[發(fā)明專利]基于CT掃描及3D打印制作含裂隙柱狀巖體模型的方法

有效

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• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN106127856B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田威;裴志茹;田雪萍
• 申請（專利權(quán)）人: 長安大學(xué)
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61216
• 代理人: 李鄭建

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖體力學(xué)與工程領(lǐng)域，涉及巖石材料室內(nèi)力學(xué)實驗研究時模型的制作，具體涉及一種基于CT掃描及3D打印技術(shù)制作含裂隙柱狀巖體模型的方法。

背景技術(shù)

巖體是經(jīng)過長時間地質(zhì)作用形成的地質(zhì)體，包含了多種礦物質(zhì)和大量孔隙、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，進行實驗時研究巖體的力學(xué)性能的手段主要有現(xiàn)場原位實驗和室內(nèi)模型實驗。依靠現(xiàn)有的技術(shù)水平進行現(xiàn)場原位取樣和實驗，工程量大、成本高，采樣樣本有限，得到的實驗結(jié)果離散型大，難以達到工程實踐的需要。室內(nèi)模型實驗多采用相似材料進行澆筑模型，雖然力學(xué)性能與天然巖體比較接近，但是采用人工制樣方法，在試樣內(nèi)部預(yù)制裂隙的可重復(fù)性較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試樣幾乎無法完成。

3D打印技術(shù)是一種通過逐層粘接累加的方式，將粉末狀的塑料或金屬材料構(gòu)造成三維實體的方法。隨著高新技術(shù)的逐漸發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)與CT掃描技術(shù)、計算機輔助技術(shù)、材料技術(shù)和激光技術(shù)相結(jié)合，成功運用于醫(yī)療、航空、國防、建筑業(yè)、制造業(yè)等眾多領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)操作的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于CT掃描及3D打印制作含裂隙柱狀巖體模型的方法，該方法將CT掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合，能夠模擬天然巖體試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，能夠通過三維圖像處理軟件制作出滿足不同實驗要求的裂隙，并且能夠大量制作具有相同裂隙的柱狀巖體模型。

為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

一種基于CT掃描及3D打印制作含裂隙柱狀巖體模型的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

1)利用CT機對天然柱狀巖體試樣進行掃描，得到試樣的掃描圖像；

2)將步驟1)中得到的圖像以DICOM的格式導(dǎo)出，作為掃描數(shù)據(jù)；

3)將步驟2)中得到的數(shù)據(jù)輸入MIMICS軟件中，對圖像進行分割處理后，利用編制程序?qū)D像進行三維蒙板編輯，得到含裂隙巖體特定尺寸和傾角的裂隙，進行3D計算得到含裂隙柱狀巖體的三維模型，并以STL的格式導(dǎo)出；

4)選擇含裂隙巖體模型制作需要的粉末狀原材料，包括砂粉末材料、裂隙粉末材料和膠結(jié)材料；

5)將步驟3)中得到的STL文件導(dǎo)入到3D打印機中，利用3D打印機和3DP工藝進行含裂隙柱狀巖體模型的制作；

6)含裂隙柱狀巖體模型制作完成后，進行后期處理，即得到含裂隙的柱狀巖體三維模型。

根據(jù)本發(fā)明，步驟3)所述的對圖像進行分割處理是區(qū)分出柱狀試樣內(nèi)部的高密度區(qū)和低密度區(qū)，還原出天然含裂隙柱狀巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟3)中所述的含裂隙巖體的裂隙模型制作時，采用三維蒙板編輯處理，進行設(shè)定裂隙蒙板的形狀、長寬和傾角后，再在模型中將裂隙蒙板剔除，按不同的實驗要求預(yù)制出不同尺寸和傾角的裂隙。

進一步的，首先將裂隙蒙板的形狀設(shè)定為方形，然后對裂隙蒙板的長寬和傾角進行設(shè)定，可以根據(jù)實驗方案設(shè)定不同長度和不同傾角的裂隙蒙板，將裂隙蒙板的幾何信息設(shè)定完成后，在模型上按設(shè)置好的尺寸編輯剔除裂隙蒙板，此步驟也可以根據(jù)實驗方案剔除不同數(shù)量的裂隙蒙板，三維蒙板編輯完成后進行三維重構(gòu)，得到含裂隙的柱狀巖體三維模型。

作為本發(fā)明優(yōu)選的，步驟4)中含裂隙柱狀巖體模型選擇的砂粉末材料，裂隙采用的裂隙粉末材料，用不同配比的膠結(jié)材料進行粘接。

作為本發(fā)明優(yōu)選的，步驟5)中的3D打印機和3DP工藝進行含裂隙柱狀巖體模型的制作具體方法包括：鋪粉輥將送粉缸中的砂粉末材料或裂隙粉末材料均勻地鋪在工作活塞上，打印機的噴頭將膠結(jié)材料按照計算機預(yù)定的截面形狀噴灑在粉末上進行粘接，然后成型缸下降一個層厚，鋪粉輥開始再一次鋪粉，再進行粘結(jié)，重復(fù)上述過程直至整個含裂隙柱狀巖體模型制作完成。

作為本發(fā)明優(yōu)選的，步驟5)中低密度區(qū)的處理方法是：在3D打印含裂隙柱狀巖體試樣時，在低密度區(qū)域部分進行鋪粉但不進行粘接，然后將這些粉末封固在含裂隙柱狀巖體模型內(nèi)部，以此來模擬天然含裂隙柱狀巖體內(nèi)部密度較低的區(qū)域。

作為本發(fā)明優(yōu)選的，步驟6)中，所述的后期處理的方法是，含裂隙柱狀巖體模型打印完成，待粉末充分粘合后，將裂隙粉末材料取出，并刷去表面多余粉末，晾置使膠結(jié)材料充分凝結(jié)揮發(fā)，得到最終的含裂隙柱狀巖體試樣。