一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法技术

本发明专利技术所述的一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法，通过3D打印技术，将熔融状态的石英砂材料打印制作成复杂的透明岩体三维模型，用于岩体模型试验；本发明专利技术技术方案可以精确制作不规则形状的透明岩体，不仅可以在透明岩体内部精确布置三维裂缝或节理，而且可以在透明岩体内部精确布置隧道、空洞等构建物，且所选用的天然硅石材料制备的透明岩体透明度高、均匀性好、试样性质与天然岩体相似度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种3D打印技术，具体的涉及一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法，主要适用于岩石力学模型试验试样制备
研究背景岩体模型试验是研究岩体内部变形规律和机理的重要手段，对探索岩土工程问题的本质具有重要意义。传统的岩体试验技术中，人工制作的模拟天然岩体，由于受材料等因素限制而强度相对较低，同时测量元器件易受外界环境干扰，存在测量结果不够准确、不能获得连续位移场的问题。声发射技术的发展解决了岩体内部裂缝无法观测的问题，通过连续监测岩体内部发生破裂和破裂面间的摩擦滑动产生的超声波信息，分析得到岩体内部微裂纹的动态演变和岩体变形、破坏的微观机制；但是该方法仍未能实现岩体内部裂纹的可视化观测，且试验结果精度受试验噪音的影响较大。计算机层析扫描(CT扫描)、核磁共振成像技术(MRI)等试验方法，虽然可以切片式观察内部裂纹，但是由于受仪器空间限制而无法有效观测整体立体模型，也因其昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。近年来，相关学者利用透明的固体颗粒材料和与之折射率相匹配的孔隙液体制配成了饱和透明土，并结合数字图像处理技术实现了土体内部变形的可视化观测，同时其费用低廉，操作简便；利用透明材料制配透明岩石以研究相关岩石力学问题也有了一定的应用。在本专利技术专利之前，中国专利技术专利“便于预置内置裂隙的非饱和树脂脆性材料及制备试件方法”(专利号：ZL200810016784.1)，公开了一种利用不饱和聚酯树脂材料、过氧化甲乙酮和乙辛酸钴制备成的混合溶液在降温后凝固脱模制备透明岩体的技术方法；申请中国专利技术专利“高脆性透明类岩石材料试件制备方法”(申请号：201410036721.8)，公开了一种利用CY-39型树脂和YS-T31型固化剂混配，然后恒温养护制备透明岩体的技术方法。这两种技术方法制备的透明岩石具有脆性好、透明度高、易于成型的特点；但是其材料所采用的原材料都主要是非饱和树脂，与天然岩体在材料上存在明显的差异。学术论文“李元海，林志斌.透明岩体相似物理模拟试验新方法研究[J].岩土工程学报，2015，37(11)：
2030-2039.”，公开了一种利用硅粉、液体石蜡以及正十三烷在模型槽中制配软岩的技术方法；申请中国专利技术专利“天然硅石材料在制作透明岩石和透明岩体中的应用”(申请号：201410747627.3)，公开了一种利用天然硅石材料在高温下煅烧融化，然后在模具中自然冷却制备透明岩石的技术方法，该技术方法制备透明岩石具有材料来源广泛、透明度高、均匀性好、性质与天然岩石或岩体相似性高的特点；但是利用模具浇筑的方法存在制模麻烦、制作复杂形状困难以及浇筑过程中无法精确控制内部裂缝或者布置构建物等问题。因此，针对目前透明岩石或岩体模型制作方法中存在的不足与缺陷，结合3D打印技术和熔融石英砂颗粒材料，开发一种可以制作不规则形状的透明岩体、且在岩体内部精确布置三维裂缝或节理、隧道、空洞等构建物的技术方案，显得尤为重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服上述不足和缺陷，解决常规透明岩(石)体模型制备过程中，无法制作不规则复杂形状、无法精确布置内部三维裂缝或布置隧道、空洞等构建物的问题，提出一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法，通过3D打印技术，精确制作不规则形状的透明岩体，不仅可以在透明岩体内部精确布置三维裂缝或节理，而且可以在透明岩体内部精确布置隧道、空洞等构建物。