一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统
专利汇可以提供一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于 快速成型技术 的三维裂隙 岩石 材料试件制备系统，包括控制装置、配料装置、打印成型装置；打印成型装置包括打印喷头，配料桶通过给料管与打印喷头相连，打印成型装置还包括能够带动打印喷头沿X向运动的X向控制机构、沿Y向运动的Y向控制机构以及沿Z向运动的Z向控制机构，其中，X向为三维裂隙岩石材料试件的长度方向，Y向为三维裂隙岩石材料试件的宽度方向，Z向为三维裂隙岩石材料试件的高度方向。本实用新型能进行传统手段无法制备的复杂裂隙岩石试件模型的制备，大大降低了试件制作难度和工人劳动强度。，下面是一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统专利的具体信息内容。
1.一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，包括控制装置、配料装置、打印成型装置，控制装置通过集成线分别与配料装置和打印成型装置相连，所述配料装置包括配料桶架、设置在配料桶架上的配料桶和伺服输料泵，配料桶内盛装有打印所需的混合材料，配料桶的出料口与给料管相连通，配料桶与伺服输料泵相连；打印成型装置包括打印喷头，配料桶通过给料管与打印喷头相连，打印成型装置还包括能够带动打印喷头沿X向运动的X向控制机构、沿Y向运动的Y向控制机构以及沿Z向运动的Z向控制机构，其中，X向为三维裂隙岩石材料试件的长度方向，Y向为三维裂隙岩石材料试件的宽度方向，Z向为三维裂隙岩石材料试件的高度方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述配料桶上设置有重量传感器，重量传感器与计算机相连；所述控制装置还包括控制台和计算机，计算机设置在控制台上。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述X向控制机构包括X向伺服电机、与X向伺服电机的输出轴相连的X向滚珠丝杠、与X向滚珠丝杠相连的X向滑板以及设置在X向滚珠丝杠一侧且与X向滑板相适配的X向导轨，X向滚珠丝杠的长度方向与X向导轨的长度方向相互平行，X向滑板沿X向导轨滑动；
所述Z向控制机构包括Z向伺服电机、与Z向伺服电机的输出轴相连的Z向滚珠丝杠、与Z向滚珠丝杠相连的Z向滑板以及与Z向滚珠丝杠的长度方向相互平行且与Z向滑板相适配的Z向导轨，Z向滑板沿Z向导轨滑动，Z向伺服电机和Z向导轨均设置在X向滑板上；
所述Y向控制机构包括Y向伺服电机、与Y向伺服电机的输出轴相连的Y向滚珠丝杠、与Y向滚珠丝杠相连的Y向滑板以及设置在Y向滚珠丝杠一侧且与Y向滑板相适配的Y向导轨，Y向滑板与打印喷头紧固相连，Y向伺服电机和Y向导轨均与Z向滑板相连；
所述打印喷头在X向控制机构、Y向控制机构及Z向控制机构的配合下逐层进行三维立体打印，实现三维裂隙岩石材料试件的快速成型。
4.根据权利要求3所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述Z向导轨有两条，其分别设置在Z向滚珠丝杠的两侧；所述打印成型装置还包括X向滚珠丝杠支撑架和Z向滚珠丝杠支撑架，X向滚珠丝杠支撑架上设置有供X向滚珠丝杠穿过的X向导向环，Z向滚珠丝杠支撑架的两端分别与两条Z向导轨的顶端相连，Z向滚珠丝杠支撑架上设置有供Z向滚珠丝杠穿过的Z向导向环；所述Y向控制机构还包括Y向伺服电机定位板，Y向伺服电机定位板与Z向滑板紧固连接，Y向伺服电机和Y向导轨均设置在Y向伺服电机定位板上；所述Z向滑板的顶部设置有供给料管穿过的限位环。
5.根据权利要求3所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统还包括实验装置，实验装置包括实验加载装置和实验台；实验台的顶端一侧设置有试件打印支撑机构、另一侧放置有用于盛装试件的试件盒，实验台的下方设置有恒温箱，恒温箱内盛放有已打印完的试件；所述实验加载装置包括定位底板和设置在定位底板上的X向加载机构、Y向加载机构和Z向加载机构，三维裂隙岩石材料试件打印完成后置入试件盒内，试件盒放置在定位底板的中央位置，试件盒的顶端、左端、右端、前端和后端均开设有加载孔，其中，开设在试件盒左端的加载孔的中轴线与开设在试件盒右端的加载孔的中轴线位于同一条直线上，开设在试件盒前端的加载孔的中轴线与开设在试件盒后端的加载孔的中轴线位于同一条直线上。
