[发明专利]一种大型复杂地质物理模型3D成型系统

说明书

一种大型复杂地质物理模型3D成型系统，包括3D成型机、搅拌机、送料控制器、打印头及控制台；打印头安装在3D成型机上，打印头通过送料控制器与搅拌机相连，通过控制台对搅拌、送料及打印过程进行统一控制；送料控制器包括两种结构形式，分别为气泵驱动式结构和电机驱动式结构。本发明的3D成型机具备模型密实度调整能力，可打印多种材料；搅拌机采用整体密封设计且具备除尘功能，上料和搅拌实现全自动化，搅拌过程中具备过滤功能，可将粒径超标颗粒从相似材料中剔除，避免打印头堵塞；送料控制器可精确控制出料量，出料量可调能力强，可进行拆卸和清洗；打印头可快速调节打印精度，具备相似材料循环防堵塞功能和相似材料冲洗净化防堵塞功能。

技术领域

本发明属于大型三维物理模型制备技术领域，特别是涉及一种大型复杂地质物理模型3D成型系统。

背景技术

通过物理模型试验来模拟自然岩体工程开挖过程，是预测和预报大型岩体工程地质灾害的重要方法。

目前，大型物理模型通常采用浇筑法、捣实法及小块砌筑法进行制作，但通过这些传统方法制作的物理模型的结构较为单一，并且无法制作出内部含有断层、褶皱及层理等结构面的物理模型。而3D打印技术是一种将复杂的物体层层切片后再堆叠起来形成一个完整物体的方法，因此，3D打印技术为制作内部含有不同类型结构面的物理模型提供了一种新思路。

目前，用于制作物理模型的3D打印方法主要有两种，一种是光固化法，另一种是三维喷涂粘结法。光固化法是利用光敏树脂在一定波长照射下可以固化的特点进行物理模型的制作。三维喷涂粘结法是利用滚筒将粉末材料铺成一层，然后在计算机控制下，按照下一个建造截面的成型数据有选择的喷射粘结剂来建造层面，最终完成一个三维粉体粘结模型。

尽管上述两种3D打印方法可以内部含有不同类型结构面的物理模型，但是，对于制作大型复杂地质物理模型仍存在不足：1、由于大型复杂地质物理模型需要由岩体相似材料制成，而岩体相似材料通常由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成，但由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成岩体相似材料是无法应用于上述两种3D打印方法的；2、制作物理模型时无法对密实度进行调整；3、只能打印一种材料，不能同时打印两种以上的材料。

由于地质模型需要由岩体相似材料制成，并且岩体相似材料通常由水泥、石膏、砂子、铁粉及重晶石等组成，在制作地质模型前，则需要先将岩体相似材料搅拌均匀，然后才能由泵送设备将搅拌好的岩体相似材料供给3D成型机的打印头进行使用。

但是，目前岩体相似材料的搅拌工作基本上都是由建筑行业的普通混凝土搅拌机完成，但普通混凝土搅拌机在运行时会产生大量的浮尘，严重影响实验室内的环境；普通混凝土搅拌机的上料和搅拌操作还需要半人工化，无形中增加了操作人员的劳动强度；在岩体相似材料中经常会包含有粒径偏大的颗粒，但在岩体相似材料搅拌过程中又很难发现，一旦粒径偏大的颗粒随着搅拌好的岩体相似材料进入3D成型机的打印头内，就会导致打印头阻塞，从而使打印工作被迫停止。

再有，对于搅拌好的岩体相似材料主要通过两种泵送设备进行输送，包括螺旋式输送机和柱塞式输送机。但是，现有的两种泵送设备均无法精确控制出料量，且出料量的可调能力弱；当泵送工作结束后，泵送设备不便于拆卸和清洗。

另外，大型地质模型3D成型机可用的打印头功能单一，其打印精度固定而无法调节，特别是在暂停打印的期间，打印头内残留的岩体相似材料极易出现快速凝固而堵塞打印头的情况。

发明内容