一種基于3d打印技術(shù)的透明巖體制作方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，通過3D打印技術(shù)，將熔融狀態(tài)的石英砂材料打印制作成復(fù)雜的透明巖體三維模型，用于巖體模型試驗(yàn)；本發(fā)明技術(shù)方案可以精確制作不規(guī)則形狀的透明巖體，不僅可以在透明巖體內(nèi)部精確布置三維裂縫或節(jié)理，而且可以在透明巖體內(nèi)部精確布置隧道、空洞等構(gòu)建物，且所選用的天然硅石材料制備的透明巖體透明度高、均勻性好、試樣性質(zhì)與天然巖體相似度高。
【專利說明】
一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)，具體的涉及一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，主要適用于巖石力學(xué)模型試驗(yàn)試樣制備技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]研究背景
[0003]巖體模型試驗(yàn)是研究巖體內(nèi)部變形規(guī)律和機(jī)理的重要手段，對探索巖土工程問題的本質(zhì)具有重要意義。傳統(tǒng)的巖體試驗(yàn)技術(shù)中，人工制作的模擬天然巖體，由于受材料等因素限制而強(qiáng)度相對較低，同時測量元器件易受外界環(huán)境干擾，存在測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確、不能獲得連續(xù)位移場的問題。聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展解決了巖體內(nèi)部裂縫無法觀測的問題，通過連續(xù)監(jiān)測巖體內(nèi)部發(fā)生破裂和破裂面間的摩擦滑動產(chǎn)生的超聲波信息，分析得到巖體內(nèi)部微裂紋的動態(tài)演變和巖體變形、破壞的微觀機(jī)制;但是該方法仍未能實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部裂紋的可視化觀測，且試驗(yàn)結(jié)果精度受試驗(yàn)噪音的影響較大。計(jì)算機(jī)層析掃描(CT掃描)、核磁共振成像技術(shù)(MRI)等試驗(yàn)方法，雖然可以切片式觀察內(nèi)部裂紋，但是由于受儀器空間限制而無法有效觀測整體立體模型，也因其昂貴的費(fèi)用限制了這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用。近年來，相關(guān)學(xué)者利用透明的固體顆粒材料和與之折射率相匹配的孔隙液體制配成了飽和透明土，并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了土體內(nèi)部變形的可視化觀測，同時其費(fèi)用低廉，操作簡便;利用透明材料制配透明巖石以研究相關(guān)巖石力學(xué)問題也有了一定的應(yīng)用。
[0004]在本發(fā)明專利之前，中國發(fā)明專利“便于預(yù)置內(nèi)置裂隙的非飽和樹脂脆性材料及制備試件方法”(專利號:ZL200810016784.1)，公開了一種利用不飽和聚酯樹脂材料、過氧化甲乙酮和乙辛酸鈷制備成的混合溶液在降溫后凝固脫模制備透明巖體的技術(shù)方法；申請中國發(fā)明專利“高脆性透明類巖石材料試件制備方法”(申請?zhí)?201410036721.8)，公開了一種利用CY-39型樹脂和YS-T31型固化劑混配，然后恒溫養(yǎng)護(hù)制備透明巖體的技術(shù)方法。這兩種技術(shù)方法制備的透明巖石具有脆性好、透明度高、易于成型的特點(diǎn);但是其材料所采用的原材料都主要是非飽和樹脂，與天然巖體在材料上存在明顯的差異。學(xué)術(shù)論文“李元海，林志斌.透明巖體相似物理模擬試驗(yàn)新方法研究[J].巖土工程學(xué)報，2015，37(11): 2030-2039.”，公開了一種利用硅粉、液體石蠟以及正十三烷在模型槽中制配軟巖的技術(shù)方法；申請中國發(fā)明專利“天然硅石材料在制作透明巖石和透明巖體中的應(yīng)用”(申請?zhí)?201410747627.3)，公開了一種利用天然硅石材料在高溫下煅燒融化，然后在模具中自然冷卻制備透明巖石的技術(shù)方法，該技術(shù)方法制備透明巖石具有材料來源廣泛、透明度高、均勻性好、性質(zhì)與天然巖石或巖體相似性高的特點(diǎn);但是利用模具澆筑的方法存在制模麻煩、制作復(fù)雜形狀困難以及澆筑過程中無法精確控制內(nèi)部裂縫或者布置構(gòu)建物等問題。