6.根据权利要求5所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述试件打印支撑机构包括若干层自下而上依次叠放的试件围套，试件围套位于打印喷头的下方，各试件围套设置有用于放置三维裂隙岩石材料试件打印过程中各二维层片的容置腔。
7.根据权利要求6所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，各所述试件围套均包括两个U型框板，两个U型框板对接配合成一个矩形框板，各U型框板的顶端均设置有U型凸楞，各U型框板的底端与U型凸楞位置相对的地方均开设有U型凹槽，U型框板的两端分别固连有定位耳板，同属一个试件围套的两个U型框板通过螺栓螺母组件紧固定位，相邻两层试件围套通过相对的U型凸楞和U型凹槽连接定位；所述实验台上设置有试件底座，试件底座的顶端设置有口字型凸楞，口字型凸楞与位于最底层的试件围套的两个U型框板的U型凹槽连接定位。
8.根据权利要求5所述的一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，其特征在于，所述X向加载机构包括X向加载油缸、X向加载油缸定位座、X向挡板及X向阻力臂，X向加载油缸设置在X向加载油缸定位座上，X向挡板位于X向加载油缸定位座的对侧，X向加载油缸定位座通过多根X向支撑杆与X向挡板相连，X向阻力臂与X向挡板固连，X向加载油缸的液压杆能够穿过试件盒左端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加X向加载力，X向阻力臂穿过试件盒右端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触；
Y向加载机构包括Y向加载油缸、Y向加载油缸定位座、Y向挡板及Y向阻力臂，Y向加载油缸设置在Y向加载油缸定位座上，Y向挡板位于Y向加载油缸定位座的对侧，Y向加载油缸定位座通过多根Y向支撑杆与Y向挡板相连，Y向阻力臂与Y向挡板固连，Y向加载油缸的液压缸能够穿过试件盒前端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Y向加载力，Y向阻力臂穿过试件盒后端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触；Z向加载机构 包括Z向加载油缸和Z向加载油缸定位座，Z向记载油缸设置在Z向加载油缸定位座上，Z向加载油缸定位座位于试件盒的上方，Z向加载油缸定位座通过多根Z向支撑杆与定位底板相连，Z向加载油缸的液压杆能够穿过试件盒顶端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Z向加载力。
一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统
技术领域
背景技术
力学性能的变化规律，对地下工程稳定性控制具有很重要的指导意义。
事故都是由于岩体内部的原生裂纹在外力作用下扩展生长最终贯通的结果。针对此问题，
前人开展了大量的实验工作研究受压情况下岩体内部裂纹的扩展贯通情况，然而试件制作
过程中如何加工预制裂隙是一个比较困难的问题。有关含裂隙岩体相关性质的研究大部分
集中在石膏、水泥砂浆等与其他混合料根据一定配比制作的类岩石相似材料上，传统裂隙
加工主要采用掺入裂纹片、预埋金属条或者聚合物薄条等方法。
相似程度低，不能真实反映岩石裂隙的扩展规律。
系统。
装置包括配料桶架、设置在配料桶架上的配料桶和伺服输料泵，配料桶内盛装有打印所需
的混合材料，配料桶的出料口与给料管相连通，配料桶与伺服输料泵相连；打印成型装置包
括打印喷头，配料桶通过给料管与打印喷头相连，打印成型装置还包括能够带动打印喷头
沿X向运动的X向控制机构、沿Y向运动的Y向控制机构以及沿Z向运动的Z向控制机构，其中，
X向为三维裂隙岩石材料试件的长度方向，Y向为三维裂隙岩石材料试件的宽度方向，Z向为
