[发明专利]基于3D打印快速成型技术的相似模拟实验系统及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验系统及其使用方法，尤其是一种基于3D打印快速成型技术的相似模拟实验系统及实验方法。

背景技术

为了更好地保证地下矿山的安全生产，最大限度地开采矿产资源、保护矿区环境和地面设施，必须研究矿山压力及岩层活动规律，发展岩层支护技术与控制措施。然而，对于一个影响因素众多的地下工程问题，由于人们难以十分清楚地了解问题的全部影响因素所在，难以观察总结开采煤层覆岩移动规律、顶板垮落规律、工作面开采后顶板移动特征与形态和稳成时间的关系等复杂岩体工程问题。

近年来，因为相似模拟材料的试验台更能方便各种材料的研究而被广泛应用。相似模拟试验是用来模拟岩土及采矿现场开采环境下围岩的应力、位移和变形等，通过模拟相似材料的开挖再现现场开采时所出现的各种矿山压力特征，也是岩土工程研究现场问题的有效方法之一。

相似模拟实验作为一种重要的研究手段，对研究对象的形态及规律，按照一定的原则，将现实中复杂的地质形态，以一定的比例反映在模型上，通过对研究对象所发生的现象和机理的规律性进行研究，而根据现理论分析认为，进行传统的煤(岩)开挖工程相似模拟实验，目前技术瓶颈在于：

(1)铺设的相似模型试件仅能模拟水平、倾斜岩层和断层构造，所铺设的水平、倾斜岩层和断层构造都是最为简单的单向结构，构造复杂程度远远低于真实现场地址构造，故模拟相似程度低；

(2)传统相似材料模拟实验都是人工或半人工配料和铺料，需多人合作，不仅劳动强度大，而且铺设时间长；

(3)传统相似材料模拟实验采用人工铺设，相似模型尺寸精度低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，首次将先进的3D快速成型技术应用于采矿物理相似模拟模型的配料和铺料实验当中，提出了一种基于3D打印快速成型技术的相似模拟实验系统及实验方法。

本发明采用如下技术方案：

基于3D打印快速成型技术的相似模拟实验系统，包括配料模块、打印铺料模块、实验模块、控制模块，配料模块通过打印铺料模块连接实验模块，控制模块分别连接并控制配料模块、打印铺料模块和实验模块；

控制模块形成相似模拟实验的三维数字模型，控制模块控制实验模块调整到适合打印三维数字模型的状态，并通过电磁阀控制配料模块的配料比，通过方向控制机构及换向阀控制打印铺料模块在实验模块进行三维立体铺料。

进一步地，所述配料模块包括多个原料桶、通过输料管分别与原料桶连接的搅拌桶；

原料桶内有相关原料，原料桶上设有重量控制器，原料桶出口上设有电磁阀，原料桶出口与输料管连接处设有输料电机；

输料管内设有螺旋驱动杆，输料电机的输出轴连接螺旋驱动杆，输料电机带动螺旋驱动杆转动，将相关原料运至搅拌桶；

搅拌桶连接有搅拌电机，搅拌桶的输出端通过总输料管连接打印铺料模块。

进一步地，所述原料桶底部设有原料桶架，原料桶通过重量控制器固定在原料桶架上，控制系统通过电磁阀控制加入原料桶的原料重量；

所述搅拌桶底部设有搅拌桶架，搅拌桶通过重量控制器架设在搅拌桶架上，搅拌桶架上部设有搅拌电机，搅拌电机连接有搅拌装置，搅拌装置上焊接有搅拌叶片，控制系统通过电磁阀控制相关原料的重量，搅拌桶下部连接搅拌输料管，搅拌输料管另一端连接电磁换向阀，电磁换向阀同时通过输料管连接其中一个原料桶，电磁换向阀输出端通过搅拌输料管连接打印铺料装置。

进一步地，所述打印铺料模块包括X向控制机构、Y向控制机构及Z向控制机构；

X向控制机构包括X向伺服电机、水平设置的X向滑轨、沿X向滑轨设置的X向导向轨，X向伺服电机的输出轴连接X向滑轨，X向滑轨上套接有X向滑轨轴套，X向滑轨轴套一侧卡接在X向导向轨内，另一侧连接有X向滑板；

Z向控制机构包括Z向伺服电机、竖直设置的Z向滑轨、沿Z向滑轨设置的Z向导向轨，Z向伺服电机固定在X向滑板上，Z向伺服电机的输出轴连接Z向滑轨，Z向滑轨上套接有Z向滑轨轴套，Z向滑轨轴套一侧卡接在Z向导向轨内，另一侧连接有Z向滑板；

Y向控制机构包括Y向伺服电机、分别于X向滑轨和Z向滑轨垂直的Y向滑轨、沿Y向滑轨设置的Y向导向轨，Y向伺服电机固定在Z向滑板上，Y向伺服电机的输出轴连接Y向滑轨，Y向滑轨上套接有Y向滑轨轴套，Y向滑轨轴套一侧卡接在Y向导向轨内，另一侧连接有打印喷头，打印喷头连接总输料管；

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进行三维立体铺料，实现三维数字模型的3D打印快速成型。