本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)及工藝領(lǐng)域，具體涉及一種噴射増材成型巖土模型材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來(lái)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)物理模型模擬，大比例縮小模型為工程實(shí)施及自然災(zāi)害模擬重現(xiàn)提供了可控的定量分析手段，此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)巖土材料的模擬，高效構(gòu)建高精度參數(shù)化模型并打印，縮短模型制作工期，提升工程及災(zāi)害分析的可靠性，推動(dòng)災(zāi)害研究和防護(hù)技術(shù)進(jìn)步。

巖土材料是巖土模型材料模擬中主要應(yīng)用的材料，其可打印性在地質(zhì)領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。目前，巖土模型材料的選取通常直接從工程及災(zāi)害發(fā)生地選取或者選取相似的材料進(jìn)行人工配比，但是直接從工程及災(zāi)害發(fā)生地選取的量少，而且選取較危險(xiǎn)和困難，選取相似的材料進(jìn)行人工配比，選用的材料常常無(wú)法達(dá)到對(duì)物理和力學(xué)性能的要求，而且由于人工選材對(duì)于宏微觀結(jié)構(gòu)的不可控性，通常也易導(dǎo)致材料性能無(wú)法達(dá)到要求，進(jìn)而導(dǎo)致人工模型在材料配比測(cè)試時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)模擬效果不能夠達(dá)到高度還原，不利于工程及災(zāi)害的重現(xiàn)分析測(cè)試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種物理和力學(xué)性能好，高度還原的噴射増材成型巖土模型材料及其制備方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種噴射増材成型巖土模型材料，由以下質(zhì)量份的原料組成：巖土材料60‐85份，添加劑15‐40份，所述巖土材料為微納級(jí)粉末，所述添加劑能粘結(jié)巖土材料，同時(shí)使巖土材料能流動(dòng)打印。

進(jìn)一步，所述巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石35‐95份，高嶺土5‐65份。

進(jìn)一步，所述巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石15‐85份，河沙15‐85份。

進(jìn)一步，所述巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石5‐65份，標(biāo)準(zhǔn)砂40‐85份。

進(jìn)一步，所述巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石10‐60份，高嶺土30‐70份，標(biāo)準(zhǔn)砂10‐40份。

進(jìn)一步，所述巖土材料還包括以下質(zhì)量份的原料：粉煤灰2‐40份，雙飛粉0‐20份和滑石粉5‐40份中的一種。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟90‐100份，硬脂酸0‐10份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟77‐91份，棕櫚蠟5‐15份，硬脂酸4‐8份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：液蠟38‐88份，石蠟6‐36份，棕櫚蠟4‐18份，硬脂酸2‐8份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：液蠟45‐95份，石蠟5‐45份，硬脂酸0‐10份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟55‐95份，棕櫚蠟5‐45份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟45‐85份，微晶蠟15‐55份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟20‐60份，微晶蠟40‐80份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟60‐90份，植物油10‐30份，硬脂酸0‐10份。

進(jìn)一步，所述添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟52‐88份，礦物油6‐24份，植物油6‐24份。

一種噴射増材成型巖土模型材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)按照上述質(zhì)量份取添加劑的各原料，并將各原料混合得到所需添加劑漿料；

(2)按照上述質(zhì)量份分別取巖土材料的各原料和添加劑漿料，將巖土材料的各原料和添加劑漿料裝填到3D打印機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)中，所述進(jìn)料系統(tǒng)包括數(shù)個(gè)噴射管道和一個(gè)注射管道，將巖土材料的各原料分別裝填在不同噴射管道中，將添加劑漿料裝填在注射管道中，添加劑漿料在注射管道內(nèi)通過(guò)加熱裝置加熱至70‐90℃；

(3)對(duì)需要的巖土模型材料進(jìn)行分析，并建立數(shù)字化3D模型，對(duì)數(shù)字化3D模型進(jìn)行分層切片，每層切片的數(shù)據(jù)均包含巖土材料的各原料和添加劑的含量數(shù)據(jù)，將巖土材料的各原料和添加劑的含量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為噴射速率和注射速率，并將噴射速率和注射速率傳達(dá)至3D打印機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)；

