3D打印技术在岩石力学中的应用

3D打印技术是近30年快速发展的先进制造技术，不同于传统成型技术所采用的压制、锻造、铸造等方法，3D打印技术的原理是通过计算机构建三维数字模型后，用极薄的物理层将构件叠加打印出来。

3D打印机（图片来自互联网）

3D打印技术，又称增材制造技术或快速成型技术，是近30年快速发展的先进制造技术，被誉为“第三次工业革命”的核心技术之一。不同于传统成型技术所采用的压制、锻造、铸造等方法，3D打印技术的原理是通过计算机构建三维数字模型后，用极薄的物理层将构件叠加“打印”出来,因此通过3D打印技术获得的构件精度很高，非常适合用于制备高精度要求的机械零件。3D打印技术操作步骤简单，脱离了模具的限制，具有高度自由创造性，能很好地解决传统成型技术难以完成复杂零件生产的缺陷，进而降低了工业生产的时间和成本，提高了生产效率，有利于更大利润的获得，有效推动了一些稀有构件的工业化生产。3D打印技术材料种类较为丰富,适用于多个领域，部分具有生物相容性的金属、陶瓷材料可用来制作手术需要的植入物，轻质高强的金属材料则可用于生产飞机零部件，如美国SpaceX公司就曾利用金属材料制造出了一台电动火箭发动机。

岩石是地球表面的主要组成部分，不同地质环境中的岩石形成过程大相径庭，如火山岩由高温熔融物凝结而成、风化岩经过常温风化而成、变质岩经过变质作用而成等等，因此其结构非常复杂，内部往往存在大量孔隙和贯通、半贯通、非贯通节理等缺陷。岩石的研究对于资源开采利用、工程建设安全、灾害预防等都有着重要的意义，例如石油开采时，岩石研磨性和可钻性的研究是钻井过程的关键。然而岩石多处于地下深处，开采难度大，且每块开采的天然岩石样品都是唯一的，而试验往往带有破坏性，试验一次后样品即报废，这使得需要多个相同样品来抵消偶然性的试验无法顺利进行，于是有研究人员开始尝试用石膏等合成物质模拟岩石进行试验。冯光北等叫将石膏矽藻土混合物与石膏进行相似性比较，发现石膏矽藻土混合物可以通过规定配比范围来控制力学性质，并且在水膏比为1.2〜2.0之间，砂膏比在0.12〜0.5之间时可作为大理岩的模型材料，然而人工调配的石膏内部不均一性高，无法保证相同试样的完全一致性，从而导致每组数据仍然会有误差。目前，研究人员采用的一种能够真实模拟工程岩体稳定性的方法是室内物理模型试验,然而这种方法在岩石结构复杂的情况下制样难度大，且实验周期长、花费大，而另一种成本低廉的数值模拟法因模拟过程中常对复杂岩体工程进行简化，与真实岩体存在偏差。3D打印技术能快速打印大量结构高度一致的复杂三维结构体，解决了人工制作类岩石时遇到的试样结构不均一、制样周期长及程序复杂等问题。3D打印技术制备类岩体仅需对利用CT扫描技术获取的岩体内部结构进行三维重构，再通过3D打印机将三维模型逐层打印，即能成功复刻与天然岩体内部结构高度一致的试样模型。

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供稿：陈奕恺、许晓亮、郭宇、谭佳豪

排版：赵凌云、曹旭