CN106182330A - 一种基于3d打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法，该方法在已有数字模型的基础上，引入3D打印技术，实现了混凝土孔隙结构的实体化，及试件内部应力分布的可视化。本发明通过3D打印技术，直观地展示了混凝土内部孔隙变化情况。更重要的是，利用打印材料特有属性，可进一步应用于应力冻结试验当中，并为研究孔隙结构分布和变化及其对混凝土力学性能的影响提供了全新的思路。
Description
技术领域
本发明属于混凝土结构无损细观检测及物理试验的技术领域，具体涉及一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法。
背景技术
鉴于混凝土材料在工程实践领域的广泛应用，针对其物理力学性能的深入研究具有重要的工程实践价值与理论指导意义。混凝土材料是具有复杂结构的非均质、多层次(微观、细观、宏观)复合材料体系，其宏观行为所表现的不规则、非线性等特征是其细微观结构复杂性的反映。而混凝土材料在不同自然环境以及荷载作用下，内部孔隙逐渐增大，材料越来越疏松，导致强度降低结构发生破坏，这得到了大量试验的证实。混凝土材料内部的孔隙及微裂纹等内部缺陷与其宏观力学行为和耐久性有着密切的联系。因此，混凝土孔隙结构的分布及变化研究极为重要。然而目前针对混凝土孔隙的研究也局限于建立计算机数字模型，未能实现孔隙结构的三维实体化研究。阻碍了从根本上解决混凝土材料在不同自然环境和荷载作用下的孔隙的变化特征对材料破损机理的影响问题。
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型的快速成型技术。该技术被称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，在产品设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域已经得到了相当广泛的应用。它将为成为直观展示混凝土孔隙结构分布及变化的技术平台。同时，3D打印试件独有的力学及光学特性为今后开展应力冻结试验奠定了坚实的基础，为深入研究混凝土材料物理力学特性提供了全新的途径。目前，3D打印技术还没有应用于此类问题的研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法。
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3D打印的混凝土孔隙结构模型的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)利用CT机对混凝土试件进行逐层扫描，获取混凝土试件的多幅二维断层扫描图像；
2)将步骤1)所得二维数字图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件，对所述多幅二维断层扫描图像进行阈值分割,获取混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型；
3)将数字模型输入3D打印机，完成混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型的打印试件制作；
4)将打印试件同步进行加载及应力冻结试验。
利用打印材料特有的应力冻结特性，在加载过程中对打印试件进行应力冻结，可获得反应试件内部应力状态。
作为优选，所述步骤1)中，对混凝土试件进行CT扫描时，选择间距为0.5mm进行连续扫描。
所述应力冻结试验按照以下参考文献进行：
《基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法》，鞠杨，***等，《中国科学》，2014年，第59卷，第32期：3109～3119。
作为优选，所述步骤2)包含以下子步骤：
步骤2a，设定混凝土试件中孔隙的阈值范围，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阈值分割，得到孔隙的多幅二维断层扫描图像；
步骤2b，对所述孔隙和其他实体的多幅二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，得到混凝土试件的三维模型文件。
进一步地，步骤2a中，所述孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu。
作为优选，所述步骤3)孔隙部分打印材料为支撑网格材料，而打印试件除孔隙部分的其它实体材料是以多种光聚物材料为基础，按特定配合比合成的复合材料，该复合材料具有应力冻结特性。
作为优选，所述步骤3)孔隙与除孔隙部分的其它实体采用不同的打印疏密程度，并结合基材自身密度实现对孔隙与除孔隙部分的其它实体的区分。
作为优选，所述步骤3)中相应的复合材料结合UV光固化三维打印技术是按数据文件设定采用UV光线照射打印材料，均匀逐层成型有选择性的完成打印试样制作。
本发明的基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的方法，在已有数字模型的基础上，引入3D打印技术，进行了混凝土孔隙结构的实体化，再现了混凝土孔隙结构变化特征，并实现了试件内部应力分布的可视化。通过3D打印技术，直观地展示了混凝土内部孔隙变化情况。在不依赖于模具的条件下，可制备含有孔隙结构的打印试件。得到的打印试件具有直观，成型快速，可重复的优越性，克服了传统研究方法中无法反应内部孔隙分布及变化情况的问题。打印成型的实体试件可用于物理力学试验，弥补了数字模型无法在实际试验中进行应用的缺陷。本发明可直观反映混凝土孔隙结构及其对混凝土力学性能的影响，具有显著的理论指导意义和工程实践价值。
更重要的是，利用打印材料特有属性，光弹条纹得以记录，并为研究孔隙结构对混凝土力学性能的影响提供了全新的思路。