三维裂隙岩石材料试件的高度方向。
导轨，X向滚珠丝杠的长度方向与X向导轨的长度方向相互平行，X向滑板沿X向导轨滑动；
适配的Z向导轨，Z向滑板沿Z向导轨滑动，Z向伺服电机和Z向导轨均设置在X向滑板上；
导轨，Y向滑板与打印喷头紧固相连，Y向伺服电机和Y向导轨均与Z向滑板相连；
穿过的X向导向环，Z向滚珠丝杠支撑架的两端分别与两条Z向导轨的顶端相连，Z向滚珠丝
杠支撑架上设置有供Z向滚珠丝杠穿过的Z向导向环；所述Y向控制机构还包括Y向伺服电机
定位板，Y向伺服电机定位板与Z向滑板紧固连接，Y向伺服电机和Y向导轨均设置在Y向伺服
电机定位板上；所述Z向滑板的顶部设置有供给料管穿过的限位环。
置有用于盛装试件的试件盒，实验台的下方设置有恒温箱，恒温箱内盛放有已打印完的试
件；所述实验加载装置包括定位底板和设置在定位底板上的X向加载机构、Y向加载机构和Z
向加载机构，三维裂隙岩石材料试件打印完成后置入试件盒内，试件盒放置在定位底板的
中央位置，试件盒的顶端、左端、右端、前端和后端均开设有加载孔，其中，开设在试件盒左端的加载孔的中轴线与开设在试件盒右端的加载孔的中轴线位于同一条直线上，开设在试
件盒前端的加载孔的中轴线与开设在试件盒后端的加载孔的中轴线位于同一条直线上。
凹槽，U型框板的两端分别固连有定位耳板，同属一个试件围套的两个U型框板通过螺栓螺
母组件紧固定位，相邻两层试件围套通过相对的U型凸楞和U型凹槽连接定位；所述实验台
上设置有试件底座，试件底座的顶端设置有口字型凸楞，口字型凸楞与位于最底层的试件
围套的两个U型框板的U型凹槽连接定位。
载油缸定位座通过多根X向支撑杆与X向挡板相连，X向阻力臂与X向挡板固连，X向加载油缸
的液压杆能够穿过试件盒左端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加X向加载
力，X向阻力臂穿过试件盒右端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触；Y向
加载机构包括Y向加载油缸、Y向加载油缸定位座、Y向挡板及Y向阻力臂，Y向加载油缸设置
在Y向加载油缸定位座上，Y向挡板位于Y向加载油缸定位座的对侧，Y向加载油缸定位座通
过多根Y向支撑杆与Y向挡板相连，Y向阻力臂与Y向挡板固连，Y向加载油缸的液压缸能够穿
过试件盒前端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Y向加载力，Y向阻力臂穿
过试件盒后端的加载孔与试件盒内的三维裂隙岩石材料试件相接触；Z向加载机构包括Z向
加载油缸和Z向加载油缸定位座，Z向记载油缸设置在Z向加载油缸定位座上，Z向加载油缸
定位座位于试件盒的上方，Z向加载油缸定位座通过多根Z向支撑杆与定位底板相连，Z向加
载油缸的液压杆能够穿过试件盒顶端的加载孔对试件盒内的三维裂隙岩石材料试件施加Z
向加载力。
混合材料的配给，计算机根据规划出的打印路径控制打印成型装置进行三维裂隙岩石材料
试件的逐层打印，计算机控制实验加载装置对打印出的三维裂隙岩石材料试件进行加载试
验。
45、Y向支撑杆 46、Z向加载油缸 47、Z向加载油缸定位座 48、Y向阻力臂
具体实施方式
37分别与配料装置、打印成型装置和实验装置相连；所述控制装置包括控制台36，控制台36
上设置有计算机计算机完成试件的三维数字模型的建立、模型截面的分割、二维层片信息
的识别以及打印路径的规划，计算机根据建立的三维数字模型控制配料装置进行打印所需
的混合材料的配给，打印成型装置包括打印喷头1，配料装置通过给料管2与打印喷头1相
连，计算机根据规划出的打印路径控制打印成型装置进行三维裂隙岩石材料试件的逐层打
印，实验装置包括实验加载装置，计算机控制实验加载装置对打印出的三维裂隙岩石材料
试件进行加载试验。
28与伺服输料泵30相连；所述配料桶28上设置有重量传感器31，重量传感器31与计算机相
连，计算机通过控制重量传感器31控制配料桶28内混合材料的重量，所述混合材料为人工
精确配治的水、细沙、石膏和石灰的混合膏体原料。
X向为试件21的长度方向，Y向为试件21的宽度方向，Z向为试件21的高度方向：
的X向导轨10，X向滚珠丝杠8的长度方向与X向导轨10的长度方向相互平行，X向滑板9沿X向
