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原文传递一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置及方法

专利名称：	一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置及方法
摘要：	本发明提供了一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置及方法，包括现场采集地下煤系地层煤岩体的结构参数，建立数字化地层模型，选取合理的相似材料配比，制备混凝土材料，运用3D打印技术，打印制备复杂层状结构类岩体模型，并进行养护，养护完成后，将整体模型取出，在特制的可调节底座的取芯机上进行取芯并对其进行加工打磨，最终得到层状预制缺陷煤岩体试样。本发明能较为准确的复原模拟地下工程地层中所包含的各种节理、裂隙、层理、断层等地质构造，较为准确的再现煤系地层产状，提供煤岩体试样可为复杂层状结构煤岩体的力学行为研究便利。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安科技大学
发明人：	伍永平;王同;高喜才;王琪
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910149184.0
公开号：	CN109883785A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	姚咏华
分类号：	G01N1/28(2006.01);G;G01;G01N;G01N1
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔中路58号
主权项：	1.一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，根据矿区或井田煤系地层综合柱状图，分析确定每一层煤或岩石产状、厚度、岩性结构参数；记录煤层或岩层中赋存的随机节理、裂隙、断层工程地质特征；现场取芯在实验室测定矿区煤系地层的岩石力学参数，根据现场采集的数据，建立数字化地层模型； S2，选取相似材料配比，制备混凝土浆液； S3，在3D打印机的pc端用CAD软件进行三维建模，创建成三维CAD模型用stl三角网格格式，将三维CAD模型切片分层，从stl三角网格格式导出G代码，指示3D打印机喷头移动到指定位置喷涂混凝土，打印制备复杂层状结构类岩体模型，并进行养护； S4，将整体模型在特制的可调节底座的取芯机上进行取芯，并对其进行加工打磨，最终得到层状预制缺陷煤岩体试样。 2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述断层工程地质特征包括节理、裂隙的长度、角度和走向密集度。 3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述岩石力学参数包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量和泊松比。 4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述混凝土浆液按照下述质量比的原料制备：水泥20～65％；石英砂20～65％；水10～20％；石膏5～10％；所述水泥选用42.5号硅酸盐；所述石英砂细度为70-140目。 5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述步骤S3，打印过程包括下述步骤： 1)选定打印位置，计算机自动生成打印路线； 2)计算机通过识别信号，控制驱动装置，将配置好的混凝土材料、聚乳酸高分子塑料浆通过挤料装置，分别进入打印喷头，由步进电机控制，经喷头挤出开始打印第一层； 3)按照上述pc端自动生成的打印路线，首先开启一号打印喷头，打印混凝土模型，当喷头行进至预制缺陷处时，关闭一号喷头，开启二号喷头，打印包括节理、裂隙、断层预制缺陷；当预制缺陷打印完成后，关闭二号喷头，开启一号喷头，继续打印混凝土模型；直至第一层铺装完毕； 4)当第一层混凝土模型达到初凝时间时，调整喷头的Z轴高度，自动开启打印程序，打印第二层；重复步骤1)～3)，直至混凝土模型铺装完成。 6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述步骤S3，进行养护待混凝土模型打印完成后，将其取出放入养护箱内，设定固定的温度20～25℃，湿度90～95％，静置28～30d。 7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，其特征在于，所述步骤S4，对试验试件进行加工打磨，研磨后试件两端面不平行度不应大于0.05mm，轴向偏差不应大于0.25°。 8.一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置，其特征在于，包括打印机外框架(2)，在打印机外框架(2)内设有打印平台和打印机pc端；所述打印平台上架设有行驶驱动电机(3)，在打印平台上还连接有Y方向行驶轨道(5)，所述Y方向行驶轨道(5)上设有由驱动轮(4)驱动的X方向行驶轨道(6)，在X方向行驶轨道(6)上设有3D打印机喷头(9)；所述3D打印机喷头(9)上设有导水管(7)和导料管(8)；在打印平台垂直设置有Z方向行驶轨道(10)，Z方向行驶轨道(10)底端设放料平台(11)。 9.根据权利要求8所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置，其特征在于，所述3D打印机喷头(9)包括PVC管道Y管(12)和设在其侧壁的进料管(16)，在PVC管道Y管(12)上端部设有与X方向行驶轨道(6)连接的电动机联轴节(17)，在PVC管道Y管(12)内设有镗孔螺旋钻(18)；在PVC管道Y管(12)下端设有打印喷嘴座(14)和其上的可替换喷嘴(15)。 10.根据权利要求8所述的一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置，其特征在于，所述打印喷嘴座(14)通过PVC管帽(13)与PVC管道Y管(12)连接。
所属类别：	发明专利