[0005]因此，針對目前透明巖石或巖體模型制作方法中存在的不足與缺陷，結(jié)合3D打印技術(shù)和熔融石英砂顆粒材料，開發(fā)一種可以制作不規(guī)則形狀的透明巖體、且在巖體內(nèi)部精確布置三維裂縫或節(jié)理、隧道、空洞等構(gòu)建物的技術(shù)方案，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于克服上述不足和缺陷，解決常規(guī)透明巖(石)體模型制備過程中，無法制作不規(guī)則復(fù)雜形狀、無法精確布置內(nèi)部三維裂縫或布置隧道、空洞等構(gòu)建物的問題，提出一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，通過3D打印技術(shù)，精確制作不規(guī)則形狀的透明巖體，不僅可以在透明巖體內(nèi)部精確布置三維裂縫或節(jié)理，而且可以在透明巖體內(nèi)部精確布置隧道、空洞等構(gòu)建物。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法包括如下步驟:
[0008](I)制備熔融漿液:對天然硅石材料依次進(jìn)行篩選、熔融、破碎、酸洗以及水洗工藝步驟，挑選得到粒徑在2?3mm之間的高純度石英顆粒，將石英顆粒放入高溫?zé)Y(jié)爐中，在1600 0C?2000°C下煅燒12?24小時得到熔融狀態(tài)的漿液；
[0009](2)設(shè)計(jì)透明巖體三維模型:參照真實(shí)物理模型，利用計(jì)算機(jī)3D建模軟件，建立縮尺的含三維裂隙或節(jié)理或構(gòu)建物的不規(guī)則形狀透明巖體三維模型;所述的透明巖體三維模型包括透明巖體的整體輪廓以及透明巖體內(nèi)部裂紋或節(jié)理的長度、走向和寬度;所述的構(gòu)建物為不同走向、長度以及截面形狀尺寸的隧道或周圍含裂縫的隧道或I?2條交叉隧道或含有溶洞的不規(guī)則形狀地基；
[0010](3)搭建3D打印裝置:3D打印裝置包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、制作承臺、模型槽、移動系統(tǒng)、打印系統(tǒng)以及熔融系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)線，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與移動系統(tǒng)、打印系統(tǒng)以及熔融系統(tǒng)相連接;所述制作承臺用于支撐所述模型槽;所述移動系統(tǒng)用于將打印裝置精確定位在預(yù)打印位置的上方;所述熔融系統(tǒng)由熔融裝置和漿液輸送管組成，所述熔融裝置為多組高溫?zé)Y(jié)爐，所述熔融裝置通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)可以控制熔融裝置內(nèi)的溫度；同時所述熔融裝置通過漿液輸送管與漿液儲備槽相連，從而向漿液儲備槽輸送漿液;所述打印系統(tǒng)由漿液儲備槽、打印噴頭以及冷卻裝置組成，漿液儲備槽通過漿液輸送管與熔融裝置相連接，所述打印噴頭和冷卻裝置并排設(shè)置于所述漿液儲備槽的下方；
[0011](4)打印透明巖體:將繪制得到的透明巖體三維模型轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)調(diào)整熔融裝置與模型槽的相對位置、通過控制移動系統(tǒng)將打印裝置精確定位在預(yù)打印位置的上方;定位完成后，熔融裝置通過漿液輸送管將熔融石英砂漿液輸送至漿液儲備槽;漿液儲備槽下方的打印噴頭將熔融石英砂漿液噴射到預(yù)打印的位置，打印噴頭旁邊的冷卻裝置及時將噴射完成的熔融石英砂漿液冷卻凝固；打印完成后控制移動系統(tǒng)，將打印裝置精確定位在另一處預(yù)打印位置的上方，重復(fù)上述步驟;打印至節(jié)理或裂縫的地方，采用熔融裝置中另一組高溫?zé)Y(jié)爐向漿液儲備槽供給彩色石英漿液或彩色黏土或硅藻土或陶瓷布進(jìn)行打??；重復(fù)以上步驟，直至打印完成；
