利用3d打印制作含特定幾何特征結(jié)構(gòu)面的節(jié)理試樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種節(jié)理巖體相似模型試樣的制樣方法，特別是一種利用3D打印制作含特定幾何特征結(jié)構(gòu)面的節(jié)理試樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界中的巖體由于經(jīng)受復(fù)雜地質(zhì)作用產(chǎn)生了各種結(jié)構(gòu)面，這種結(jié)構(gòu)面很大程度上的影響了節(jié)理巖體的力學(xué)特征。由于真實(shí)節(jié)理巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)很難清楚得到，所以可以通過相似模型材料來制作節(jié)理巖體的類巖石試樣。該類巖石試樣的制作重點(diǎn)是能夠在其內(nèi)部嵌入不同形狀、傾角和粗糙度等幾何參數(shù)的結(jié)構(gòu)面。目前對(duì)于節(jié)理巖體的研宄方法主要是通過節(jié)理巖體表面裂隙裸露面產(chǎn)狀大概推測(cè)結(jié)構(gòu)面形態(tài)，或者通過機(jī)械切割或預(yù)埋鐵片得到含簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)面的巖體試樣或類巖體試樣，而這些方法不易操作或者不能得到含理想結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體試樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要提供一種操作簡(jiǎn)便，并且能夠根據(jù)需要靈活制作含不同形態(tài)特征的利用3D打印制作含特定幾何特征結(jié)構(gòu)面的節(jié)理試樣方法，解決節(jié)理巖體制樣的操作困難和節(jié)理形態(tài)制樣不理想的問題。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:該節(jié)理巖體類巖試樣的制備方法包括:結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)及模具打印、制樣盒與模具的組裝、澆筑相似材料和拆模及試樣養(yǎng)護(hù)；首先根據(jù)研宄需要自行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面或通過表面輪廓掃描技術(shù)獲取實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)面形貌；在三維繪圖軟件中將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面穿過完整圓柱體模型后，通過布爾運(yùn)算獲得分割得到的兩部分互補(bǔ)試塊模型，利用3D打印機(jī)將兩部分試塊模型分別打印成型；將打印模具分別置于兩個(gè)制樣盒中并組裝完成，向制樣盒中澆筑相似材料，待其凝固成型后拆模養(yǎng)護(hù)；將兩部分試塊正確組合得到含有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面的標(biāo)準(zhǔn)試樣。
[0005]具體步驟如下:
[0006]a.結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)及模具打印:
[0007]依據(jù)傳統(tǒng)室內(nèi)單軸試驗(yàn)與三軸試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，將目標(biāo)試樣設(shè)計(jì)為直徑50mm，高度10mm的圓柱體；根據(jù)研宄對(duì)象粗糙度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面的起伏形態(tài)，或者利用表面輪廓掃描技術(shù)獲取既有裂隙巖體結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)；通過三維繪圖軟件(例如CAD)繪制設(shè)計(jì)尺寸的完整圓柱體，再將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面以一定位置及角度穿過圓柱體，通過布爾運(yùn)算分別得到圓柱體被分割后形成的兩個(gè)獨(dú)立部分，將它們分別導(dǎo)出為后綴為“.STL”格式的模型文件；將后綴為STL”格式的模型文件導(dǎo)入3D打印機(jī)配套軟件中，選擇0.1mm或者更高精度，用3D打印機(jī)分別將兩部分打印出來形成兩塊互補(bǔ)的模具，該尺寸試樣的打印時(shí)間約為2h ；
[0008]b.制樣盒與模具的組裝:
[0009]制樣盒包括一塊底板、一塊頂板、兩塊側(cè)模板和兩套螺栓；在制樣盒組裝前，先在頂?shù)装?、?cè)模板和打印模具接觸試樣的面上抹上薄層凡士林，以便于減小澆筑相似材料時(shí)側(cè)壁的摩擦并且便于后續(xù)拆模；組裝制樣盒與模具:首先，底板平置，將一塊側(cè)模板立于底板上；然后把打印模具的一塊緊貼側(cè)模板置于底板上，將另一塊側(cè)模板同樣安置于底板上并與第一塊側(cè)模板合上，將螺栓穿過側(cè)模板上的固定耳并擰緊螺母；同樣，將另一塊打印模具置于制樣盒中組裝好；
[0010]c.澆筑相似材料:
[0011]將配置好的相似材料一層一層填置于制樣盒中，并置于振動(dòng)臺(tái)上充分振搗；振搗完畢后將表面抹平并裝上頂板；
[0012]d.拆模及試樣養(yǎng)護(hù):
[0013]澆筑完成24h左右后，相似材料凝固成型，可進(jìn)行模具拆卸；首先，將側(cè)模板上的螺母外旋松動(dòng)螺栓，取下頂板；隨后擰開螺母，卸下螺栓，稍微傾斜制樣盒并取下位于上方的側(cè)模板；輕輕取出試樣塊和打印模具，并將其分離；以同樣的方式取出另一半試樣塊；兩試樣塊可以完美拼合成為一個(gè)圓柱體試樣；然后，將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天以達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度。
