描以补充数据。最后获得如图5所示的裂缝面形貌点云，在3D扫描仪配套的操作软件中进行“点云数据全局优化”和“去除重叠点云”操作并保存。
[0047](3)将上一步获得的点云数据导入Geomatic Stud1逆向工程软件中，使用“矩形选择工具”在裂缝面点云上选取一个边长为50毫米的正方形区域，然后进行“反转选择”操作选中除该正方形区域外的其他点云并删除，即获得了实验所需尺寸的裂缝面点云数据。对其进行“封装”操作将点云转化为三角形面片并以STL文件格式保存。将刚刚保存的文件导入到Pro/Engineer建模软件中，在裂缝面的四周补齐平面，在裂缝面的底部也补充一个平面，获得如图6中所示的计算机三维模型并以STL文件格式保存。根据实验要求，在Pro/Engineer中为浇筑盒进行三维建模。为了方便脱模，浇筑盒采用分体式设计由两部分组成，其外形如图7所示。浇筑盒A7-1和浇筑盒B7-2的内部尺寸与裂缝面模具7-3相匹配，而外部尺寸稍大。本实施例中浇筑盒的内边长为50毫米，外边长为70毫米，厚度为10毫米，高度为50毫米。这样设计的浇筑盒结构简单且脱模方便，同时也有足够的硬度来保证成型。完成浇筑盒的建模后，将模型保存为STL文件格式。
[0048]在本实施例中以上3个步骤总共耗时42分钟。
[0049](4)将裂缝面模具模型和浇筑盒模型的STL模型文件导入与3D打印机配套的切片软件中进行切片，获得指导3D打印机工作的切片文件。将切片文件存入SD卡，再将SD卡插入3D打印机中并让其加载切片文件打印出裂缝面模具模型和浇筑盒的实物。本实施例中每组裂缝面模具和浇筑盒的制作时间为3小时35分钟，消耗3D打印机材料60克。制作速度受本实施例中所使用的3D打印机性能限制，若使用新型的Kossel Delta型3D打印机制作速度还可以提高2到3倍。浇筑模具打印数量根据实验所需的人造实验样品数量决定。若实验所需的人造实验样品数量较多，可采取模具制作和浇筑同时进行的策略，在一定时间后即可获得较高的人造实验样品产出量。最终获得如图8所示的裂缝面模具和浇筑合
ΙΤΓΤ.0
[0050](5)将裂缝面模具放在坚硬平坦的地面上，将浇筑盒按照图8中左侧和图9所示的组合方式与裂缝面模具装配起来。用铁丝在浇筑盒外壁面上缠紧，并紧贴浇筑盒外壁面堆放重物以对浇筑盒进行加固。按照水:水泥:河沙=I:2:4的质量配比配置水泥砂浆作为浇筑材料。将浇筑材料搅拌均匀后倒入浇筑盒内，随后用钢丝等硬物进行振捣和对浇筑内壁面进行刮擦，从而使得气泡得出排除。待水泥砂浆表面没有气泡溢出后，刮去表面多余的水泥砂浆，清理掉地面上和从浇筑盒边缘渗出的水泥砂浆。在室内保存恒温恒湿的条件下养护24小时后脱模编号备用。检查是否存在残缺品，如含有大的裂纹、气泡等。在人造实验样品制作过程结束后，将浇筑模具拆开进行清洗并放于室内自然风干，随后清点裂缝面模具和浇筑盒并观察其表面是否存在破损。保留没有破损的裂缝面模具和浇筑盒以供下次使用，同时对本次浇筑所使用的裂缝面模具和浇筑盒的STL模型文件进行归档保存。
[0051]最终获得的人造实验样品如图10所示。观察图10发现人造实验样品表面存在一些裂纹。这是因为本实施例中所配置的水泥砂浆没有加入膨胀剂和消泡剂等外加剂，在其凝固过程中体积会不断缩小导致裂纹的产生。这可以通过改良水、水泥、河沙的配比，以及加入适量的外加剂来避免，并非是本发明所提出的制作方法的自身缺陷。
[0052]上述仅本发明较佳可行的实施例，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。
【主权项】
