CN106746897A - 一种喷射増材成型岩土模型材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷射増材成型岩土模型材料，由以下质量份的原料组成：岩土材料60‑85份，添加剂15‑40份，所述岩土材料为微纳级粉末，所述添加剂能粘结岩土材料，同时使岩土材料能流动打印。本发明还包括喷射増材成型岩土模型材料的制备方法。本发明的岩土模拟材料满足物理和力学性能要求，仿真度高，本发明的方法通过数字化3D模型，结合粉末喷射及浆料注射，实现了实时混合，提高了模拟的精确性，提升工程及灾害的发生还原度，对灾害预测的发生和工程防护起到重要作用。

Description

一种喷射増材成型岩土模型材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术及工艺领域，具体涉及一种喷射増材成型岩土模型材料及其制备方法。
背景技术
随着近年来3D打印技术的快速发展，其技术得到广泛应用，相比于传统物理模型模拟，大比例缩小模型为工程实施及自然灾害模拟重现提供了可控的定量分析手段，此技术可实现岩土材料的模拟，高效构建高精度参数化模型并打印，缩短模型制作工期，提升工程及灾害分析的可靠性，推动灾害研究和防护技术进步。
岩土材料是岩土模型材料模拟中主要应用的材料，其可打印性在地质领域具有极好的应用前景。目前，岩土模型材料的选取通常直接从工程及灾害发生地选取或者选取相似的材料进行人工配比，但是直接从工程及灾害发生地选取的量少，而且选取较危险和困难，选取相似的材料进行人工配比，选用的材料常常无法达到对物理和力学性能的要求，而且由于人工选材对于宏微观结构的不可控性，通常也易导致材料性能无法达到要求，进而导致人工模型在材料配比测试时间变长，同时模拟效果不能够达到高度还原，不利于工程及灾害的重现分析测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种物理和力学性能好，高度还原的喷射増材成型岩土模型材料及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种喷射増材成型岩土模型材料，由以下质量份的原料组成：岩土材料60‐85份，添加剂15‐40份，所述岩土材料为微纳级粉末，所述添加剂能粘结岩土材料，同时使岩土材料能流动打印。
进一步，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石35‐95份，高岭土5‐65份。
进一步，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石15‐85份，河沙15‐85份。
进一步，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石5‐65份，标准砂40‐85份。
进一步，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石10‐60份，高岭土30‐70份，标准砂10‐40份。
进一步，所述岩土材料还包括以下质量份的原料：粉煤灰2‐40份，双飞粉0‐20份和滑石粉5‐40份中的一种。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡90‐100份，硬脂酸0‐10份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡77‐91份，棕榈蜡5‐15份，硬脂酸4‐8份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：液蜡38‐88份，石蜡6‐36份，棕榈蜡4‐18份，硬脂酸2‐8份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：液蜡45‐95份，石蜡5‐45份，硬脂酸0‐10份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡55‐95份，棕榈蜡5‐45份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡45‐85份，微晶蜡15‐55份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡20‐60份，微晶蜡40‐80份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡60‐90份，植物油10‐30份，硬脂酸0‐10份。
进一步，所述添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡52‐88份，矿物油6‐24份，植物油6‐24份。
一种喷射増材成型岩土模型材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述质量份取添加剂的各原料，并将各原料混合得到所需添加剂浆料；
(2)按照上述质量份分别取岩土材料的各原料和添加剂浆料，将岩土材料的各原料和添加剂浆料装填到3D打印机的进料***中，所述进料***包括数个喷射管道和一个注射管道，将岩土材料的各原料分别装填在不同喷射管道中，将添加剂浆料装填在注射管道中，添加剂浆料在注射管道内通过加热装置加热至70‐90℃；
(3)对需要的岩土模型材料进行分析，并建立数字化3D模型，对数字化3D模型进行分层切片，每层切片的数据均包含岩土材料的各原料和添加剂的含量数据，将岩土材料的各原料和添加剂的含量数据分别转化为喷射速率和注射速率，并将喷射速率和注射速率传达至3D打印机的进料***；
(4)根据步骤(3)确定的喷射速率同时通过气压将岩土材料的各原料喷入搅拌***，并根据确定的注射速率同时将添加剂浆料挤入搅拌***中，搅拌***内的温度为70‐90℃，岩土材料的各原料和添加剂浆料在搅拌***中实时混料，并在搅拌***的底部混合均匀，挤出，即得到喷射増材成型岩土模型材料。
