CN106127856B - 基于ct扫描及3d打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CT扫描及3D打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法，该方法从裂隙对岩体力学性能影响的角度出发，制作出了与天然岩体内部结构一致且含有裂隙的柱状岩体模型。将CT扫描的图像进行重建后，应用三维图像处理软件的三维蒙板编辑功能制作裂隙，然后应用3D打印技术得到含裂隙的柱状岩体模型，应用于岩石力学性能研究中。可以根据不同的实验要求，精确地制作出不同尺寸和倾角的裂隙，为研究含裂隙岩体的力学性能提供了新的途径。
Description
技术领域
本发明属于岩体力学与工程领域，涉及岩石材料室内力学实验研究时模型的制作，具体涉及一种基于CT扫描及3D打印技术制作含裂隙柱状岩体模型的方法。
背景技术
岩体是经过长时间地质作用形成的地质体，包含了多种矿物质和大量孔隙、节理、裂隙等结构面，其内部结构非常复杂。
在岩石力学与工程领域，进行实验时研究岩体的力学性能的手段主要有现场原位实验和室内模型实验。依靠现有的技术水平进行现场原位取样和实验，工程量大、成本高，采样样本有限，得到的实验结果离散型大，难以达到工程实践的需要。室内模型实验多采用相似材料进行浇筑模型，虽然力学性能与天然岩体比较接近，但是采用人工制样方法，在试样内部预制裂隙的可重复性较差，结构复杂的试样几乎无法完成。
3D打印技术是一种通过逐层粘接累加的方式，将粉末状的塑料或金属材料构造成三维实体的方法。随着高新技术的逐渐发展，3D打印技术已经与CT扫描技术、计算机辅助技术、材料技术和激光技术相结合，成功运用于医疗、航空、国防、建筑业、制造业等众多领域。
发明内容
针对上述现有技术操作的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于CT扫描及3D打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法，该方法将CT扫描技术和3D打印技术相结合，能够模拟天然岩体试样的内部结构信息，能够通过三维图像处理软件制作出满足不同实验要求的裂隙，并且能够大量制作具有相同裂隙的柱状岩体模型。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于CT扫描及3D打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)利用CT机对天然柱状岩体试样进行扫描，得到试样的扫描图像；
2)将步骤1)中得到的图像以DICOM的格式导出，作为扫描数据；
3)将步骤2)中得到的数据输入MIMICS软件中，对图像进行分割处理后，利用编制程序对图像进行三维蒙板编辑，得到含裂隙岩体特定尺寸和倾角的裂隙，进行3D计算得到含裂隙柱状岩体的三维模型，并以STL的格式导出；
4)选择含裂隙岩体模型制作需要的粉末状原材料，包括砂粉末材料、裂隙粉末材料和胶结材料；
5)将步骤3)中得到的STL文件导入到3D打印机中，利用3D打印机和3DP工艺进行含裂隙柱状岩体模型的制作；
6)含裂隙柱状岩体模型制作完成后，进行后期处理，即得到含裂隙的柱状岩体三维模型。
根据本发明，步骤3)所述的对图像进行分割处理是区分出柱状试样内部的高密度区和低密度区，还原出天然含裂隙柱状岩体的内部结构。
作为本发明优选的，在步骤3)中所述的含裂隙岩体的裂隙模型制作时，采用三维蒙板编辑处理，进行设定裂隙蒙板的形状、长宽和倾角后，再在模型中将裂隙蒙板剔除，按不同的实验要求预制出不同尺寸和倾角的裂隙。
进一步的，首先将裂隙蒙板的形状设定为方形，然后对裂隙蒙板的长宽和倾角进行设定，可以根据实验方案设定不同长度和不同倾角的裂隙蒙板，将裂隙蒙板的几何信息设定完成后，在模型上按设置好的尺寸编辑剔除裂隙蒙板，此步骤也可以根据实验方案剔除不同数量的裂隙蒙板，三维蒙板编辑完成后进行三维重构，得到含裂隙的柱状岩体三维模型。
