三维打印水泥基模型的传感器植入装置及方法与流程

1.本发明涉及水泥基材料应用技术领域，特别是涉及一种三维打印水泥基模型的传感器植入装置及方法。


背景技术：

2.物理模型试验是一种用于研究复杂工程问题的重要方法，尤其是在岩土工程领域，物理模型试验能够利用材料之间的相似性，较为有效地模拟实际工程施工，可以较真实的反映地质构造与工程结构之间的空间关系，在隧道、边坡、基坑等领域均发挥重大作用。
3.水泥基材料因其易成型的特性，且性质与岩土体相似，常被作为制备模型试样的原材料之一。传统的模型试样制备方法需要预先制作模具，利用模具进行浇筑成型，浇筑过程中还需要测试的部位埋设相应的传感器。然而该方法制作过程复杂，模具制作成本较大，且传感器植入试样的具体位置难以精确定位，导致制样过程费时费力且试验结果误差较大。
4.随着三维打印技术的发展，由于其增材打印的优点，已被用到岩土工程模型试验制备中来。现有的三维打印技术制备模型试样的方法，仅能在模型试样的表面布设传感器而不能植入模型的内部，导致物理模型试验的测量效果不理想，水泥基三维打印技术因其易成型，制作成本低，且与岩石材料类似，非常适合制作模型试样。为了准确模拟实际工程受力状态，需要在物理模拟试验过程中监测其内部应力、应变等试验响应特征。由此，创新三维打印水泥基模型的内部传感器植入技术，对于提高物理模拟试验的植入传感器的存活率和准确性都具有重要意义。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种三维打印水泥基模型的传感器植入装置及方法，使得传感器能够准确且稳定的植入水泥基模型中。
6.一方面，本发明提供一种三维打印水泥基模型的传感器植入装置，包括：
7.操作台，包括一工作面；
8.打印试样，位于所述工作面上，所述打印试样内部具有用于植入传感器的预设空腔；
9.注浆组件，设置于所述操作台上，用于向所述预设空腔内注入填充材料，以将所述传感器固定于所述预设空腔内。
10.在其中一个实施例中，所述注浆组件可活动地设于所述操作台上，与所述预设空腔的位置相对应。
11.在其中一个实施例中，所述操作台包括两组支撑杆组，每一所述支撑杆组的一端与所述工作面相连，所述两组支撑杆组沿第一方向设置于所述打印试样的相对的两侧；
12.所述注浆组件的两端分别与所述两组支撑杆组相连，且可移动地设置于所述两组支撑杆组上。
13.在其中一个实施例中，每一所述支撑杆组包括至少两根纵杆及至少一根第一横杆，所述纵杆连接于所述工作面，所述第一横杆的两端分别设于相邻的两根所述纵杆上，且能够沿所述纵杆的纵长方向移动，所述注浆组件可移动的设置于所述第一横杆上。
14.在其中一个实施例中，所述操作台还包括两根第二横杆，两根第二横杆沿第二方向设于所述打印试样的相对的两侧，每一所述第二横杆的两端分别与所述两组支撑杆组相连，且可移动的设置于所述两组支撑杆组上；
15.其中，所述第一方向与所述第二方向相交。
16.在其中一个实施例中，所述注浆组件包括注浆导杆与所述注浆导杆相连的注浆针头，所述注浆导杆的两端分别设于所述操作台上，所述注浆导杆上等间距的开设多个导孔，所述注浆针头位于所述多个导孔中的一个所述导孔内，且朝向所述打印试样设置。
17.在其中一个实施例中，所述注浆组件还包括至少两个连接件，所述至少两个连接件分别滑动设置于所述操作台上；
18.所述注浆导杆的一端与所述至少两个连接件中的一个所述连接件转动连接，另一端与所述至少两个连接件中的另一个所述连接件转动及滑动连接。
19.另一方面，本发明还提供一种三维打印水泥基模型的传感器植入方法，其特征在于，包括步骤：
20.建立三维立体模型，确定所述传感器在所述三维立体模型中的位置及体积，并且对应开设所述预设空腔；
21.根据所述三维立体模型打印得到所述打印试样，向所述预设空腔中植入所述传感器；