[0012](5)養(yǎng)護(hù)成型:打印施工完成后，在室溫條件下冷卻成型得到透明巖體。
[0013]其中，所述透明巖體的形狀為表面形狀不規(guī)則的臺體;或者為含有潛在破壞面的邊坡;或者含有不規(guī)則形狀地下溶洞的地基;所述透明巖體的材料為熔融石英砂。
[0014]所述節(jié)理或裂紋的材料為耐高溫的彩色、片狀石英；或者耐高溫的彩色、片狀黏土;或者硅藻土;或者陶瓷布;其形式為模擬天然巖體的分布形式。
[0015]所述計(jì)算機(jī)3D建模軟件為AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks中的任意一種。
[0016]具體地，所述移動系統(tǒng)包括環(huán)向滑軌、Zl滑軌、Z2滑軌、X滑軌以及位移裝置，所述環(huán)向滑軌設(shè)置于制作承臺的四周并固定在制作承臺的支撐腿上;所述Zl滑軌垂直于制作承臺的表面并與X滑軌垂向連接;所述Z2滑軌與所述Zl滑軌平行并固定于X滑軌上，所述環(huán)向滑軌與Zl滑軌、Zl滑軌與X滑軌、X滑軌與Z2滑軌之間均通過移動裝置相連接。
[0017]優(yōu)選地，所述環(huán)向滑軌的邊角位置做圓弧處理，方便移動裝置的移動，其材料為鋁合金或鋼材;所述Zl滑軌和Z2滑軌的長度根據(jù)模型槽的高度確定，材料為鋁合金或鋼材;所述X滑軌的長度根據(jù)模型槽的寬度確定，材料為鋁合金或鋼材。
[0018]熔融裝置的每個高溫?zé)Y(jié)爐的最高溫度可達(dá)2500?3000°C，其爐膛為直徑150mm、高度200mm的圓柱桶，其材料為耐超高溫金屬或石墨。
[0019]所述漿液輸送管的直徑根據(jù)熔融裝置出液端口尺寸確定，材料為耐超高溫金屬或石墨;所述打印噴頭的出漿口為圓形，出漿口孔徑根據(jù)打印速度要求確定，材料為耐超高溫金屬或石墨。
[0020]所述制作承臺的尺寸與打印模型的尺寸相適應(yīng)，材料為有機(jī)玻璃或鋼化玻璃或鋼材;所述模型槽為四周及底部密封、上部開口的長方體外殼，材料為有機(jī)玻璃或鋼化玻璃或鋼材;所述漿液儲備槽為含有出氣孔的密封長方體空腔，材料為耐超高溫金屬或石墨。
[0021]在一個實(shí)施方案中，所述透明巖體的形狀為下底為100?200mm、上底為70?150mm、高為100?200mm、長為200?300mm的不規(guī)則表面形狀的臺體；或者為長為900?1500mm、寬為400?600mm、高度為300?500mm、坡比為1:1?1:4的含有潛在破壞面的邊坡；或者長為1000?2000mm、寬為800?1600mm、高度為600?1200mm的含有不規(guī)則形狀地下溶洞的地基;所述制作承臺長為2?4m、寬為1.5?2.5m、高度為I?1.5m;所述模型槽長為I?3m、寬為I?2m、高度為I?2m;所述環(huán)形滑軌為2.5?4.5m、寬為2?3m、直徑為3?5mm的矩形;所述漿液儲備槽的邊長為50?80mm，高度為60?90mm;所述打印噴頭的出漿□孔徑為2?3_。對應(yīng)地，Zl滑軌和Z2滑軌長度為1.5?2.5m、直徑為3?5mm，X滑軌長度為1.5?2.5m、直徑為3?5mm。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于:天然硅石材料制備的透明巖體透明度高、均勻性好、試樣性質(zhì)與天然巖體相似度高;通過3D打印技術(shù)可以制作一些造型復(fù)雜的不規(guī)則形狀模型，可以精確布置三維裂縫或節(jié)理或周圍含裂縫的隧道構(gòu)建物，這些是常規(guī)制作方法所無法達(dá)到的，對研究含構(gòu)建物巖體工程特性具有重要意義。
【附圖說明】
:
[0023]圖1為本發(fā)明3D打印裝置布置示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明含三維裂隙的透明巖體示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明含潛在滑動面的透明巖質(zhì)邊坡示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明含地下溶洞的不平整表面透明巖體地基示意圖。
[0027]其中，I為計(jì)算機(jī)，2為數(shù)據(jù)線，3為試驗(yàn)承臺(即制作承臺)，4為模型槽，5為環(huán)向滑軌，6為Zl滑軌，7為Z2滑軌，8為X滑軌，9為移動裝置，10為熔融裝置，11為漿液輸送管，12為漿液儲備槽，13為打印噴頭，14為冷卻裝置，15為打印中的巖質(zhì)邊坡，16為含三維裂隙的透明巖體，17為三維裂縫，18為含潛在滑動面的巖質(zhì)邊坡，19為滑動面，20為節(jié)理，21為模型缺口，22為含地下溶洞的不平整表面透明巖體地基，23為地下溶洞，24為基礎(chǔ)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不僅僅局限于本實(shí)施方式的描述。
[0029]由圖1?圖4所示，一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，所用裝置由計(jì)算機(jī)1，數(shù)據(jù)線2，試驗(yàn)承臺3，模型槽4，環(huán)向滑軌5，21滑軌6，22滑軌7 4滑軌8，移動裝置9，熔融裝置10，漿液輸送管11，漿液儲備槽12，打印噴頭13，冷卻裝置14和模型缺口 21組成。該裝置可以打印巖質(zhì)邊坡15，含三維裂隙17的透明巖體16，含潛在滑動面19或節(jié)理20的巖質(zhì)邊坡15，含地下溶洞23和基礎(chǔ)24的不平整表面透明巖體地基22。
[0030]實(shí)施例1:含三維裂隙的透明巖體。
[0031]首先，需要制備熔融石英砂漿液:對天然硅石材料依次進(jìn)行篩選、熔融、破碎、酸洗以及水洗等工藝步驟，挑選得到粒徑在2?3mm之間的高純度石英顆粒，將石英顆粒放入最高溫度在2000°C以上的熔融裝置10中(本實(shí)施例中熔融裝置10為石墨燒結(jié)爐，其最高溫度可達(dá)2500°C)，在2000°C超高溫下煅燒24小時得到熔融狀態(tài)的石英砂漿液。
[0032]在制備熔融石英砂漿液的過程中，進(jìn)行巖體三維模型的設(shè)計(jì)和3D打印裝置的搭建。巖體的三維模型可利用AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks等計(jì)算機(jī)3D建模軟件進(jìn)行構(gòu)建(本實(shí)施例選用Solidworks)，設(shè)計(jì)含三維裂縫透明巖體16的形狀、尺寸以及三維裂縫17的長度、走向、寬度和在透明巖體16中的分布位置;透明巖體16為下底為100?200mm(本實(shí)施例為150mm)、上底為70?150mm(本實(shí)施例為100mm)、高為100?200mm(本實(shí)施例為150mm)、長為200?300mm(本實(shí)施例為250mm)的不規(guī)則表面形狀的臺體;三維裂縫17的長度、走向、寬度和在透明巖體16中的分布位置參照天然巖石的分布規(guī)律隨機(jī)生成。
[0033]搭建3D打印裝置需要制作一長為3m、寬為2m、高度為1.5m的鋼化玻璃制作承臺3，在制作承臺3上放置一長為2m、寬為1.5m、高度為Im的四周及底部密封、上部開口的鋼化玻璃模型槽4;將長為3.5m、寬為2.5m、直徑5_的鋁合金環(huán)形滑軌5固定在制作承臺3的支撐腿上，其邊角位置做圓弧處理，方便移動裝置的移動；長度為2m、直徑為4mm的鋁合金Zl滑軌6通過移動裝置9與環(huán)形滑軌5連接，長度為2m、直徑為4mm的鋁合金X滑軌8通過移動裝置9與Zl滑軌6連接，長度為lm、直徑為4mm的鋁合金Z2滑軌7通過移動裝置9與X滑軌8連接;Z2滑軌7的下方連接有邊長為60mm、高度為80mm的含出氣孔的密封長方體漿液儲備槽12;漿液儲備槽12下方設(shè)有孔徑2mm的耐超高溫石墨打印噴頭13和冷卻裝置14;通過直徑為6分的漿液輸送管11將熔融裝置10和漿液儲備槽12進(jìn)行連接;最后將移動裝置9、熔融裝置10、打印噴頭13和冷卻裝置14通過數(shù)據(jù)線2連接到計(jì)算機(jī)I就搭建完成了一套3D打印裝置。