为实现上述技术目的，本专利技术提出一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法包括如下步骤：(1)制备熔融浆液：对天然硅石材料依次进行筛选、熔融、破碎、酸洗以及水洗工艺步骤，挑选得到粒径在2～3mm之间的高纯度石英颗粒，将石英颗粒放入高温烧结炉中，在1600℃～2000℃下煅烧12～24小时得到熔融状态的浆液；(2)设计透明岩体三维模型：参照真实物理模型，利用计算机3D建模软件，建立缩尺的含三维裂隙或节理或构建物的不规则形状透明岩体三维模型；所述的透明岩体三维模型包括透明岩体的整体轮廓以及透明岩体内部裂纹或节理的长度、走向和宽度；所述的构建物为不同走向、长度以及截面形状尺寸的隧道或周围含裂缝的隧道或1～2条交叉隧道或含有溶洞的不规则形状地基；(3)搭建3D打印装置：3D打印装置包括计算机控制系统、制作承台、模型槽、移动系统、打印系统以及熔融系统，所述计算机控制系统包括计算机和数据线，计算机通过数据线与移动系统、打印系统以及熔融系统相连接；所述制作承台用于支撑所述模型槽；所述移动系统用于将打印装置精确定位在预打印位置的上方；所述熔融系统由熔融装置和浆液输送管组成，所述熔融装置为多组高温烧结炉，所述熔融装置通过数据线与计算机相连，所述计算机可以控制熔融装置内的温度；同时所述熔融装置通过浆液输送管与浆液储备槽相连，从而向浆液储备槽输送浆液；所述打印系统由浆液储备槽、打印喷头以及冷却装置组成，浆液储备槽通过浆液输送管与熔融装置相连接，所述打印喷头和冷却装置并排设置于所述浆液储备槽的下方；(4)打印透明岩体：将绘制得到的透明岩体三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整熔融装置与模型槽的相对位置、通过控制移动系统将打印装置精确定位在预打印位置的上方；定位完成后，熔融装置通过浆液输送管将熔融石英砂浆液输送至浆液储备槽；浆液储备槽下方的打印喷头将熔融石英砂浆液喷射到预打印的位置，打印喷头旁边的冷却装置及时将喷射完成的熔融石英砂浆液冷却凝固；打印完成后控制移动系统，将打印装置精确定位在另一处预打印位置的上方，重复上述步骤；打印至节理或裂缝的地方，采用熔融装置中另一组高温烧结炉向浆液储备槽供给彩色石英浆液或彩色黏土或硅藻土或陶瓷布进行打印；重复以上步骤，直至打印完成；(5)养护成型：打印施工完成后，在室温条件下冷却成型得到透明岩体。其中，所述透明岩体的形状为表面形状不规则的台体；或者为含有潜在破坏面的边坡；或者含有不规则形状地下溶洞的地基；所述透明岩体的材料为熔融石英砂。所述节理或裂纹的材料为耐高温的彩色、片状石英；或者耐高温的彩色、片状黏土；或者硅藻土；或者陶瓷布；其形式为模拟天然岩体的分布形式。所述计算机3D建模软件为AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks中的任意一种。具体地，所述移动系统包括环向滑轨、Z1滑轨、Z2滑轨、X滑轨以及位移
装置，所述环向滑轨设置于制作承台的四周并固定在制作承台的支撑腿上；所述Z1滑轨垂直于制作承台的表面并与X滑轨垂向连接；所述Z2滑轨与所述Z1滑轨平行并固定于X滑轨上，所述环向滑轨与Z1滑轨、Z1滑轨与X滑轨、X滑轨与Z2滑轨之间均通过移动装置相连接。优选地，所述环向滑轨的边角位置做圆弧处理，方便移动装置的移动，其材料为铝合金或钢材；所述Z1滑轨和Z2滑轨的长度根据模型槽的高度确定，材料为铝合金或钢材；所述X滑轨的长度根据模型槽的宽度确定，材料为铝合金或钢材。熔融装置的每个高温烧结炉的最高温度可达2500～3000℃，其炉膛为直径150mm、高度200mm的圆柱桶，其材料为耐超高温金属或石墨。所述浆液输送管的直径根据熔融装置出液端口尺寸确定，材料为耐超高温金属或石墨；所述打印喷头的出浆口为圆形，出浆口孔径根据打印速度要求确定，材料为耐超高温金属或石墨。所述制作承台的尺寸与打印本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法，其技术特征在于，包括以下步骤：(1)制备熔融浆液：对天然硅石材料依次进行筛选、熔融、破碎、酸洗以及水洗工艺步骤，挑选得到粒径在2～3mm之间的高纯度石英颗粒，将石英颗粒放入高温烧结炉中，在1600℃～2000℃下煅烧12～24小时得到熔融状态的浆液；(2)设计透明岩体三维模型：参照真实物理模型，利用计算机3D建模软件，建立缩尺的含三维裂隙或节理或构建物的不规则形状透明岩体三维模型；所述的透明岩体三维模型包括透明岩体的整体轮廓以及透明岩体内部裂纹或节理的长度、走向和宽度；所述的构建物为不同走向、长度以及截面形状尺寸的隧道或周围含裂缝的隧道或1～2条交叉隧道或含有溶洞的不规则形状地基；(3)搭建3D打印装置：3D打印装置包括计算机控制系统、制作承台、模型槽、移动系统、打印系统以及熔融系统，所述计算机控制系统包括计算机和数据线，计算机通过数据线与移动系统、打印系统以及熔融系统相