22.在所述预设空腔内注浆，以将所述传感器固定于所述预设空腔内。
23.在其中一个实施例中，所述根据所述三维立体模型打印得到所述打印试样具体包括：
24.从所述打印试样的底面打印至所述预设空腔的顶面；
25.将所述传感器植入所述预设空腔；
26.从所述预设空腔的顶面打印至所述打印试样的顶面。
27.在其中一个实施例中，在所述根据所述三维立体模型打印得到所述打印试样之前还包括预览阶段，所述预览阶段包括步骤：
28.利用打印切片软件对所述三维立体模型进行切片处理及打印预览，确定所述打印试样底面打印至所述预设空腔顶面时的打印进度值；
29.根据所述打印进度值确认所述从所述打印试样的底面打印至所述预设空腔的顶面的打印时间。
30.上述的三维打印水泥基模型的传感器植入装置及方法，在打印试样内开设用于植入传感器的预设空腔，将打印试样定位于工作面上，利用注浆组件向放置有传感器的预设空腔内注入填充材料，提高传感器植入存活率并使得传感器能够准确且密实的位于打印试样中的指定位置，以便准确测量打印试样内部的应力、应变等试验响应数据，从而更真实的通过水泥基物理模型试验揭示地质与工程结构的力学响应规律。
附图说明
31.图1为本发明一实施例中三维打印水泥基模型的传感器植入装置的结构示意图；
32.图2为图1所示的三维打印水泥基模型的传感器植入装置中注浆导杆的结构示意图；
33.图3为本发明一实施例中三维打印水泥基模型的传感器植入方法的流程图。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
40.图1示出了本发明一实施例中三维打印水泥基模型的传感器植入装置的结构示意图，图2示出了本发明一实施例中注浆导杆的结构示意图。为便于描述，附图仅示出了与本发明实施例相关的结构。
41.参阅图1及图2，本发明一实施例提供了一种三维打印水泥基模型的传感器植入装
置100，包括操作台10、打印试样20以及注浆组件30。其中，操作台10包括一工作面11。打印试样20位于工作面11上，打印试样20内部具有用于植入传感器的预设空腔21。注浆组件30设置于操作台10上，用于向预设空腔21内注入填充材料，以将传感器固定于预设空腔21内。其中，向预设空腔21内注入的填充材料为与打印试样20强度相似的水泥浆液或者胶水。由此，可确保传感器与打印试样20胶结密实，从而稳固定位于打印试样20内部。
42.具体地，工作面11上设置标有刻度的坐标轴。打印试样20通过坐标轴进行定位，放置于工作面11上的指定位置。由于需要植入的传感器包括多个，且具有不同的形状。因此，打印试样20内的预设空腔21可根据传感器的具体数量及形状进行相应的调整。且为了使传感器更顺利的植入预设空腔21内，预设空腔21的体积略大于传感器的体积。注浆组件30活动设置于操作台10上，以便向位于工作面11上的打印试样20中的预设空腔21注入填充材料。通过调整注浆组件30在操作台10上的位置，能够更准确的向预设空腔21内注入填充材料，使传感器更准确的定位于预设空腔21内。
43.在一些实施例中，注浆组件30可活动地设于操作台10上，以与预设空腔21的位置相对应。通过调节注浆组件30在操作台10上的位置，可方便快捷地使其与预设空腔21位置相对应，从而能够更稳定且准确的对预设空腔21进行注浆。
44.在一些实施例中，操作台10包括两组支撑杆组12，每一组支撑杆组12的一端与工作面11相连，两组支撑杆组12沿第一方向设置于打印试样20相对的两侧。注浆组件30的两端分别与两组支撑杆组12相连，且可移动地设置于两组支撑杆组12上。具体使用时，由于打印试样20位于两组支撑杆组12之间，通过调节注浆组件30在两组支撑杆组12上的位置，即可方便快捷地调节注浆位置。