[0034]透明巖體三維模型設(shè)計(jì)完成以及3D打印裝置搭建完成后，熔融石英砂漿液也制備完成，下面進(jìn)行透明巖體的打印:將繪制得到的透明巖體三維立體模型轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)調(diào)整熔融裝置10與模型槽4的相對位置、通過控制移動滑塊9的滑動將打印裝置13精確定位在預(yù)打印位置的上方;定位完成后，熔融裝置10通過漿液輸送管11將熔融石英砂漿液輸送至漿液儲備槽12;漿液儲備槽12下方的打印噴頭13將熔融石英砂漿液噴射到預(yù)打印的位置，打印噴頭旁邊的冷卻裝置14及時將噴射完成的熔融石英砂漿液冷卻凝固；打印完成后控制移動滑塊9，將打印噴頭13精確定位在另一處預(yù)打印位置的上方，重復(fù)上述步驟;打印至節(jié)理或裂縫的地方，采用熔融裝置10中另一組高溫?zé)Y(jié)爐向漿液儲備槽12供給彩色石英漿液進(jìn)行打印；重復(fù)上述步驟，直至打印完成。
[0035]打印施工完成后，在室溫條件下冷卻成型得到透明巖體16。
[0036]實(shí)施例2:含潛在滑動面的透明巖質(zhì)邊坡
[0037]對天然硅石材料依次進(jìn)行篩選、熔融、破碎、酸洗以及水洗等工藝步驟，挑選得到粒徑在2?3mm之間的高純度石英顆粒，將石英顆粒放入最高溫度在2500?3000 °C的熔融裝置10中(本實(shí)施例中熔融裝置10為石墨燒結(jié)爐，其最高溫度可達(dá)2500°C)，在2000°C超高溫下煅燒24小時得到熔融狀態(tài)的石英砂漿液。
[0038]在制備熔融石英砂漿液的過程中，進(jìn)行透明巖體三維模型的設(shè)計(jì)和3D打印裝置的搭建。利用3D設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)透明巖石邊坡的三維模型，設(shè)計(jì)含透明巖石邊坡18的形狀、尺寸以及潛在滑動面19的長度、走向、寬度和在透明巖石邊坡18中的分布位置;透明巖石邊坡18為長為900?1500mm、寬為400?600mm、高度為300?500mm (本實(shí)施例為長1200mm、寬600mm、高度400)，坡比為1:1?1:4(本實(shí)施例為1:3)的含有潛在破壞面的不規(guī)則表面形狀的邊坡;潛在滑動面19為寬600mm，貫穿透明巖石邊坡18的圓弧滑動面，從透明巖石邊坡18頂部開始，一直延伸至透明巖石邊坡高度10mm處。
[0039]搭建3D打印裝置需要制作一長為3m、寬為2m、高度為1.5m的鋼化玻璃制作承臺3，在制作承臺3上放置一長為2m、寬為1.5m、高度為Im的四周及底部密封、上部開口的鋼化玻璃模型槽4;將長為3.5m、寬為2.5m、直徑5_的鋁合金環(huán)形滑軌5固定在制作承臺3的支撐腿上，其邊角位置做圓弧處理，方便移動裝置的移動；長度為2m、直徑為4mm的鋁合金Zl滑軌6通過移動裝置9與環(huán)形滑軌5連接，長度為2m、直徑為4mm的鋁合金X滑軌8通過移動裝置9與Zl滑軌6連接，長度為lm、直徑為4mm的鋁合金Z2滑軌7通過移動裝置9與X滑軌8連接;Z2滑軌7的下方連接有邊長為60mm、高度為80mm的含出氣孔的密封長方體漿液儲備槽12;漿液儲備槽12下方設(shè)有孔徑2mm的耐超高溫石墨打印噴頭13和冷卻裝置14;通過直徑為6分的漿液輸送管11將熔融裝置10和漿液儲備槽12進(jìn)行連接;最后將移動裝置9、熔融裝置10、打印噴頭13和冷卻裝置14通過數(shù)據(jù)線2連接到計(jì)算機(jī)I就搭建完成了一套3D打印裝置。
[0040]透明巖體三維模型設(shè)計(jì)完成以及3D打印裝置搭建完成后，熔融石英砂漿液也制備完成，下面進(jìn)行透明巖體的打印:將繪制得到的透明巖體三維立體模型轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)調(diào)整熔融裝置10與模型槽4的相對位置、通過控制移動滑塊9的滑動將打印裝置13精確定位在預(yù)打印位置的上方;定位完成后，熔融裝置10通過漿液輸送管11將熔融石英砂漿液輸送至漿液儲備槽12;漿液儲備槽12下方的打印噴頭13將熔融石英砂漿液噴射到預(yù)打印的位置，打印噴頭旁邊的冷卻裝置14及時將噴射完成的熔融石英砂漿液冷卻凝固；打印完成后控制移動滑塊9，將打印噴頭13精確定位在另一處預(yù)打印位置的上方，重復(fù)上述步驟;打印至節(jié)理或裂縫以及潛在滑動面19的地方，采用熔融裝置10中另一組高溫?zé)Y(jié)爐向漿液儲備槽12供給彩色石英漿液進(jìn)行打??；重復(fù)上述步驟，直至打印完成。