1.一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:采用3D扫描仪精确获取天然裂缝岩样裂缝面形貌的几何参数；基于处理过后的3D扫描数据进行计算机三维建模，获取用于浇筑的裂缝面模具的计算机三维模型；在三维建模软件中建立尺寸与裂缝面模具相匹配的浇筑盒的计算机三维模型；将裂缝面模具和浇筑盒的计算机三维模型导入与3D打印机配套的切片软件中切片后得到切片文件，让3D打印机加载该切片文件以制作裂缝面模具和浇筑盒的实物；将所得裂缝面模具和浇筑盒的实物拼合起来并加固后便获得了浇筑模具；配置好浇筑材料后在浇筑模具内进行浇筑，在室内恒温恒湿养护24小时后脱模，人造实验样品便制造完成；在浇筑的同时继续3D打印浇筑模具以提高人造实验样品的制作速度；对浇筑模具进行清洗并在室内自然风干，保留表面没有破损的浇筑模具以供下次使用；对裂缝面模具和浇筑盒的STL模型文件进行归档保存。2.根据权利要求1所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:由于采用了 3D扫描技术和3D打印技术制作浇筑模具，在整个过程中天然裂缝岩样不会受到污染和破坏，3D扫描完成后就能直接拿去做其他实验测试。3.根据权利要求1所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:对3D扫描天然裂缝岩样所获取的裂缝面点云进行数据处理，按照实验对人造实验样品尺寸的要求进行裁剪后封装成三角形面片，得到一个边界为长方形的裂缝面并以STL文件格式保存；将该裂缝面和5个平面封闭组成的长方体即为裂缝面模具的计算机三维模型。4.根据权利要求1或权利要求3所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:根据裂缝面模具的计算机三维模型尺寸，在三维建模软件中建立浇筑盒的计算机三维模型；浇筑盒的计算机三维模型采用分体式设计，沿其对角线分成2个分开的对称模型在三维建模软件建模并保存为STL文件格式，然后采用3D打印技术将浇筑盒的实物制作出来。5.根据权利要求1所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:人造实验样品制作完成后，将浇筑模具拆开进行清洗并放于室内自然风干，随后清点裂缝面模具和浇筑盒并观察其表面是否存在破损；没有破损的裂缝面模具和浇筑盒还可以再次使用。6.根据权利要求1所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:在浇筑候凝的同时继续采用3D打印技术制作浇筑模具，浇筑模具和最终得到的人造实验样品的数量得以提高。7.根据权利要求1所述的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，其特征在于:每次人造实验样品制作完成后，都要对裂缝面模具和浇筑盒的STL模型文件进行归档保存，因此即使天然裂缝岩样本身和已有的裂缝面模具实物和浇筑盒实物均已被破坏，也能随时利用归档保存的STL模型文件来加工人造实验样品，具有可重复性。
【专利摘要】本发明公开了一种仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法，属于岩土力学实验技术领域。本发明通过对天然裂缝岩样进行3D扫描获取裂缝面几何数据，对几何数据进行处理后在其基础上进行计算机三维建模得到裂缝面模具的计算机三维模型。同时在三维建模软件中建立与其尺寸相匹配的浇筑盒的计算机三维模型。采用3D打印技术快速批量地制作出裂缝面模具和浇筑盒的实物来进行浇筑，最终得到用于室内实验研究的人造实验样品。本发明所提出的仿制天然裂缝岩样的人造实验样品制作方法具有成型品质高，制作周期短，制作成本低，对天然裂缝岩样无污染无破坏的特点，可广泛应用于研究裂缝岩体性质的室内实验的人造实验样品的制作中。
【IPC分类】G01N1/28
【公开号】CN105181421
【申请号】CN201510756220
【发明人】李皋, 冯一, 孟英峰, 孙爱生, 楚恒智, 陶祖文
【申请人】西南石油大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年11月9日