作为本发明优选的，步骤4)中含裂隙柱状岩体模型选择的砂粉末材料，裂隙采用的裂隙粉末材料，用不同配比的胶结材料进行粘接。
作为本发明优选的，步骤5)中的3D打印机和3DP工艺进行含裂隙柱状岩体模型的制作具体方法包括：铺粉辊将送粉缸中的砂粉末材料或裂隙粉末材料均匀地铺在工作活塞上，打印机的喷头将胶结材料按照计算机预定的截面形状喷洒在粉末上进行粘接，然后成型缸下降一个层厚，铺粉辊开始再一次铺粉，再进行粘结，重复上述过程直至整个含裂隙柱状岩体模型制作完成。
作为本发明优选的，步骤5)中低密度区的处理方法是：在3D打印含裂隙柱状岩体试样时，在低密度区域部分进行铺粉但不进行粘接，然后将这些粉末封固在含裂隙柱状岩体模型内部，以此来模拟天然含裂隙柱状岩体内部密度较低的区域。
作为本发明优选的，步骤6)中，所述的后期处理的方法是，含裂隙柱状岩体模型打印完成，待粉末充分粘合后，将裂隙粉末材料取出，并刷去表面多余粉末，晾置使胶结材料充分凝结挥发，得到最终的含裂隙柱状岩体试样。
本发明的基于CT扫描及3D打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法，在不使用模具和工具的条件下能够还原出天然岩体的内部结构信息，并且通过三维图像处理软件制作出满足不同实验要求的裂隙，得到传统方法达不到的室内实验模型。通过CT扫描和三维重构技术，可以得到岩体真实的内部复杂结构信息，达到可视化的效果。在此基础上运用3D打印技术，可以进行含不同长度、不同倾角、不同数量的裂隙岩体模型的制作，制作过程的耗时短、可进行大量重复制样，为含裂隙岩体力学性能的研究奠定了基础。
附图说明
图1为三维印刷工艺(3DP)工作流程图；
图2为含裂隙柱状岩体模型制作流程图。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细的说明。
具体实施方式
需要说明的是，以下的实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于这些实施例。
实施例1：
如图1所示，本实施例采用的3D打印技术中的三维印刷(3DP)工艺，主要打印设备包括送粉缸、成型缸、回收缸、胶结剂供应缸、送粉辊以及打印喷头，整个工作由计算机控制***控制。本实施例中CT扫描采用的医用CT机为Toshiba Aquilion One 320排动态容积CT机，X射线源高压120kV，CD图像传感器灰阶16bit，扫描速度快，成像时间0.175s；获取试样的二维断层扫描图像。本实施例采用VX1000 3D打印机，该打印机的建模空间为1060*600*500毫米，分辨率为600dpi。
参见图2，本实施例给出一种基于CT扫描及3D打印技术制作含裂隙柱状岩体模型的方法，包括如下步骤：
1)应用CT扫描技术获得柱状岩体试样内部结构信息，采用医用CT机对天然柱状岩体试样进行切片扫描，扫描电压为120kV、电流为300mA，沿天然含裂隙柱状岩体试样自上而下间隔500μm连续扫描，获得Dicom格式的天然含裂隙柱状岩体试样原始CT图像数据。
2)将步骤1)中得到的图像导入到三维图像处理MIMICS软件中，先进行图像分割处理，分离柱状岩体试样中的高密度区和低密度区，进行三维计算得到完整柱状岩体试样的三维模型，然后通过三维蒙板编辑操作编辑一个裂隙蒙版，首先将裂隙蒙板的形状设定为方形，然后将裂隙蒙板的长度设置为8mm，宽度设置为1.2mm，倾角设置为60°。
裂隙蒙板的几何信息设定完成后，在模型上按设置好的尺寸编辑剔除裂隙蒙板。三维蒙板编辑完成后再进行三维重构，得到含裂隙的柱状岩体三维模型。