附图说明
图1为3D打印含孔隙混凝土模型制备流程图；
图2为本发明方法得到的混凝土孔隙结构图。
图3为本发明方法得到的冻结后的混凝土孔隙结构试样模型。
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
如图1所示，本实施例以研究混凝土试件孔隙结构为例，给出一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法，操作流程包括以下步骤：
步骤1：选用东芝Aquilion ONE 320排CT机对混凝土试件进行扫描，获取混凝土试件数字图像。扫描电压为120kV，电流为75mA，图像尺寸为1024像素×1024像素，扫描间隔0.5mm；
步骤2：设定混凝土试件中孔隙的阈值范围为-297Hu～1374Hu，根据设定的阈值范围分别对多幅二维断层扫描图像进行阈值分割，得到孔隙分布的多幅二维断层扫描图像；
对所述孔隙和其他实体的多个二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，得到混凝土试件的三维数字图像。
将所得二维数字图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件，对二维数字图像进行阈值分割，删除冗余数据，编辑蒙板，蒙板平滑，最终经过三维计算分别获取混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型，以STL格式输出；
含有孔隙的混凝土数字模型由整体试件模型与孔隙进行布尔计算获取，重建模型为正六面体，边长为50mm。
步骤3：将孔隙和含孔隙的混凝土试件模型的STL文件同时输入3D打印机，选用Objet30 pro或配置更高的打印机均可实现。
将相应的复合材料装入打印机内，结合UV光固化三维打印技术，完成含孔隙的打印试件；
相应的复合材料结合UV光固化三维打印技术是按数据文件设定采用UV光线照射打印材料，均匀逐层成型有选择性的完成打印试件制作。
打印试件孔隙部分打印材料为支撑网格材料，而除孔隙部分的其它实体材料是以多种光聚物材料为基础，按预定配合比合成的复合材料，该复合材料具有应力冻结特性。
打印方案中对试件内部打印疏松程度进行控制；并结合基材自身密度实现对孔隙与除孔隙部分的其它实体的区分，实现对混凝土材料力学性能的模拟。
本实施例中采用Objet 30 pro3D打印机，该打印机成型分辨率高(X轴：600dpi；Y轴：600dpi；Z轴：900dpi)，打印精度为0.1mm，层厚0.028mm；混凝土试件中孔隙的打印材料为网格支撑材料Fullcure705，该材料结构疏松，结构强度近似为零，符合混凝土试件内部孔隙及裂纹的实际情况；砂浆的打印材料选择透明光聚物复合材料Vero Clear，该材料为透明材料，可通过该材料肉眼观察其内部的孔隙的分布情况。
步骤4：对打印试件同步进行加载及应力冻结试验。利用打印材料特有的应力冻结特性，在加载过程中对打印试件进行应力冻结，可获得反应试件内部应力状态。得到的混凝土孔隙结构图如图2所示，应力冻结后的混凝土孔隙结构试样模型如图3所示。
本实施例中，所述应力冻结试验参考文献：鞠杨，***等，基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法，《中国科学》，2014年，第59卷，第32期：3109—3119。
Claims (7)
1.一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用CT机对混凝土试件进行逐层扫描，获取混凝土试件的多幅二维断层扫描图像；
2)将步骤1)所得二维数字图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件，对所述多幅二维断层扫描图像进行阈值分割,获取混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型；
3)将混凝土试件数字模型输入3D打印机，完成混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型的打印试件制作；
4)将打印试件同步进行加载及应力冻结试验。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)对混凝土试件进行CT扫描时，选择间距为0.5mm进行连续扫描。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)，设定混凝土试件中孔隙的阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多幅二维断层扫描图像进行分割。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)，所述孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)孔隙部分打印材料为支撑网格材料，而打印试件除孔隙部分的其它实体材料是以多种光聚物材料为基础，按预定配合比合成的复合材料，该复合材料具有应力冻结特性。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)孔隙与除孔隙部分的其它实体采用不同的打印疏密程度，并结合基材自身密度实现对孔隙与除孔隙部分的其它实体的区分。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中相应的复 合材料结合UV光固化三维打印技术是按数据文件设定采用UV光线照射打印材料，均匀逐层成型有选择性的完成打印试件制作。
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