进一步，所述步骤(3)中，将数字化3D模型以平行于3D打印机的打印底板N个平面进行切片，将数字化3D模型分割成N+1层切片，每层切片的厚度为0.01mm‐10mm。
进一步，所述步骤(4)中，搅拌***为螺杆搅拌***，所述螺杆搅拌***通过螺杆的转动混合岩土材料的各原料和添加剂浆料，所述螺杆的转速为30‐60rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的岩土材料为微纳级粉末，均匀混合，使得到的岩土模拟材料满足物理和力学性能要求，仿真度高，并能进行实时调整，相对于人工成形材料可控性及均匀性大大增强；
(2)本发明通过添加剂使岩土材料满足岩土模拟材料的混合粘结性要求和在3D打印中的流动打印要求；
(3)本发明的方法通过数字化3D模型，保证微观和宏观级别均能达到进行地质模型的精准控制，弥补传统岩土模型材料的建造不可控性，从岩土材料的可控性入手利用喷射成形达到结构的控制，便于实现一体化打印；
(4)本发明的方法结合了粉末喷射及浆料注射，实现了实时混合，弥补了岩土模型材料建设的单一性，实现宏观层级区分，实现对复杂自然环境的还原；
(5)本发明提高了模拟的精确性，提升工程及灾害的发生还原度，对灾害预测的发生和工程防护起到重要作用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1
本发明的实施例提供了一种喷射増材成型岩土模型材料，由以下质量份的原料组成：岩土材料70份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石50份，高岭土50份；
添加剂30份，添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡92份，硬脂酸8份；
岩土材料为微纳级粉末，添加剂能粘结岩土材料，同时使岩土材料能流动打印。
一种喷射増材成型岩土模型材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述质量份取添加剂的各原料，并将各原料混合得到所需添加剂浆料；
(2)按照上述质量份分别取岩土材料的各原料和添加剂浆料，将岩土材料的各原料和添加剂浆料装填到3D打印机的进料***中，所述进料***包括数个喷射管道和一个注射管道，将岩土材料的各原料分别装填在不同喷射管道中，将添加剂浆料装填在注射管道中，添加剂浆料在注射管道内通过加热装置加热至70‐90℃；
(3)对需要的岩土模型材料进行分析，并建立数字化3D模型，对数字化3D模型进行分层切片，将数字化3D模型以平行于3D打印机的打印底板N个平面进行切片，将数字化3D模型分割成N+1层切片，每层切片的厚度为0.01mm‐10mm，每层切片的数据均包含岩土材料的各原料和添加剂的含量数据，将岩土材料的各原料和添加剂的含量数据分别转化为喷射速率和注射速率，并将喷射速率和注射速率传达至3D打印机的进料***；
(4)根据步骤(3)确定的喷射速率同时通过气压将岩土材料的各原料喷入螺杆搅拌***，并根据确定的注射速率同时将添加剂浆料挤入螺杆搅拌***中，螺杆搅拌***通过螺杆的转动混合岩土材料的各原料和添加剂浆料，所述螺杆的转速为45rpm，螺杆搅拌***内的温度为70‐90℃，岩土材料的各原料和添加剂浆料在螺杆搅拌***中实时混料，并在螺杆搅拌***的底部混合均匀，挤出，即得到喷射増材成型岩土模型材料。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料75份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石30份，河沙70份；添加剂25份，添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡85份，棕榈蜡8份，硬脂酸7份；余则与实施例1基本相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料65份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石55份，标准砂45份；添加剂35份，添加剂由以下质量份的原料组成：液蜡40份，石蜡30份，棕榈蜡15份，硬脂酸5份；余则与实施例1基本相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料80份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石50份，高岭土40份，标准砂10份；添加剂20份，添加剂由以下质量份的原料组成：液蜡70份，石蜡28份，硬脂酸7份；余则与实施例1基本相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料82份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石30份，高岭土45份，标准砂20份，粉煤灰5份；添加剂18份，添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡80份，棕榈蜡20份；余则与实施例1基本相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料68份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石20份，河沙65份，双飞粉15份；添加剂32份，添加剂由以下质量份的原料组成：石蜡60份，微晶蜡40份；余则与实施例1基本相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料72份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石60份，河沙20份，滑石粉20份；添加剂28份，添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡40份，微晶蜡60份；余则与实施例1基本相同。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料83份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石50份，河沙42份，双飞粉8份；添加剂17份，添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡82份，植物油12份，硬脂酸6份；余则与实施例1基本相同。
