Исследование границ применимости фотополимерной 3D-печати для физического моделирования в геонауках
Автор: Кожевников Е.В., Турбаков М.С., Иванов З.Г., Рябоконь Е.П., Каменев П.А.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Свойства горных пород. Геомеханика и геофизика
Статья в выпуске: 1 т.11, 2026 года.
Бесплатный доступ
Дефицит природного кернового материала и невозможность его многократного использования в лабораторных экспериментах обусловливают необходимость поиска альтернативных способов получения образцов для геомеханических исследований. В связи с этим всё более востребованным становится применение реплик горных пород, изготовленных методами 3D-печати. Одним из таких методов выступает 3D-LCD-печать - доступная и точная технология стереолитографии, основанная на послойном отверждении жидких фотополимеров через жидкокристаллический дисплей. В связи с этим целью настоящей работы являлось: экспериментальная оценка физико-механических характеристик материалов, получаемых данным методом, и их сопоставление с параметрами природных горных пород. Для решения поставленных задач был проведён комплекс испытаний, включающий микроструктурный анализ, неразрушающие исследования на основе измерения скорости упругих волн и испытания на одноосное сжатие. Испытания показали, что напечатанные образцы характеризуются высокой изотропией упругих свойств и стабильностью механических параметров при изменении условий постотверждения и хранения. Показано также, что наклон слоёв относительно направления нагружения существенно влияет на предел прочности и модуль Юнга: максимальные значения прочности достигаются при угле ориентации 60° (до 162 МПа), минимальные - при 30° (до 120 МПа). Сравнение с данными испытаний природных силицитов, окремнённых доломитов и опок выявило соизмеримость механических характеристик и сходство деформационного поведения в области упругих деформаций (до 20 МПа). Таким образом, 3D-LCD-реплики горных пород могут быть использованы для физического моделирования геотехнических процессов и оценки параметров разрушения в лабораторных условиях, однако требуют учёта различий в механизмах разрушения при пластическом деформировании.
3d-печать, фотополимерная печать, реплики горных пород, одноосное сжатие, анизотропия, модуль юнга, геомеханика, упругие свойства, 3d-lcd-технология
Короткий адрес: https://sciup.org/140314967
IDR: 140314967 | УДК: 622.02:004.925.84 | DOI: 10.17073/2500-0632-2025-02-899
Assessing the Limits of Applicability of Photopolymer 3D Printing for Physical Modeling in Geosciences
The limited availability of natural core material and its unsuitability for repeated use in laboratory experiments create a need for alternative ways of producing specimens for geomechanical investigations. Against this background, 3D-printed rock replicas are attracting increasing interest. Among the available approaches, 3D-LCD printing is a readily accessible and precise stereolithographic technology based on the layer-by-layer curing of liquid photopolymers through a liquid-crystal display. The aim of this study was to experimentally evaluate the physical and mechanical properties of materials produced by this method and to compare them with those of natural rocks. To address this aim, a set of tests was performed, including microstructural analysis, nondestructive testing based on elastic-wave velocity measurements, and uniaxial compression tests. The results showed that the printed specimens were characterized by a high degree of isotropy in their elastic properties and by stable mechanical parameters under varying post-curing and storage conditions. The inclination of the printed layers relative to the loading direction was also found to have a significant effect on compressive strength and Young’s modulus: the highest strength values were obtained at an orientation angle of 60° (up to 162 MPa), whereas the lowest were recorded at 30° (up to 120 MPa). Comparison with test data for natural silicites, silicified dolomites, and opoka, a carbonate-siliceous sedimentary rock, showed comparable mechanical properties and similar deformation behavior within the elastic range (up to 20 MPa). Thus, 3D-LCD rock replicas can be used for the physical modeling of geotechnical processes and for laboratory studies of failure behavior; however, differences in failure mechanisms during plastic deformation must be taken into account.