[0041]打印施工完成后，在室溫條件下冷卻成型得到透明巖石邊坡18。
[0042]實(shí)施例3:含地下溶洞的不平整表面透明巖體地基
[0043]設(shè)計(jì)長為1000?2000mm、寬為800?1600mm、高度為600?1200mm(本實(shí)施例長為1000mm、寬為800mm、高度為600mm)的含有不規(guī)則形狀地下溶洞的地基三維模型；打印步驟同實(shí)施例1。
[0044]本發(fā)明利用天然硅石材料制備的透明巖體透明度高、均勻性好、試樣性質(zhì)與天然巖體相似度高;通過3D打印技術(shù)可以制作一些造型復(fù)雜的不規(guī)則形狀模型，可以精確布置三維裂縫或節(jié)理或周圍含裂縫的隧道構(gòu)建物，這些是常規(guī)制作方法所無法達(dá)到的，對研究含構(gòu)建物巖體工程特性具有重要意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其技術(shù)特征在于，包括以下步驟: (1)制備熔融漿液:對天然硅石材料依次進(jìn)行篩選、熔融、破碎、酸洗以及水洗工藝步驟，挑選得到粒徑在2?3_之間的高純度石英顆粒，將石英顆粒放入高溫?zé)Y(jié)爐中，在1600℃?2000°C下煅燒12?24小時得到熔融狀態(tài)的漿液； (2)設(shè)計(jì)透明巖體三維模型:參照真實(shí)物理模型，利用計(jì)算機(jī)3D建模軟件，建立縮尺的含三維裂隙或節(jié)理或構(gòu)建物的不規(guī)則形狀透明巖體三維模型;所述的透明巖體三維模型包括透明巖體的整體輪廓以及透明巖體內(nèi)部裂紋或節(jié)理的長度、走向和寬度;所述的構(gòu)建物為不同走向、長度以及截面形狀尺寸的隧道或周圍含裂縫的隧道或I?2條交叉隧道或含有溶洞的不規(guī)則形狀地基； (3)搭建3D打印裝置:3D打印裝置包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、制作承臺、模型槽、移動系統(tǒng)、打印系統(tǒng)以及熔融系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)線，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與移動系統(tǒng)、打印系統(tǒng)以及熔融系統(tǒng)相連接;所述制作承臺用于支撐所述模型槽;所述移動系統(tǒng)用于將打印裝置精確定位在預(yù)打印位置的上方;所述熔融系統(tǒng)由熔融裝置和漿液輸送管組成，所述熔融裝置為多組高溫?zé)Y(jié)爐，所述熔融裝置通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)可以控制熔融裝置內(nèi)的溫度；同時所述熔融裝置通過漿液輸送管與漿液儲備槽相連，從而向漿液儲備槽輸送漿液;所述打印系統(tǒng)由漿液儲備槽、打印噴頭以及冷卻裝置組成，漿液儲備槽通過漿液輸送管與熔融裝置相連接，所述打印噴頭和冷卻裝置并排設(shè)置于所述漿液儲備槽的下方； (4)打印透明巖體:將繪制得到的透明巖體三維模型轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)調(diào)整熔融裝置與模型槽的相對位置、通過控制移動系統(tǒng)將打印裝置精確定位在預(yù)打印位置的上方;定位完成后，熔融裝置通過漿液輸送管將熔融石英砂漿液輸送至漿液儲備槽;漿液儲備槽下方的打印噴頭將熔融石英砂漿液噴射到預(yù)打印的位置，打印噴頭旁邊的冷卻裝置及時將噴射完成的熔融石英砂漿液冷卻凝固；打印完成后控制移動系統(tǒng)，將打印裝置精確定位在另一處預(yù)打印位置的上方，重復(fù)上述步驟;打印至節(jié)理或裂縫的地方，采用熔融裝置中另一組高溫?zé)Y(jié)爐向漿液儲備槽供給彩色石英漿液或彩色黏土或硅藻土或陶瓷布進(jìn)行打??