45.具体到本实施例中，每一组支撑杆组12包括至少两根纵杆121及至少一根第一横杆122。纵杆121连接于工作面11，第一横杆122的两端分别设于相邻的两根纵杆121上，且能够沿纵杆121的纵长方向移动，注浆组件30可移动的设置于第一横杆122上。具体地，每组支撑杆组12包括两根纵杆121及一根第一横杆122，纵杆121与工作面11相连，第一横杆122连接于两根纵杆121之间，且能够沿纵杆121的纵长方向移动。由此，沿纵121杆纵长方向移动第一横杆122能够调节注浆组件30在竖直方向上的注浆位置。通过调节注浆组件30在第一横杆122上的位置，以及调节第一横杆122在纵杆121纵长方向上的位置，可同时实现注浆组件30在竖直方向及水平方向上的位置调节，能够方便快捷的确定注浆组件30的注浆位置，使注浆更加准确。
46.在一些实施例中，操作台10还包括两根第二横杆13。两根第二横杆13沿第二方向设于打印试样20的相对的两侧，每一根第二横杆13的两端分别与两组支撑杆组12相连，且可移动的设置于两组支撑杆组12上。其中，第一方向与第二方向相交。具体地，两根第二横杆13的两端分别设置于两组支撑杆组12中的纵杆121上，且能够沿纵杆121的纵长方向移动。此外，第一方向与第二方向相互垂直。根据实际需要调节的注浆针头32的注浆位置，也可以将注浆导杆31的两端设置于两根第二横杆13上，并使其沿第二横杆13移动，同样可以实现对注浆位置的调节。
47.在一些实施例中，注浆组件30包括注浆导杆31与注浆导杆31相连的注浆针头32。注浆导杆31的两端分别设于操作台10上，注浆导杆31上等间距的开设多个导孔311，注浆针头32位于多个导孔311中的一个导孔311内，且朝向打印试样20设置。具体地，注浆导杆31的
两端分别设置于两组支撑杆组12上，通过调节注浆导杆31两端在两组支撑杆组12上的位置，可方便快捷地调节注浆针头32在打印试样20上的具体注浆位置，使得注浆位置更加精确。通过调节注浆针头32在多个导孔311中的位置，可对注浆针头32的实际注浆位置进行调节，可方便快捷的实现注浆针头32的定位及固定。此外，由于注浆针头32设置于注浆导杆31上，而注浆导杆31进一步地设置于支撑杆组12上，避免注浆过程产生人为抖动，使注浆过程更加稳定准确。
48.在一些实施例中，注浆组件30还包括至少两个连接件33。至少两个连接件33分别滑动设置于操作台10上。注浆导杆31的一端与至少两个连接件33中的一个连接件33转动连接，另一端与至少两个连接件33中的另一个连接件33转动及滑动连接。具体到本实施例中，连接件33包括两个，分别为第一子连接件331及第二子连接件332，且分别滑动设置于相互平行的两根第一横杆122上。具体地，第一子连接件331与第二子连接件332均包括穿设于第一横杆122的固定座333及与固定座333连接的凸杆334，其中，凸杆334沿纵杆121方向延伸设置。注浆导杆31的一端开设一圆孔312，圆孔312套设于第一子连接件331的凸杆334上，使得注浆导杆31能够绕第一子连接件331的凸杆334旋转。注浆导杆31的另一端开设一腰型孔313，腰型孔313套设于第二子连接件332的凸杆334上。当需要调节注浆位置时，分别调节第一子连接件331与第二子连接件332沿第一横杆122移动。此时，圆孔312绕第一子连接件331的凸杆334旋转，腰型孔313随之绕第二子连接件332的凸杆334同步旋转。由于随着第一子连接件331及第二子连接件332在第一横杆122上的位置发生变化，第一子连接件331与第二子连接件332之间注浆导杆31的长度也会发生变化。因此，第二子连接件332的凸杆334在腰型孔内沿其开设方向滑动，从而改变注浆导杆31在第一子连接件331与第二子连接件332之间的长度。
