李亚男
中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 山东东营 257000
摘要:当前我国3D打印技术日益完善，其打印精度高、周期短、多样化，被许多研究领域所青睐，并支持个性化定制。在岩石力学研究过程中，也普遍应用此技术，能够弥补传统研究方法的不足之处。本文结合此话题对3D打印技术进行阐述，并对其在岩石力学中的应用进行研究。
关键词：3D打印技术；岩石力学；应用研究
现阶段，我国岩石体力学研究水平不断提升，但是仍然存在一些问题，尤其是天然岩石的各向异性难以克服。当前3D技术日趋成熟，能够打印出计算机中的三维模型，并通过试验，从而对其应用进行研究。
一、3D打印技术概述
3D打印技术是一种快速成型技术，其最早起源于美国，此技术能够将各种形态物体制造，当前应用于多个领域。由于此技术具有较多优势，因此，引起了科学家们的兴趣，并取得显著的成就。例如，英国科学家利用此项技术发明了无线电频率。在医学方面也起到一定作用，利用3D技术打印的装置，置入婴儿体内，成功将其肺部通道打开。此外，美国航空航天局也在应用此项技术，利用其将镍铬合金粉末进行打印，最终成为火箭发动机的关键部件，并在2014年成功将打印机发射到太空，帮助与行业制造零件。我国3D打印技术也取得良好的发展，并发明了强韧黏接技术，实现超强界面黏接的水凝胶、弹性体亲疏水异质结构的打印。除此之外，还在建筑等领域中发挥重要作用。当前，将3D打印技术应用在岩石力学研究中，其具有巨大的优势，并对地质工程、岩土、土木工程都起到一定指导作用。在研究岩石力学中，其难点是如何制备差异小，特定内部结构的岩石样品，利用3D打印技术能够有效解决此问题，并能快速制造出与其相同的样品，而且具有特定内部结构的不同形状岩石。
当前已经有研究人员在研究岩石力学过程中利用3D打印技术，但是打印出岩石的样品存在局限性，因此，需要采取有效措施，对其进行克服，并采取多种办法使打印样品的强度与精准度有所提高，各国研究人员都对此进行了研究，美国学者利用细小颗粒粉末来打印样品，其表面光滑；伊朗学者研究打印层厚度与粘结剂饱和度，其能够在一定程度上改变3 D打印样品的性质。我国在此领域起步较晚，但是发展速度快，当前仅次于美国，但是仍然存在较大距离。
二、3D打印技术在岩石力学研究中应用现状
通过将3D打印技术应用在小尺度力学样品的研究，需要建立一个天然煤岩模型，才能直观岩体内部复杂的结构，在建造模型时，需要运用CT成像、三维重构与3D打印技术，并需要借助三维应力冻结与光弹技术以此进行研究，从而得出利用3D技术做出的煤岩模型与天然煤岩的裂隙结构几乎相同，其实验结果与数值模拟结果也几近相同。最后充分利用三维应力冻结与光弹技术的优势，对单轴压缩过程中复杂裂隙煤岩内部的应力场分布进行直观定量，能够查看岩体内部复杂结构与三维应力场的分布的定量表征。
科学家们研究3D打印在岩石力学变形与破坏分析中的适用性时，需要准备两种打印样品，砂质粉末能够打印出不同形状的结构样品，有助于压缩实验的顺利进行。通过研究表明，3D打印技术在制造具有复杂外部形态与内部结构样品上的优势，同时打印出的样品与天然岩石相似的变形破坏规律，从而证明3D打印在岩石力学实验方面具有非常大的潜力。
三、3D打印应用流程
（一）创建模型
在创建过程中，需要借助三维建模软件才能够构建出三维模型，可以独立设计，还可以通过扫描方法得到，其主要是扫描现实物体，但是针对小尺度岩石样品，需要利用高精度微纳米级CT扫描仪，从而能够得到天然岩石的内部图像，再运用三维重构法，将其建立数字化的三维结构网络模型。
（二）材料选择
选择材料时，需要根据三维模型，再结合打印物体的物理力学性质来选择，当前3D打印材料层出不穷。例如，在打印建筑物，就可通过建筑物的废弃料即可，将其打碎粉末，在其中加入水泥、纤维、有机黏合剂等，将其制成膏体之后再进行打印。欧洲一些国家采用树脂与塑料材质的材料，其效果良好。
（三）打印仪器选择
选好材料后，需要选择合适的3D打印机，当前打印机的种类繁多，大致分为工业级与桌面级两类，通常从美国、德国与以色列进口，其中美国制造的打印机优势较为突出，其能够根据X射线胶片进行数字建模，打印三维人体结构。3D打印机对打印材料有着极为苛刻的要求，因此，研究人员在选择打印机与打印材料时，应考虑实际情况、结合经费、要求等来进行。
（四）打印处理
模型建立完毕后，需要借助计算机将其分割，分成薄片后再设置参数与打印路径，将其传输到3D打印机中，将三维数字模型打印成实体，成型以后根据要求对其进行处理，从而得到打印实体，将虚拟模型应用在现实。
四、3D打印在岩石力学中应用的前景
3D打印技术能够将虚拟走向现实，是连接两者的桥梁，为研究人员简便快捷的将虚拟三维岩石模型转为实体提供诸多便利，并具有重要意义，实现研究人员将岩石力学的数值模拟与物理实验进行对比分析，能够有效解决其中的问题。
（一）打印类岩石样品
能够打印多种形状的岩石样品，例如，圆柱、立方体等，还能将预制结构样品打印出来，如裂缝、空隙等。在实际打印时，需要结合打印材料的混合物成分与过程，能够打印出给定数值的弹性模量、黏聚力的类岩石样品。
（二）打印工程模型
在进行物理实验中，3D打印技术可起到一定作用，能够根据给定比例尺打印出复杂形状与结构的物理模型。例如，隧道、边坡等。
（三）打印地质模具
在获取地质体数字化三维模型时，可利用三维扫描技术来进行，从而打印出三维模具，其中包括天然岩石等。
在研究力学过程中，3D打印技术起到一定的推动作用，并带来了全新的基于，与传统岩石制样方式相比，3D打印技术的优势更为明显，不仅比传统制样方式更加简单，还能够节省大量时间与成本，有效弥补传统制样离散性问题的不足之处。
结束语：
综上所述，3D打印技术具有良好的发展前景，近几年对此技术的研究逐渐增多，由于其具有许多优势，被多个领域所青睐，当前已经取得显著的成效。其能够克服传统方法遇到的困难，但也存在一定缺陷，尤其造价方面昂贵，样品尺寸受限制，与天然岩石性质有所不同。随着时代的发展，此项技术也会日益完善，降低设备价格，使其应用的范围更加广泛。
参考文献：
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