[发明专利]一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法

权利要求书

1.一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法，其特征在于：包括地质模型相似材料制备、模型3D打印及模型打印效果检测三部分；

所述地质模型相似材料制备的具体方法为：

步骤1：根据具体工程背景，采集工程现场完整岩体及岩体结构试样，并开展室内测试，分别获得完整岩体和岩体结构的成分信息、物理参数和力学参数；

步骤2：根据测得的完整岩体及岩体结构的成分信息，分别确定制备完整岩体与岩体结构的相似材料骨料种类及粒径区间；

步骤3：基于相似理论，确定工程原型与室内模型间的几何相似比、物理相似比及力学相似比，并据此计算完整岩体与岩体结构相似材料的物理、力学参数，选取胶结剂类型；

步骤4：通过添加外加剂，实现岩体与岩体结构相似材料的打印性能调控，使得完整岩体与岩体结构相似材料具备合理的初凝时间、流动性能和自持能力；

步骤5：依据均匀设计或正交设计试验方法，开展不同材料配比与3D打印参数下的小尺度3D打印试验，针对打印出的相似材料地质模型试样，开展物理、力学性质测试，判定其是否满足预设的物理、力学参数指标，如果符合则执行步骤6，否则重新设定材料配比和3D打印参数再进行小尺度3D打印试验，直至打印出的相似材料地质模型试样满足预设的物理、力学参数指标；

步骤6：确定满足预设物理、力学参数指标的完整岩体与岩体结构3D打印相似材料配比及3D打印参数；

所述模型3D打印的具体方法为：

步骤S1：根据工程岩体地质条件，分别建立完整岩体和岩体结构的三维数字模型；

步骤S2：分别确定完整岩体和岩体结构的打印参数，并分别规划打印路径；

步骤S3：规划生成完整岩体和岩体结构三维数字模型的整体打印路径，实现完整岩体打印路径与岩体结构打印路径的匹配，并自动预留多元信息监测传感器的埋设位置；

步骤S4：根据生成的打印路径信息，及完整岩体与岩体结构的三维数字模型结构的复杂程度与精度要求，确定打印喷头的孔径、数量及组合形式；

步骤S5：将完整岩体及岩体结构相似材料，在独立的料仓中搅拌、混合、过滤，并通过泵送装置输送至各打印喷头处，在3D打印智能耦合控制系统控制下，各打印喷头按照步骤3规划生成的打印路径行走，完成打印；

所述3D打印智能耦合控制系统控制各喷头进行3D打印，实现相似材料流速伺服智能控制、喷头行走速度与相似材料流速智能匹配以及供料系统温度自适应调节；同时，控制各打印喷头协同配合工作，共同完成模型体的打印；

所述相似材料流速伺服智能控制，是指3D打印智能耦合控制系统通过管路压力传感器、相似材料流速传感器，获得与打印喷头相连接的输料管路内相似材料的实时流动状态信息，当监测值与当前打印路径的设定值的偏差大于设定阈值时，3D打印智能耦合控制系统主动调节供料系统的供料速度；

所述喷头行走速度与相似材料流速智能匹配，是指3D打印智能耦合控制系统通过监测与控制喷头电机转速，实现打印喷头在XYZ三方向行走速度的自主调节，使得喷头行走速度与相似材料出料速度处于预设的匹配区间内；

所述供料系统温度自适应调节，是指3D打印智能耦合控制系统通过分布式温度传感器，监测3D打印机供料系统温度，当供料系统温度超过设定值，并达到调整阈值时，温控系统自主启动，对供料系统进行冷却，当供料系统温度降至设定值时，温控系统停止工作；当供料系统温度低于设定值，并达到调整阈值时，温控系统自主启动，对供料系统进行加热，当供料系统温度升至设定值时，温控系统停止工作；

所述打印喷头协同工作，是指针对完整岩体和岩体结构的三维数字模型不同的打印子区域，选择不同类型、不同孔径的打印喷头；每个喷头具备独立的供料及喷头行走控制系统；通过智能规划的打印路径，实现多个独立控制的喷头相互协同完成模型的整体打印；

所述模型打印效果检测的具体方法为：

（1）模型3D打印过程中，通过激光器定位每一个打印层的四周边界、岩体结构及传感器布设位置，实现打印过程中打印层边界、岩体结构及传感器边界位置的实时监测；

（2）地质模型体打印完成后，沿模型竖向和侧向布置若干组微细钻孔，采用内窥镜，进行孔内窥视，检测指定位置处的结构打印效果，从而完成模型内部结构的空间位置实现情况检测；

（3）地质模型体打印完成后，在模型不同位置、沿不同方向取岩体和岩体结构试样，开展物理、力学性质测试，检测相关性质是否达到预设参数指标。

2.根据权利要求1所述的一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法，其特征在于：所述步骤S3的具体方法为：

根据完整岩体和岩体结构的三维数字模型，将地质模型的单层打印区域进一步划分为打印路径相互衔接的完整岩体区、岩体结构区、传感器预埋区和边界过渡区，各子区域设置不同的打印参数；其中，完整岩体区与岩体结构区的层高呈整数倍关系；各打印子区域内，线条宽度根据打印区域几何尺寸自动调整，使得打印区域尺寸为线条宽度的整数倍；规划的打印路径自动平行于岩体结构区长轴生成；边界过渡区的打印参数自适应调节；所述传感器预埋区为完整岩体和岩体结构的三维数字模型中预留的传感器预埋位置处，打印路径规划时自动留出，且打印至该位置时，出料速度及喷头行走速度均自适应调节。