《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Laser-cutting of fracture network in binder jetting 3D-printed rock mass
编辑推荐：
为了精准复现天然岩体的裂隙网络，以研究其力学行为，研究人员结合非接触激光切割与高精度粘合剂喷射（Binder Jetting, BJ）3D打印技术，在水泥基材料中成功构建了高精度的复杂裂隙网络模型。通过系统分析激光参数和材料组分对裂隙几何精度的影响，并结合热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）等技术揭示了激光切割的热传导机制与材料化学变化。该方法为实验室模拟复杂裂隙岩石的破坏机理提供了高保真模型，对岩土工程安全评估具有重要意义。
在自然界中，岩石的稳定性与安全常常由其内部错综复杂的裂隙网络所控制。要在实验室里准确模拟这些裂隙，探究其如何影响岩石的力学行为和破坏模式，是岩土工程领域一个至关重要的课题。然而，构建一个既能精确反映天然裂隙几何形态，又能模拟岩石脆性破坏特征的高精度模型，一直以来都是个技术难题。传统的方法，比如在浇筑的基质中采用磨料射流切割，或通过预制形状插入来铸造裂隙，往往难以处理复杂的、尤其是内置的裂隙网络。近年来，随着3D打印技术的兴起，研究人员开始尝试用各种材料和方法来打印岩石模型。例如，采用熔融沉积成型（FDM）和光固化（SLA）技术可以制造出高精度、可重复的模型，但塑料和树脂材料的高塑性使得它们难以复现岩石的脆性破坏。为了获得岩石般的脆性，3D混凝土打印（3DCP）被引入，它可以模拟大理石的力学性能，但由于其喷头尺寸较大，限制了最小可打印尺寸，难以直接制造开口狭窄、结构复杂的裂隙。更进一步的“增材-减材”（Additive-Subtractive, AS）混合制造方法，例如在3D打印系统中集成机器人手臂用钢针进行切割，可以实现裂隙的构建，但其精度、效率和时空协调性仍然面临挑战。粘合剂喷射（Binder Jetting, BJ）3D打印因其高脆性和精度，在制造复杂裂隙岩石类似物方面展现出潜力，但其层间粉末铺展和压实过程，使其难以直接打印出未被填充的裂隙。考虑到当前接触式裂隙构建方法在空间和时间上的局限性，一种非接触式的方法成为新的需求。激光切割，作为一种利用高能光束进行局部加热和熔化的非接触加工技术，以其高精度、小热影响区和高度自动化等优点，成为构建高精度裂隙网络极具前景的候选方案。这项发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上的研究，正是为了解决上述问题，探索将BJ 3D打印与激光切割相结合，为构建高保真的裂隙岩石模型开辟了一条新路径。
为了验证这一新方法的可行性，研究人员主要运用了以下几个关键技术：首先，他们采用了自主开发的粘合剂喷射（BJ）3D打印机，以不同镁磷摩尔比（M/P = 4, 6, 8）的镁磷酸盐水泥（MPC）为打印材料，制备了基础试样。其次，利用连续型激光器对打印出的MPC试样进行切割，通过精确控制激光功率（120-300 W）和扫描速度（5-140 mm/s），在材料中“雕刻”出裂隙。接着，他们通过超景深显微镜、3D激光共聚焦显微镜等设备，对切割出的裂隙的形貌、几何尺寸（如表面开口宽度、深度、切口锥角）和侧壁粗糙度进行了系统的定量表征。此外，研究还结合了热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等分析手段，深入探究了激光切割过程中的热传导行为、材料在高温下的变化、以及切割区域的矿物学组成和微观结构演变，从而从机理层面解释了不同参数对裂隙形貌的影响。最后，为了展示该方法在构建复杂裂隙网络方面的潜力，研究团队基于实际的玄武岩和碎裂岩裂隙网络，设计并制造了两个复杂的2D裂隙网络模型，并通过对比数字模型，评估了所制造裂隙的几何保真度。