(4)根據(jù)步驟(3)確定的噴射速率同時(shí)通過(guò)氣壓將巖土材料的各原料噴入攪拌系統(tǒng)，并根據(jù)確定的注射速率同時(shí)將添加劑漿料擠入攪拌系統(tǒng)中，攪拌系統(tǒng)內(nèi)的溫度為70‐90℃，巖土材料的各原料和添加劑漿料在攪拌系統(tǒng)中實(shí)時(shí)混料，并在攪拌系統(tǒng)的底部混合均勻，擠出，即得到噴射増材成型巖土模型材料。

進(jìn)一步，所述步驟(3)中，將數(shù)字化3D模型以平行于3D打印機(jī)的打印底板N個(gè)平面進(jìn)行切片，將數(shù)字化3D模型分割成N+1層切片，每層切片的厚度為0.01mm‐10mm。

進(jìn)一步，所述步驟(4)中，攪拌系統(tǒng)為螺桿攪拌系統(tǒng)，所述螺桿攪拌系統(tǒng)通過(guò)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)混合巖土材料的各原料和添加劑漿料，所述螺桿的轉(zhuǎn)速為30‐60rpm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的巖土材料為微納級(jí)粉末，均勻混合，使得到的巖土模擬材料滿足物理和力學(xué)性能要求，仿真度高，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，相對(duì)于人工成形材料可控性及均勻性大大增強(qiáng)；

(2)本發(fā)明通過(guò)添加劑使巖土材料滿足巖土模擬材料的混合粘結(jié)性要求和在3D打印中的流動(dòng)打印要求；

(3)本發(fā)明的方法通過(guò)數(shù)字化3D模型，保證微觀和宏觀級(jí)別均能達(dá)到進(jìn)行地質(zhì)模型的精準(zhǔn)控制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)巖土模型材料的建造不可控性，從巖土材料的可控性入手利用噴射成形達(dá)到結(jié)構(gòu)的控制，便于實(shí)現(xiàn)一體化打?。?/p>

(4)本發(fā)明的方法結(jié)合了粉末噴射及漿料注射，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)混合，彌補(bǔ)了巖土模型材料建設(shè)的單一性，實(shí)現(xiàn)宏觀層級(jí)區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜自然環(huán)境的還原；

(5)本發(fā)明提高了模擬的精確性，提升工程及災(zāi)害的發(fā)生還原度，對(duì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的發(fā)生和工程防護(hù)起到重要作用。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種噴射増材成型巖土模型材料，由以下質(zhì)量份的原料組成：巖土材料70份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石50份，高嶺土50份；

添加劑30份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟92份，硬脂酸8份；

巖土材料為微納級(jí)粉末，添加劑能粘結(jié)巖土材料，同時(shí)使巖土材料能流動(dòng)打印。

一種噴射増材成型巖土模型材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)按照上述質(zhì)量份取添加劑的各原料，并將各原料混合得到所需添加劑漿料；

(2)按照上述質(zhì)量份分別取巖土材料的各原料和添加劑漿料，將巖土材料的各原料和添加劑漿料裝填到3D打印機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)中，所述進(jìn)料系統(tǒng)包括數(shù)個(gè)噴射管道和一個(gè)注射管道，將巖土材料的各原料分別裝填在不同噴射管道中，將添加劑漿料裝填在注射管道中，添加劑漿料在注射管道內(nèi)通過(guò)加熱裝置加熱至70‐90℃；

(3)對(duì)需要的巖土模型材料進(jìn)行分析，并建立數(shù)字化3D模型，對(duì)數(shù)字化3D模型進(jìn)行分層切片，將數(shù)字化3D模型以平行于3D打印機(jī)的打印底板N個(gè)平面進(jìn)行切片，將數(shù)字化3D模型分割成N+1層切片，每層切片的厚度為0.01mm‐10mm，每層切片的數(shù)據(jù)均包含巖土材料的各原料和添加劑的含量數(shù)據(jù)，將巖土材料的各原料和添加劑的含量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為噴射速率和注射速率，并將噴射速率和注射速率傳達(dá)至3D打印機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)；