导轨10滑动；
与Z向滑板18相适配的Z向导轨19，Z向滑板18沿Z向导轨19滑动，Z向伺服电机16和Z向导轨
19均设置在X向滑板9上；
相适配的Y向导轨15，Y向滑板14与打印喷头1紧固相连，Y向伺服电机12和Y向导轨15均与Z
向滑板18相连；
珠丝杠支撑架20，X向滚珠丝杠支撑架11上设置有供X向滚珠丝杠8穿过的X向导向环，Z向滚
珠丝杠支撑架20的两端分别与两条Z向导轨19的顶端相连，Z向滚珠丝杠支撑架20上设置有
供Z向滚珠丝杠17穿过的Z向导向环；所述Y向控制机构还包括Y向伺服电机定位板5，Y向伺
服电机定位板5与Z向滑板18紧固连接，Y向伺服电机12和Y向导轨15均设置在Y向伺服电机
定位板5上；所述Z向滑板18的顶部设置有供给料管2穿过的限位环3；所述X向滚珠丝杠8和Z
向滚珠丝杠17分别与定位轴套6固连，与X向滚珠丝杠8固连的定位轴套6与X向滑板9固连，
与Z向滚珠丝杠17固连的定位轴套6与Z向滑板18固连。
械结构形式均可满足要求。
放有已打印完的试件；所述试件打印支撑机构包括若干层自下而上依次叠放的试件围套
24，试件围套24位于打印喷头1的下方，各试件围套24设置有用于放置三维裂隙岩石材料试
件打印过程中各二维层片的容置腔；各所述试件围套24均包括两个U型框板，两个U型框板
对接配合成一个矩形框板，各U型框板的顶端均设置有U型凸楞24b，各U型框板的底端与U型
凸楞24b位置相对的地方均开设有U型凹槽24a，U型框板的两端分别固连有定位耳板，同属
一个试件围套24的两个U型框板通过螺栓螺母组件25紧固定位，相邻两层试件围套24通过
相对的U型凸楞4b和U型凹槽24a连接定位；所述实验台26上设置有试件底座22，试件底座22
通过限位螺栓23与实验台26固连，试件底座22的顶端设置有口字型凸楞，口字型凸楞与位
于最底层的试件围套24的两个U型框板的U型凹槽24a连接定位。
中央位置，试件盒35的顶端、左端、右端、前端和后端均开设有加载孔，其中，开设在试件盒
35左端的加载孔的中轴线与开设在试件盒35右端的加载孔的中轴线位于同一条直线上，开
设在试件盒35前端的加载孔的中轴线与开设在试件盒35后端的加载孔的中轴线位于同一
条直线上；X向加载机构包括X向加载油缸38、X向加载油缸定位座42、X向挡板39及X向阻力
臂41，X向加载油缸38设置在X向加载油缸定位座42上，X向挡板39位于X向加载油缸定位座
42的对侧，X向加载油缸定位座42通过多根X向支撑杆40与X向挡板39相连，X向阻力臂41与X
向挡板39固连，X向加载油缸38的液压杆能够穿过试件盒35左端的加载孔对试件盒35内的
三维裂隙岩石材料试件施加X向加载力，X向阻力臂41穿过试件盒35右端的加载孔与试件盒
35内的三维裂隙岩石材料试件相接触；Y向加载机构包括Y向加载油缸33、Y向加载油缸定位
座43、Y向挡板44及Y向阻力臂48，Y向加载油缸33设置在Y向加载油缸定位座43上，Y向挡板
44位于Y向加载油缸定位座43的对侧，Y向加载油缸定位座43通过多根Y向支撑杆45与Y向挡
板44相连，Y向阻力臂48与Y向挡板44固连，Y向加载油缸33的液压缸能够穿过试件盒35前端
的加载孔对试件盒35内的三维裂隙岩石材料试件施加Y向加载力，Y向阻力臂48穿过试件盒
35后端的加载孔与试件盒35内的三维裂隙岩石材料试件相接触；Z向加载机构包括Z向加载
油缸46和Z向加载油缸定位座47，Z向加载油缸46设置在Z向加载油缸定位座47上，Z向加载
油缸定位座47位于试件盒35的上方，Z向加载油缸定位座47通过多根Z向支撑杆34与定位底
板32相连，Z向加载油缸46的液压杆能够穿过试件盒35顶端的加载孔对试件盒35内的三维
裂隙岩石材料试件施加Z向加载力。
时，计算机依据层片不同区域的层片信息，控制打印喷头1随着在X、Y方向运动的同时，将不同配比的混合材料铺设至相应区域，待相应Z向高度的层片铺设完毕，计算机继续控制打印
喷头1升高至下一层片高度，进行下一层片的铺设，直至本位置试件围套24内的空间铺设完
毕，再放置下一试件围套24，以此类推，再进行下一试件围套24内的铺设，最终得到岩石试
件物理模型；
相应的加载实验。
为对本实用新型的限制。
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