化，级配越好，胶水粘结面积越大。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对岩体试样进行CT扫描，顺序获取岩体试样的多个二维断层扫描图像，并存储为扫描数据；
步骤2，对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，并对分割后的图像进行三维结构模型重建；包含以下子步骤：
子步骤2a，对扫描数据进行滤波处理，渲染；
子步骤2b，对岩体试样中的密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区分别设定阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行图像分割，对应得到密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像；
子步骤2c，对密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区进行定量分析，分别获取密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数；
子步骤2d，对所述密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，获得密实区的三维模型文件、低密度区的三维模型文件、结构疏松区的三维模型文件和孔隙裂隙区的三维模型文件；
步骤3，将重建后的三维结构模型发送至3D打印机，打印机对接收到的三维结构模型进行岩体试样的实体打印；包含以下子步骤：
子步骤3a，对岩体试样进行硬度测试，取与岩体试样硬度相同的矿砂材料作为打印材料；
子步骤3b，将所述密实区的三维模型文件、低密度区的三维模型文件、结构疏松区的三维模型文件和孔隙裂隙区的三维模型文件输入到3D打印机；
子步骤3c，3D打印机采用与岩体试样的密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区分别对应的密实区打印材料、低密度区打印材料、结构疏松区打印材料和孔隙裂隙区打印材料，进行岩体试样的实体模型打印；
其中，所述密实区的打印方式为：先采用粗颗粒矿砂材料打印底层，喷胶，再在粗颗粒矿砂材料的空隙中填充中颗粒矿砂材料，喷胶，然后在中颗粒矿砂材料空隙中填充细颗粒矿砂材料，重复进行，自下而上逐层打印；所述低密度区的打印方式为：先采用粗颗粒矿砂材料打印底层，喷胶，再在粗颗粒矿砂材料的空隙中填充中颗粒矿砂材料，喷胶，自下而上逐层打印；所述结构疏松区的打印方式为：采用粗颗粒矿砂材料自下而上逐层打印，相邻两层之间喷胶粘接；
所述粗颗粒矿砂材料粒径范围为0.5mm-1mm，中颗粒矿砂材料粒径范围为0.25mm-0.5mm，细颗粒矿砂材料粒径范围为0.10mm-0.25mm。
2.根据权利要求1所述的基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，子步骤3c中，所述密实区打印材料为粗颗粒矿砂材料、中颗粒矿砂材料和细颗粒矿砂材料，所述低密度区打印材料为粗颗粒矿砂材料和中颗粒矿砂材料，所述结构疏松区打印材料为粗颗粒矿砂材料，所述孔隙裂隙区打印材料为网格支撑材料。
3.根据权利要求1所述的基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，子步骤2c中，所述密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数分别为密实区、低密度区、结构疏松区和孔隙裂隙区的体积参数、形状参数和位置参数。
4.根据权利要求1所述的基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，子步骤2c中，所述定量分析为对密实区的多个二维断层扫描图像、低密度区的多个二维断层扫描图像、结构疏松区的多个二维断层扫描图像和孔隙裂隙区的多个二维断层扫描图像分别进行数据处理，对应得到密实区三维空间参数、低密度区三维空间参数、结构疏松区三维空间参数和孔隙裂隙区三维空间参数。
5.根据权利要求1所述的基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，步骤2b中，所述孔隙裂隙区的阈值范围为-292Hu～1249Hu。
6.根据权利要求1所述的基于CT扫描和3D打印的岩体内部结构制作方法，其特征在于，步骤1中，对岩体试样进行CT扫描时，选择间距为0.5mm进行连续扫描。
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