3)将步骤2)中得到的含裂隙的柱状岩体模型以STL格式导入到3D打印机中进行打印，打印前，设置含裂隙的柱状岩体模型的打印层厚为0.15mm，本实施例选用GS19砂粉末材料和裂隙粉末材料作为含裂隙的柱状岩体模型基材，采用3DP工艺进行含裂隙的柱状岩体模型制作。
4)对步骤3)中低密度区的处理方法是：在3D打印含裂隙的柱状岩体模型时，在低密度区域部分进行铺粉但不进行粘接，然后将这些粉末封固在含裂隙的柱状岩体模型内部，以此来模拟岩体内部一些密度和强度略低的区域。
5)对步骤3)中的3D打印机和3DP工艺进行含裂隙柱状岩体模型的制作具体方法包括：铺粉辊将送粉缸中的砂粉末材料或裂隙粉末材料均匀地铺在工作活塞上，打印机的喷头将胶结材料按照计算机预定的截面形状喷洒在粉末上进行粘接，然后成型缸下降一个层厚，铺粉辊开始再一次铺粉，再进行粘结，重复上述过程直至整个含裂隙柱状岩体模型制作完成。
6)含裂隙柱状岩体模型制作完成后，进行后期处理，即得到含裂隙的柱状岩体三维模型。
所述的后期处理的方法是，含裂隙柱状岩体模型打印完成，待粉末充分粘合后，将裂隙粉末材料取出，并刷去表面多余粉末，晾置使胶结材料充分凝结挥发，得到最终的含裂隙柱状岩体试样。
本实施例制作的含裂隙的柱状岩体模型的直径为5cm，高度为10cm。
实施例2：
制作步骤均同实施例1，所不同的是预制裂隙的倾角为45°。
实施例3：
制作步骤均同实施例1，所不同的是预制裂隙的倾角为30°。
Claims (3)
1.一种基于CT扫描及3D打印制作含裂隙柱状岩体模型的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)利用CT机对柱状岩体试样进行扫描，得到试样的扫描图像；
2)将步骤1)中得到的图像以DICOM的格式导出，作为扫描数据；
3)将步骤2)中得到的数据输入MIMICS软件中，对图像进行分割处理，再生成岩体的三维数字模型，利用程序进行三维蒙板编辑生成一个三维裂隙蒙版并在模型中剔除该蒙版，得到岩体不同尺寸和倾角的裂隙，进行3D计算得到含裂隙柱状岩体的三维模型，并以STL的格式导出；
所述的对图像进行分割处理是区分出柱状试样内部的高密度区和低密度区，还原出天然柱状岩体的内部结构；
所述岩体模型的裂隙制作时，采用三维蒙板编辑处理，进行设定裂隙蒙板的形状、长宽和倾角后，再在模型中将裂隙蒙板剔除，按不同的实验要求预制出不同尺寸和倾角的裂隙；
4)选择含裂隙岩体模型制作需要的粉末状原材料，包括砂粉末材料、裂隙粉末材料和胶结材料；
5)将步骤3)中得到的STL文件导入到3D打印机中，利用3D打印机和三维印刷(3DP)工艺进行含裂隙柱状岩体模型的制作；
所述低密度区的处理方法是：在3D打印含裂隙柱状岩体试样时，在低密度区域部分进行铺粉但不进行粘接，然后将这些粉末封固在柱状岩体模型内部，以此来模拟天然柱状岩体内部密度较低的区域；
步骤5)中的3D打印机和3DP工艺进行含裂隙柱状岩体模型的制作具体方法包括：铺粉辊将送粉缸中的砂粉末材料或裂隙粉末材料均匀地铺在工作活塞上，打印机的喷头将胶结材料按照计算机预定的截面形状喷洒在粉末上进行粘接，然后成型缸下降一个层厚，铺粉辊开始再一次铺粉，再进行粘结，重复上述过程直至整个含裂隙柱状岩体模型制作完成。
6)含裂隙柱状岩体模型制作完成后，进行后期处理，即得到含裂隙的柱状岩体三维模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中含裂隙柱状岩体模型选择的砂粉末材料，裂隙采用裂隙粉末材料，用不同配比的胶结材料进行粘接。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中，所述的后期处理的方法是，含裂隙柱状岩体模型打印完成，待粉末充分粘合后，将裂隙粉末材料取出，并刷去表面多余粉末，晾置使胶结材料充分凝结挥发，得到最终的含裂隙柱状岩体试样。
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