[發(fā)明專利]一種基于3D打印的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)模型的實(shí)體化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610480774.8
• 申請(qǐng)日: 2016-06-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106182330B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田威;韓女;馬北京
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)安大學(xué)
• 主分類號(hào): B28B1/00
• 分類號(hào): B28B1/00;B33Y10/00;B33Y50/00;B33Y80/00
• 代理公司: 西安恒泰知識(shí)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)明屬于混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損細(xì)觀檢測(cè)及物理試驗(yàn)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于3D打印的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)模型的實(shí)體化方法。

背景技術(shù)

鑒于混凝土材料在工程實(shí)踐領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其物理力學(xué)性能的深入研究具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值與理論指導(dǎo)意義。混凝土材料是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)、多層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)復(fù)合材料體系，其宏觀行為所表現(xiàn)的不規(guī)則、非線性等特征是其細(xì)微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的反映。而混凝土材料在不同自然環(huán)境以及荷載作用下，內(nèi)部孔隙逐漸增大，材料越來(lái)越疏松，導(dǎo)致強(qiáng)度降低結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這得到了大量試驗(yàn)的證實(shí)。混凝土材料內(nèi)部的孔隙及微裂紋等內(nèi)部缺陷與其宏觀力學(xué)行為和耐久性有著密切的聯(lián)系。因此，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的分布及變化研究極為重要。然而目前針對(duì)混凝土孔隙的研究也局限于建立計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，未能實(shí)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體化研究。阻礙了從根本上解決混凝土材料在不同自然環(huán)境和荷載作用下的孔隙的變化特征對(duì)材料破損機(jī)理的影響問(wèn)題。

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的新型的快速成型技術(shù)。該技術(shù)被稱為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。它將為成為直觀展示混凝土孔隙結(jié)構(gòu)分布及變化的技術(shù)平臺(tái)。同時(shí)，3D打印試件獨(dú)有的力學(xué)及光學(xué)特性為今后開(kāi)展應(yīng)力凍結(jié)試驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為深入研究混凝土材料物理力學(xué)特性提供了全新的途徑。目前，3D打印技術(shù)還沒(méi)有應(yīng)用于此類問(wèn)題的研究。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于3D打印的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)模型的實(shí)體化方法。

為了實(shí)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3D打印的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)模型的方法，其特征在于，包括步驟如下：

1)利用CT機(jī)對(duì)混凝土試件進(jìn)行逐層掃描，獲取混凝土試件的多幅二維斷層掃描圖像；

2)將步驟1)所得二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入MIMICS軟件，對(duì)所述多幅二維斷層掃描圖像進(jìn)行閾值分割,獲取混凝土試件的孔隙和含孔隙的混凝土試件數(shù)字模型；

3)將數(shù)字模型輸入3D打印機(jī)，完成混凝土試件的孔隙和含孔隙的混凝土試件數(shù)字模型的打印試件制作；

4)將打印試件同步進(jìn)行加載及應(yīng)力凍結(jié)試驗(yàn)。

利用打印材料特有的應(yīng)力凍結(jié)特性，在加載過(guò)程中對(duì)打印試件進(jìn)行應(yīng)力凍結(jié)，可獲得反應(yīng)試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。

作為優(yōu)選，所述步驟1)中，對(duì)混凝土試件進(jìn)行CT掃描時(shí)，選擇間距為0.5mm進(jìn)行連續(xù)掃描。

所述應(yīng)力凍結(jié)試驗(yàn)按照以下參考文獻(xiàn)進(jìn)行：

《基于3D打印技術(shù)的巖體復(fù)雜結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場(chǎng)的可視化方法》，鞠楊，謝和平等，《中國(guó)科學(xué)》，2014年，第59卷，第32期：3109～3119。

作為優(yōu)選，所述步驟2)包含以下子步驟：

步驟2a，設(shè)定混凝土試件中孔隙的閾值范圍，根據(jù)設(shè)定的閾值范圍分別對(duì)所述多個(gè)二維斷層掃描圖像進(jìn)行閾值分割，得到孔隙的多幅二維斷層掃描圖像；

步驟2b，對(duì)所述孔隙和其他實(shí)體的多幅二維斷層掃描圖像分別進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)模型重建，得到混凝土試件的三維模型文件。

進(jìn)一步地，步驟2a中，所述孔隙的最佳閾值范圍為-297Hu～1374Hu。

作為優(yōu)選，所述步驟3)孔隙部分打印材料為支撐網(wǎng)格材料，而打印試件除孔隙部分的其它實(shí)體材料是以多種光聚物材料為基礎(chǔ)，按特定配合比合成的復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有應(yīng)力凍結(jié)特性。

作為優(yōu)選，所述步驟3)孔隙與除孔隙部分的其它實(shí)體采用不同的打印疏密程度，并結(jié)合基材自身密度實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙與除孔隙部分的其它實(shí)體的區(qū)分。

作為優(yōu)選，所述步驟3)中相應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)合UV光固化三維打印技術(shù)是按數(shù)據(jù)文件設(shè)定采用UV光線照射打印材料，均勻逐層成型有選擇性的完成打印試樣制作。