连接；所述制作承台用于支撑所述模型槽；所述移动系统用于将打印装置精确定位在预打印位置的上方；所述熔融系统由熔融装置和浆液输送管组成，所述熔融装置为多组高温烧结炉，所述熔融装置通过数据线与计算机相连，所述计算机可以控制熔融装置内的温度；同时所述熔融装置通过浆液输送管与浆液储备槽相连，从而向浆液储备槽输送浆液；所述打印系统由浆液储备槽、打印喷头以及冷却装置组成，浆液储备槽通过浆液输送管与熔融装置相连接，所述打印喷头和冷却装置并排设置于所述浆液储备槽的下方；(4)打印透明岩体：将绘制得到的透明岩体三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整熔融装置与模型槽的相对位置、通过控制移动系统将打印装置精确定位在预打印位置的上方；定位完成后，熔融装置通过浆液输送管将熔融石英砂浆液输送至浆液储备槽；浆液储备槽下方的打印喷头将熔融石英砂浆液喷射到预打印的位置，打印喷头旁边的冷却装置及时将喷射完成的熔融石英砂浆液冷却凝固；打印完成后控制移动系统，将打印装置精确定位在另一处预打印位置的上方，重复上述步骤；打印至节理或裂缝的地方，采用熔融装置中另一组高温烧结炉向浆液储备槽供给彩色石英浆液或彩色黏土或硅藻土或陶瓷布进行打印；重复以上步骤，直至打印完成；(5)养护成型：打印施工完成后，在室温条件下冷却成型得到透明岩体。...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法，其技术特征在于，包括以下步骤：(1)制备熔融浆液：对天然硅石材料依次进行筛选、熔融、破碎、酸洗以及水洗工艺步骤，挑选得到粒径在2～3mm之间的高纯度石英颗粒，将石英颗粒放入高温烧结炉中，在1600℃～2000℃下煅烧12～24小时得到熔融状态的浆液；(2)设计透明岩体三维模型：参照真实物理模型，利用计算机3D建模软件，建立缩尺的含三维裂隙或节理或构建物的不规则形状透明岩体三维模型；所述的透明岩体三维模型包括透明岩体的整体轮廓以及透明岩体内部裂纹或节理的长度、走向和宽度；所述的构建物为不同走向、长度以及截面形状尺寸的隧道或周围含裂缝的隧道或1～2条交叉隧道或含有溶洞的不规则形状地基；(3)搭建3D打印装置：3D打印装置包括计算机控制系统、制作承台、模型槽、移动系统、打印系统以及熔融系统，所述计算机控制系统包括计算机和数据线，计算机通过数据线与移动系统、打印系统以及熔融系统相连接；所述制作承台用于支撑所述模型槽；所述移动系统用于将打印装置精确定位在预打印位置的上方；所述熔融系统由熔融装置和浆液输送管组成，所述熔融装置为多组高温烧结炉，所述熔融装置通过数据线与计算机相连，所述计算机可以控制熔融装置内的温度；同时所述熔融装置通过浆液输送管与浆液储备槽相连，从而向浆液储备槽输送浆液；所述打印系统由浆液储备槽、打印喷头以及冷却装置组成，浆液储备槽通过浆液输送管与熔融装置相连接，所述打印喷头和冷却装置并排设置于所述浆液储备槽的下方；(4)打印透明岩体：将绘制得到的透明岩体三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整熔融装置与模型槽的相对位置、通过控制移动系统将打印装置精确定位在预打印位置的上方；定位完成后，熔融装置通过浆液输送管将熔融石英砂浆液输送至浆液储备槽；浆液储备槽下方的打印喷头将熔融石英砂浆液喷射到预打印的位置，打印喷头旁边的冷却装置及时将喷射完成的熔融石英砂浆液冷却凝固；打印完成后控制移动系统，将打印装置精确定位在另一处预打印位置的上方，重复上述步骤；打印至节理或裂缝的地方，采用熔融装置中另一组高温烧结炉向浆液储备槽供给彩色石英浆液或彩色黏土或硅藻土或陶瓷布进行打印；重复
\t以上步骤，直至打印完成；(5)养护成型：打印施工完成后，在室温条件下冷却成型得到透明岩体。2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的透明岩体制作方法，其特征在于，透明岩体的形状为表面形状不规则的台体；或者为含有潜在破坏面的边坡；或者含有不规则形状地下溶洞的地基；所述透明岩体的材料为熔融石英砂。3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的透明岩体制作方法，其特征在于，所述节理或裂纹的材料为耐高温的彩色、片状石英；或者耐高温的彩色、片状黏土；或者硅藻土；或者陶瓷布；其形式为模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，孔纲强，孟珍珠，彭怀风，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32