(4)根據(jù)步驟(3)確定的噴射速率同時(shí)通過(guò)氣壓將巖土材料的各原料噴入螺桿攪拌系統(tǒng)，并根據(jù)確定的注射速率同時(shí)將添加劑漿料擠入螺桿攪拌系統(tǒng)中，螺桿攪拌系統(tǒng)通過(guò)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)混合巖土材料的各原料和添加劑漿料，所述螺桿的轉(zhuǎn)速為45rpm，螺桿攪拌系統(tǒng)內(nèi)的溫度為70‐90℃，巖土材料的各原料和添加劑漿料在螺桿攪拌系統(tǒng)中實(shí)時(shí)混料，并在螺桿攪拌系統(tǒng)的底部混合均勻，擠出，即得到噴射増材成型巖土模型材料。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料75份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石30份，河沙70份；添加劑25份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟85份，棕櫚蠟8份，硬脂酸7份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料65份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石55份，標(biāo)準(zhǔn)砂45份；添加劑35份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：液蠟40份，石蠟30份，棕櫚蠟15份，硬脂酸5份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料80份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石50份，高嶺土40份，標(biāo)準(zhǔn)砂10份；添加劑20份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：液蠟70份，石蠟28份，硬脂酸7份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料82份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石30份，高嶺土45份，標(biāo)準(zhǔn)砂20份，粉煤灰5份；添加劑18份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟80份，棕櫚蠟20份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例6

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料68份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石20份，河沙65份，雙飛粉15份；添加劑32份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：石蠟60份，微晶蠟40份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例7

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料72份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石60份，河沙20份，滑石粉20份；添加劑28份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟40份，微晶蠟60份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例8

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料83份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石50份，河沙42份，雙飛粉8份；添加劑17份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟82份，植物油12份，硬脂酸6份；余則與實(shí)施例1基本相同。

實(shí)施例9

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，巖土材料76份，巖土材料由以下質(zhì)量份的原料組成：重金石50份，高嶺土35份，標(biāo)準(zhǔn)砂12份，雙飛粉3份；添加劑24份，添加劑由以下質(zhì)量份的原料組成：棕櫚蠟77份，礦物油8份，植物油15份；余則與實(shí)施例1基本相同。

表1本發(fā)明巖土模擬材料的性能參數(shù)

本發(fā)明的巖土材料為微納級(jí)粉末，均勻混合，使得到的巖土模擬材料滿足物理和力學(xué)性能要求，仿真度高，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，相對(duì)于人工成形材料可控性及均勻性大大增強(qiáng)，巖土模型材料中巖石特性強(qiáng)，滲透系數(shù)較小，內(nèi)摩擦角較大，土質(zhì)特性強(qiáng)，粘聚力較大；本發(fā)明通過(guò)添加劑使巖土材料滿足巖土模擬材料的混合粘結(jié)性要求和在3D打印中的流動(dòng)打印要求；本發(fā)明的方法通過(guò)數(shù)字化3D模型，保證微觀和宏觀級(jí)別均能達(dá)到進(jìn)行地質(zhì)模型的精準(zhǔn)控制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)巖土模型材料的建造不可控性，從巖土材料的可控性入手利用噴射成形達(dá)到結(jié)構(gòu)的控制，便于實(shí)現(xiàn)一體化打?。槐景l(fā)明的方法結(jié)合了粉末噴射及漿料注射，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)混合，彌補(bǔ)了巖土模型材料建設(shè)的單一性，實(shí)現(xiàn)宏觀層級(jí)區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜自然環(huán)境的還原；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了模擬的精確性，提升工程及災(zāi)害的發(fā)生還原度，對(duì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的發(fā)生和工程防護(hù)起到重要作用。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。