2. 材料与方法
2.1. 材料制备
研究选用镁磷酸盐水泥（MPC）作为打印材料，因为它能模拟天然裂隙岩体的高脆性和破坏模式。通过调整重烧氧化镁（MgO）和磷酸二氢铵（ADP）的比例，设定了三种不同的镁磷摩尔比（M/P = 4, 6, 8），以模拟具有不同力学性质的岩石。所有粉末均过150目筛以确保打印精度和低孔隙率。粘结剂主要为蒸馏水，并加入了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为增粘剂和Surfynol 465作为非离子表面活性剂。
2.2. BJ 3D打印系统与试样制备
使用自主研发的BJ 3D打印机系统，通过逐层铺粉和选择性喷射粘结剂的方式，打印出尺寸为70 mm × 30 mm × 12 mm的长方体试样。打印参数包括层厚0.15 mm，打印速度40秒/层，水灰比0.16。打印完成后，立即从粉床中取出试样并用压缩空气清洁表面粉末，随后进行激光切割。
2.3. 激光系统
激光设备采用波长为1080 nm的连续型激光器，最大功率300 W，聚焦光斑直径40 μm，光束强度呈高斯分布。切割时，确保激光束垂直入射试样表面，不使用辅助气体。通过调节激光功率和扫描速度，研究它们对裂隙形貌的影响。线能量密度是评估切割效率的关键参数。
2.4. 激光切割过程评估
通过多种手段评估激光切割性能：使用超景深显微镜和ImageJ软件测量裂隙的表面开口宽度、深度和切口锥角；使用3D激光共聚焦显微镜测量裂隙侧壁的算术平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Sq）；使用热常数分析仪测量试样的热导率；通过TGA-DSC分析材料的高温热行为；利用XRD和SEM分析切割区域的矿物组成和微观形貌。
2.5. 裂隙网络模型
为了验证该方法制造复杂裂隙的能力，基于真实的玄武岩和碎裂岩裂隙网络，设计了两个复杂的2D裂隙网络模型（玄武岩模型包含78个五棱柱和121个节点；碎裂岩网络包含248条裂隙和88个节点），并使用优化后的激光参数（240 W, 60 mm/s）在BJ 3D打印的MPC试样上进行切割制造。
3. 结果与讨论
3.1. 裂隙形状分析
激光切割MPC产生的裂隙呈楔形，侧壁倾斜角随深度增加而增大，且在约50%深度处增加尤为迅速。裂隙横截面可分为三个区域：熔化区（MZ），呈灰白色，由熔融材料重新冷凝形成；热影响区（HAZ），呈浅黄至深黄色梯度，包含被激光热灼烧的成分；未受影响区（UZ），保持材料原色。
3.2. 裂隙几何参数分析
- •
裂隙表面开口宽度：在相同M/P和扫描速度下，宽度随激光功率增加先增后减，在240 W时最大。在相同M/P和激光功率下，宽度也随扫描速度增加先增后减，在60 mm/s时最大。相同激光参数下，宽度随M/P增加而减小，M/P=4时最大。
- •
裂隙深度：深度随激光功率增加而增加，在300 W时最深。深度随扫描速度增加而减小，在20 mm/s时最深。深度随M/P增加而增加，M/P=8时最深。
- •
切口锥角：锥角随激光功率增加而减小，在300 W时最小。锥角随扫描速度增加而减小，在100 mm/s时最小。锥角随M/P增加而减小，M/P=8时最小。
- •