实施例9
本实施例与实施例1的区别仅在于，岩土材料76份，岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石50份，高岭土35份，标准砂12份，双飞粉3份；添加剂24份，添加剂由以下质量份的原料组成：棕榈蜡77份，矿物油8份，植物油15份；余则与实施例1基本相同。
表1本发明岩土模拟材料的性能参数
本发明的岩土材料为微纳级粉末，均匀混合，使得到的岩土模拟材料满足物理和力学性能要求，仿真度高，并能进行实时调整，相对于人工成形材料可控性及均匀性大大增强，岩土模型材料中岩石特性强，渗透系数较小，内摩擦角较大，土质特性强，粘聚力较大；本发明通过添加剂使岩土材料满足岩土模拟材料的混合粘结性要求和在3D打印中的流动打印要求；本发明的方法通过数字化3D模型，保证微观和宏观级别均能达到进行地质模型的精准控制，弥补传统岩土模型材料的建造不可控性，从岩土材料的可控性入手利用喷射成形达到结构的控制，便于实现一体化打印；本发明的方法结合了粉末喷射及浆料注射，实现了实时混合，弥补了岩土模型材料建设的单一性，实现宏观层级区分，实现对复杂自然环境的还原；本发明实现了模拟的精确性，提升工程及灾害的发生还原度，对灾害预测的发生和工程防护起到重要作用。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，由以下质量份的原料组成：岩土材料60-85份，添加剂15-40份，所述岩土材料为微纳级粉末，所述添加剂能粘结岩土材料，同时使岩土材料能流动打印。
2.根据权利要求1所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石35-95份，高岭土5-65份。
3.根据权利要求1所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石15-85份，河沙15-85份。
4.根据权利要求1所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石5-65份，标准砂40-85份。
5.根据权利要求1所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述岩土材料由以下质量份的原料组成：重金石10-60份，高岭土30-70份，标准砂10-40份。
6.根据权利要求2-5任一项所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述岩土材料还包括以下质量份的原料：粉煤灰2-40份，双飞粉0-20份和滑石粉5-40份中的一种。
7.根据权利要求1所述的喷射増材成型岩土模型材料，其特征在于，所述添加剂由以下质量份的原料组合中的一种组成：
石蜡90-100份，硬脂酸0-10份；
或石蜡77-91份，棕榈蜡5-15份，硬脂酸4-8份；
或液蜡38-88份，石蜡6-36份，棕榈蜡4-18份，硬脂酸2-8份；
或液蜡45-95份，石蜡5-45份，硬脂酸0-10份；
或石蜡55-95份，棕榈蜡5-45份；
或石蜡45-85份，微晶蜡15-55份；
或棕榈蜡20-60份，微晶蜡40-80份；
或棕榈蜡60-90份，植物油10-30份，硬脂酸0-10份；
或棕榈蜡52-88份，矿物油6-24份，植物油6-24份。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的喷射増材成型岩土模型材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照上述质量份取添加剂的各原料，并将各原料混合得到所需添加剂浆料；
（2）按照上述质量份分别取岩土材料的各原料和添加剂浆料，将岩土材料的各原料和添加剂浆料装填到3D打印机的进料***中，所述进料***包括数个喷射管道和一个注射管道，将岩土材料的各原料分别装填在不同喷射管道中，将添加剂浆料装填在注射管道中，添加剂在注射管道内通过加热装置加热至70-90℃；
（3）对需要的岩土模型材料进行分析，并建立数字化3D模型，对数字化3D模型进行分层切片，每层切片的数据均包含岩土材料的各原料和添加剂的含量数据，将岩土材料的各原料和添加剂的含量数据分别转化为喷射速率和注射速率，并将喷射速率和注射速率传达至3D打印机的进料***；
（4）根据步骤（3）确定的喷射速率同时通过气压将岩土材料的各原料喷入搅拌***，并根据确定的注射速率同时将添加剂浆料挤入搅拌***中，搅拌***内的温度为70-90℃，岩土材料的各原料和添加剂浆料在搅拌***中实时混料，并在搅拌***的底部混合均匀，挤出，即得到喷射増材成型岩土模型材料。
9.根据权利要求8所述的喷射増材成型岩土模型材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，将数字化3D模型以平行于3D打印机的打印底板N个平面进行切片，将数字化3D模型分割成N+1层切片，每层切片的厚度为0.01mm-10mm。
10.根据权利要求8所述的喷射増材成型岩土模型材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，搅拌***为螺杆搅拌***，所述螺杆搅拌***通过螺杆的转动混合岩土材料的各原料和添加剂浆料，所述螺杆的转速为30-60rpm。
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