；重復(fù)以上步驟，直至打印完成； (5)養(yǎng)護(hù)成型:打印施工完成后，在室溫條件下冷卻成型得到透明巖體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，透明巖體的形狀為表面形狀不規(guī)則的臺體;或者為含有潛在破壞面的邊坡;或者含有不規(guī)則形狀地下溶洞的地基;所述透明巖體的材料為熔融石英砂。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述節(jié)理或裂紋的材料為耐高溫的彩色、片狀石英;或者耐高溫的彩色、片狀黏土;或者硅藻土;或者陶瓷布;其形式為模擬天然巖體的分布形式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)3D建模軟件為AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks中的任意一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述移動系統(tǒng)包括環(huán)向滑軌、Zl滑軌、Z2滑軌、X滑軌以及位移裝置，所述環(huán)向滑軌設(shè)置于制作承臺的四周并固定在制作承臺的支撐腿上;所述Zl滑軌垂直于制作承臺的表面并與X滑軌垂向連接;所述Z2滑軌與所述Zl滑軌平行并固定于X滑軌上，所述環(huán)向滑軌與Zl滑軌、Zl滑軌與X滑軌、X滑軌與Z2滑軌之間均通過移動裝置相連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述環(huán)向滑軌的邊角位置做圓弧處理，方便移動裝置的移動，其材料為鋁合金或鋼材;所述Zl滑軌和Z2滑軌的長度根據(jù)模型槽的高度確定，材料為鋁合金或鋼材;所述X滑軌的長度根據(jù)模型槽的寬度確定，材料為鋁合金或鋼材。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，每個高溫?zé)Y(jié)爐的最高溫度可達(dá)2500?3000 °C，其爐膛為直徑150mm、高度200mm的圓柱桶，其材料為耐超高溫金屬或石墨。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述漿液輸送管的直徑根據(jù)熔融裝置出液端口尺寸確定，材料為耐超高溫金屬或石墨;所述打印噴頭的出楽口為圓形，出楽口孔徑根據(jù)打印速度要求確定，材料為耐超高溫金屬或石墨。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述制作承臺的尺寸與打印模型的尺寸相適應(yīng)，材料為有機(jī)玻璃或鋼化玻璃或鋼材;所述模型槽為四周及底部密封、上部開口的長方體外殼，材料為有機(jī)玻璃或鋼化玻璃或鋼材;所述漿液儲備槽為含有出氣孔的密封長方體空腔，材料為耐超高溫金屬或石墨。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)的透明巖體制作方法，其特征在于，所述透明巖體的形狀為下底為100?200mm、上底為70?150mm、高為100?200mm、長為200?300mm的表面形狀不規(guī)則的臺體;或者為長為900?1500mm、寬為400?600mm、高度為300?500mm、坡比為1:1?1:4的含有潛在破壞面的邊坡;或者長為1000?2000mm、寬為800?1600mm、高度為600?1200mm的含有不規(guī)則形狀地下溶洞的地基;所述制作承臺長為2?4m、寬為1.5?.2.5m、高度為1?1.5m;所述模型槽長為1?3m、寬為1?2m、高度為1?2m;所述環(huán)形滑軌為.2.5?4.5m、寬為2?3m、直徑為3?5mm的矩形;所述漿液儲備槽的邊長為50?80mm，高度為.60?90mm;所述打印噴頭的出楽口孔徑為2?3mm。
【文檔編號】B28B1/00GK105904573SQ201610297492
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】李輝, 孔綱強(qiáng), 孟珍珠, 彭懷風(fēng)
【申請人】河海大學(xué)