49.此外，纵杆121及第一横杆122上均设置有刻度，以便更精确的调节注浆组件30的位置。由此，通过将打印试样20精确定位于工作面11上，并调节注浆组件30的具体位置，可以实现精确且稳定的注浆，有效避免注浆过程中由于注浆针头32的人为抖动，而造成的对打印试样20的不可逆的影响。
50.图3示出了本发明一实施例中三维打印水泥基模型的传感器植入方法的流程图。
51.参见图3，基于与上述三维打印水泥基模型的传感器植入装置100相同的构思，本发明还提供一种方法，包括步骤：
52.s10：建立三维立体模型，确定传感器在三维立体模型中的位置及体积，并且对应开设预设空腔21；
53.其中，可采用cad或solidworks等建模软件直接建立三维立体模型，也可以采用ct扫描技术或地质软件等生成初步模型，再导入至cad或solidworks等建模软件中处理。
54.在一些实施例中，根据实际需要植入的传感器数量，确定所需开设的预设空腔21数量，根据传感器的体积及植入位置，在三维立体模型中形成相应的预设空腔21。其中，为了便于传感器的顺利植入，预设空腔21的体积应略大于传感器的体积。
55.s11：进入预览阶段，利用打印切片软件对三维立体模型进行切片处理及打印预览，确定打印试样20底面打印至预设空腔21顶面时的打印进度值；
56.根据打印进度值确认从打印试样20的底面打印至预设空腔21的顶面的打印时间。
57.通过记录打印进度值，能够得到打印试样20底面打印至预设空腔21顶面的打印时
间。即能够通过打印进度值实施监控打印试样20的打印进度，从而更精确的控制向打印试样20植入传感器的进度。从而使得在实际打印过程中，能够更准确的控制预设空腔21在打印试样20内的具体位置，进而使得传感器能够更准确的定位于打印试样20内部。
58.s20：根据三维立体模型打印得到打印试样20，向预设空腔21中植入传感器并固定；其中，根据三维立体模型打印得到打印试样20具体包括：
59.从打印试样20的底面打印至预设空腔21的顶面；
60.将传感器植入预设空腔21；
61.从预设空腔21的顶面打印至打印试样20的顶面。
62.s30：在预设空腔21内注浆，以将传感器固定于预设空腔21内。
63.具体地，首先在预设空腔21的底层注入一层填充材料，使其平整覆盖于预设空腔21底层。进而通过外部设备将传感器放入对应的预设空腔21内，向传感器与预设空腔21的间隙中注入填充材料。由于预设空腔21的体积大于传感器的体积，使得传感器与预设空腔21之间形成间隙。通过调节注浆组件30的位置，使其对准间隙中部。直到填充材料的顶面与预设空腔21的顶面平齐，停止注浆。此时，将已植入传感器的打印试样20继续打印完成。
64.由此，完成打印试样20的整个打印过程。
65.上述实施例中的三维打印水泥基模型的传感器植入装置100及方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：
66.1)在打印试样20内开设预设空腔21，可实现不同形状、不同类型的传感器的植入，以便对打印试样20内部的应力、应变以及温度等一系列数据进行测量；
67.2)通过预设空腔21的方式，可保证传感器在打印试样20内部的精确定位，提高传感器的测量准确度；
68.3)通过调节注浆组件30的具体位置，可实现对传感器与预设空腔21侧面之间间隙的准确快速注浆，使注浆过程更加高效，使传感器与打印试样20之间的胶结更加紧密；
69.4)利用注浆组件30对预设空腔21进行注浆，可有效避免注浆过程中由于注浆针头32的人为抖动，对打印试样20造成的不可逆的损坏。
70.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
71.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。