裂隙侧壁表面粗糙度：粗糙度（Ra, Sq）随激光功率增加先减后增，在240 W时最低。粗糙度随M/P增加而减小，M/P=8时最低。粗糙度随扫描速度增加先减后增，在60 mm/s时最低。采用优化参数（240 W, 60 mm/s）切割出的裂隙侧壁粗糙度接近甚至低于试样原始表面粗糙度。
3.3. 观测现象的原理
- •
激光切割过程中的温度分布：红外热成像显示，试样表面峰值温度出现在激光作用点，并向四周扩散。相同M/P下，扫描速度越快，峰值温度和高温区范围越小。相同激光参数下，M/P越高，热导率越好，热量更易向材料内部传导，导致表面峰值温度和高温区范围反而更低。
- •
热导率：MPC试样的热导率和热扩散率均随M/P增加而线性增加，M/P=8的试样热导率最高。这解释了为何高M/P试样表面温度更低，热量更易向纵深传递，从而形成更深的裂隙和更小的开口宽度。
- •
高温效应：TGA-DSC分析表明，MPC在50-200°C温度区间因ADP热分解而快速失重，且M/P越低，ADP含量越高，相对失重越大。DSC曲线显示不同M/P试样在加热过程中的剧烈反应温度相似。结合热传导性能的差异，共同决定了不同M/P试样在相同激光参数下会形成不同的裂隙几何特征。
- •
矿物学组成：XRD分析表明，熔化区（MZ）主要含有ADP热分解产生的焦磷酸铵（APP）和未反应的MgO；热影响区（HAZ）含有MgO、单水鸟粪石（MgNH4PO4·H2O，由六水鸟粪石脱水形成）以及部分APP；未受影响区（UZ）则包含原始的ADP、六水鸟粪石、单水鸟粪石和MgO。
- •
微观形貌：SEM观察显示，MZ表面光滑致密，附有少量不规则MgO颗粒。HAZ则可见坍塌的片状鸟粪石晶体和气泡状APP结构。UZ为大量不规则多边形鸟粪石晶体。MZ和HAZ的总宽度小于0.21 mm，且随M/P增加而减小，这是因为低M/P时磷酸盐含量更高，且热导率较低导致热量在垂直激光路径方向积累更多。
3.4. 应用
采用优化参数（240 W, 60 mm/s）成功制造了玄武岩和碎裂岩两个复杂的裂隙网络模型。裂隙边缘平整、笔直，无毛刺、填充物或粘连。
- •
单裂隙精度：随机选取裂隙，测量其骨架线长度和分形维数误差。所有模型的分形维数偏差最大<7%，长度误差<3%，变异系数<5%，表明激光切割产生的单个裂隙在裂隙网络内具有出色的几何保真度和均匀性。
- •
裂隙网络精度：通过计算裂隙迹线平均余弦相似性来评估整个网络的方向一致性。所有裂隙网络模型的平均余弦相似性均大于0.98，表明打印的裂隙网络与数字模型在取向上高度一致。激光切割BJ 3D打印水泥试样的加工精度，显著高于以往针头切割结合3DCP方法所报道的精度。
4. 结论
本研究成功提出并验证了一种结合BJ 3D打印与激光切割来构建高保真裂隙岩石模型的新方法。通过系统研究激光参数（功率、扫描速度）和材料参数（M/P）对裂隙几何特征的影响，并结合深入的热-力-化机理分析，得出以下核心结论：激光切割能在BJ 3D打印的MPC材料中产生高精度的楔形裂隙，其几何尺寸（宽度、深度、锥角）和表面粗糙度可通过激光参数和材料M/P进行有效调控。机理上，材料的热导率是关键影响因素，更高的M/P带来更好的热传导，使得能量更易向深度方向传递，从而形成更深、更窄、锥角更小的裂隙，同时侧壁更光滑。微观分析揭示了切割形成的熔化区、热影响区和未受影响区具有不同的矿物组成和形貌特征。最终，应用该方法制造的两个复杂天然裂隙网络模型（玄武岩和碎裂岩网络）表现出极高的几何保真度，单个裂隙的分形维数偏差小于7%、长度误差小于3%，整个网络的方向一致性（余弦相似性）超过0.98。这项工作不仅为实验室研究复杂裂隙岩体的力学行为提供了可靠的、高精度的物理模型构建手段，而且深化了对激光与水泥基材料相互作用机制的理解，对推动激光加工技术在岩土工程模型试验和高精度制造领域的应用具有重要意义。