[0014]對(duì)于結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)，根據(jù)研宄需要自行設(shè)計(jì)不同粗糙度的結(jié)構(gòu)面，或者通過表面輪廓掃描技術(shù)獲得實(shí)際工程巖體結(jié)構(gòu)面形貌；通過三維繪圖軟件建立被設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面切割形成的兩部分試塊模型，并通過3D打印機(jī)打印成形。
[0015]在制樣過程中，打印模具所受到的力不大，所以打印模具強(qiáng)度要求不需要很高，適當(dāng)減小模具打印的充填率以節(jié)約打印時(shí)間和打印材料。
[0016]在制樣盒與模具的組裝前，在其接觸相似材料試樣的面上涂抹薄層凡士林或黃油，以減小澆筑相似材料時(shí)側(cè)壁的摩擦且便于后續(xù)拆模。
[0017]如需要使結(jié)構(gòu)面分割形成的兩部分試塊間具有一定粘結(jié)力，則可以使用已凝固成型的一部分試塊代替打印模具，采用相同步驟澆筑另一部分試塊，如此得到的兩部分試塊間會(huì)存在一定的粘結(jié)力。
[0018]有益效果，由于采用了上述方案，靈活地將3D打印技術(shù)運(yùn)用于節(jié)理巖體相似模型試樣的制作，制樣過程簡(jiǎn)單快捷，并且能夠根據(jù)研宄需要設(shè)計(jì)并制作含各種復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體相似模型標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)研宄結(jié)構(gòu)面對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。該技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，具有如下特點(diǎn):
[0019]I)本發(fā)明中的技術(shù)方法較傳統(tǒng)方法操作更安全、更簡(jiǎn)便。
[0020]2)運(yùn)用本發(fā)明中的技術(shù)方法可以更巧妙靈活的在標(biāo)準(zhǔn)試樣中嵌入各種復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)面，甚至可以利用表面輪廓掃描等技術(shù)制作與再現(xiàn)實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)面形貌特征，從而獲得更科學(xué)合理的試驗(yàn)結(jié)果。
[0021]解決了節(jié)理巖體制樣的操作困難和節(jié)理形態(tài)制樣不理想的問題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
【附圖說明】
:
[0022]圖1為本發(fā)明制樣盒立體圖。
[0023]圖2為本發(fā)明制樣盒縱剖面圖。
[0024]圖3為本發(fā)明制樣盒頂視圖。
[0025]圖4為本發(fā)明頂、底板前視圖與頂視圖。
[0026]圖5為本發(fā)明模具放置示意圖。
[0027]圖中:1、頂板；2、底板；3、側(cè)模板；4、固定耳；5、螺栓；6、打印模具。
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1:
[0029]該節(jié)理巖體類巖試樣的制備方法包括:結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)及模具打印、制樣盒與模具的組裝、澆筑相似材料和拆模及試樣養(yǎng)護(hù)；首先根據(jù)研宄需要自行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面或通過表面輪廓掃描技術(shù)獲取實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)面形貌；在三維繪圖軟件中將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面穿過完整圓柱體模型后，通過布爾運(yùn)算獲得分割得到的兩部分互補(bǔ)試塊模型，利用3D打印機(jī)將兩部分試塊模型分別打印成型；將打印模具分別置于兩個(gè)制樣盒中并組裝完成，向制樣盒中澆筑相似材料，待其凝固成型后拆模養(yǎng)護(hù)；將兩部分試塊正確組合得到含有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面的標(biāo)準(zhǔn)試樣；制取含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體，配合表面輪廓掃描技術(shù)再現(xiàn)實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)面。
[0030]具體步驟如下:
[0031]a.結(jié)構(gòu)面設(shè)計(jì)及模具打印:
[0032]依據(jù)傳統(tǒng)室內(nèi)單軸試驗(yàn)與三軸試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，將目標(biāo)試樣設(shè)計(jì)為直徑50mm，高度10mm的圓柱體；根據(jù)研宄對(duì)象粗糙度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面的起伏形態(tài)，或者利用表面輪廓掃描技術(shù)獲取既有裂隙巖體結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)；通過三維繪圖軟件(例如CAD)繪制設(shè)計(jì)尺寸的完整圓柱體，再將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)面以一定位置及角度穿過圓柱體，通過布爾運(yùn)算分別得到圓柱體被分割后形成的兩個(gè)獨(dú)立部分，將它們分別導(dǎo)出為后綴為“.STL”格式的模型文件；將后綴為STL”格式的模型文件導(dǎo)入3D打印機(jī)配套軟件中，選擇