CN109187755B - 一种基于3d打印的在线超声无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，属于超声无损检测领域，该方法通过建立3D打印模型并转化成STL文件，采用切分软件处理获取打印层的制造信息；针对不同3D打印机喷头的形状和待打印件的物理信息(材料属性、厚度等)，选取合适的空气超声探头与打印喷头配合，进行打印参数和扫描参数的设置；进而对超声探头获取的超声信息进行信号处理和图像处理，设置阈值区分不可保留缺陷和无关缺陷，对检测层的总缺陷率统计；通过将超声处理后的图像与切分处理后的图像进行在线对比来及时调整打印参数甚至停止不良成型的打印；最后将超声成像进行三维重建，对所有打印产品的成型质量进行建档。

Description

一种基于3D打印的在线超声无损检测方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，特别涉及一种基于3D打印的在线超声无损检测方法。
背景技术
3D打印技术是采用增材制造的方法，即将材料采用逐层累加的制造方式达到最终预定形状；此过程不同于传统的减材和等材制造，如车、铣、刨、磨、铸(造)、锻(造)、焊(接)等，对材料高度节省，同时由于其“自下而上”的加工方法，使得中空结构和特别复杂结构较容易实现。其实现过程是将目标模型进行三维建模，通过切分软件制成二维平面数据，3D打印机构按照指定数据进行二维平面构件，然后通过升降平台完成三维建造。
在3D打印过程中，由于其逐层累加的制造特点，在层与层界面处容易出现缺陷，而且当前的缺陷可能会被继续的累加过程放大或者缩小；由于材料的状态和形貌发生变化，会出现组织变化、变形及各种加工缺陷。比如在熔融沉积成型(FDM)，受热胀冷缩的影响产生翘曲，在激光选区熔化成型(SLM)，受粉末材料的影响易产生较大孔隙。
目前进行的检测多集中在破坏性试验，无损检测中超声和射线检测应用较多。但3D打印产品大多结构复杂，成型后的检测有较大盲区，所以急需寻找适合在线检测的无损检测方法。这样的方式又可以在线监测零件的成型质量，减少因缺陷导致零件失效引起的材料浪费。超声无损检测是既可以做表面检测又可以做内部检测，这样可减少因冷却过程而出现的缺陷萌生，比如气孔的合并或者消失。现在的超声C扫描可以进行快速地平面扫描，与3D打印机械运动系统可完美结合，达到在线检测的目的。
发明内容
本发明针对目前3D打印件不能高效地对缺陷进行检出问题，提供了一种基于3D打印的在线超声无损检测方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，包括以下步骤：
1)建立3D打印模型并转化成STL文件，采用切分软件处理后获取打印层的制造信息；
2)针对不同3D打印机喷头的形状和待打印件的物理信息，选取合适的空气超声探头与打印喷头配合，进行打印参数和扫描参数设置；
3)对超声探头获取的超声信息进行信号处理和图像处理，设置阈值区分不可保留缺陷和无关缺陷，对检测层的总缺陷率统计。
本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：
4)将超声处理后的图像与切分处理后的图像进行在线对比，及时调整打印参数甚至停止不良成型的打印；
5)将超声成像进行三维重建，对所有打印产品的成型质量进行建档。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，打印层的制造信息包括：切分软件处理后获取打印层的待打印图像和打印路径，提取STL文件中的特征坐标。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，打印机喷头处安装超声检测探头，采用空气耦合式超声检测探头，根据材料的性质和待打印件的厚度决定空气耦合探头的类型；其中采用的超声空气耦合探头有透射式双面直探头和反射式单面V型探头。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，具体包括：
对超声采集的信号进行信号处理和图像处理得到将超声信号转化为图像及其量化数据，设置阈值进行区分缺陷的严重程度，并对检测层的总缺陷率进行统计。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，超声处理后得到的是彩色图像，包括零件空间轮廓及缺陷位置，与切分处理后的预设图像进行对比；如出现超过阈值的缺陷停止打印操作；如不影响使用性能及时调整打印参数。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中，由于打印的层累加和检测的层扫描设计，对每个零件都有由下至上的若干张超声检测图像，将这些图像进行三维重建，由此对所有打印件都有原始检测信息，以便保证零件质量和一旦出现失效后的失效分析。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明的创新之处在于将超声检测技术应用于3D打印过程中。随着空气耦合超声技术的发展，使得超声检测不再受限于耦合剂的状态，同时空气耦合超声探头可对高温样品进行无接触检测，相对于激光超声检测和工业CT价格低，对人体伤害小，不需设置隔离措施，相对于红外相机可对内部缺陷及加工后缺陷检测，特别适合于小型3D打印设备。由于打印路径和超声检测方式的可较好配合，所以开发在线检测系统。一旦出现异常，及时调整打印参数或停止打印操作。
在线超声检测过程充分利用模型设计者建造模型时的参数设置，尤其是特征参数。通过提取STL文件和获取切分处理后的打印制造信息对后续检测结果进行对比，在线检测最重要的是打印机喷头与超声探头的配合，超声C扫描的平面扫描于打印机的打印平面可骄傲和配合，而且可即时得到检测图像，通过图像处理得到缺陷的数据分析，设计图像对比系统将检测结果反馈到打印过程中，在对样品检测完成后的图像进行三维重建后保存，以利于后期的使用参考和失效分析。
附图说明
图1为本发明一种基于3D打印的在线超声无损检测方法的流程图。
图2为本发明中超声探头与打印喷头的配合示意图。
图3为采用超声空气耦合探头对成型后样品内部缺陷检测。
图4为超声检测对3D打印的翘曲缺陷的显示。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，包括以下步骤：
1)建立3D打印模型并转化成STL文件，采用切分软件处理后获取打印层的制造信息；具体包括：
切分软件处理后获取打印层的待打印图像和打印路径。
2)针对不同3D打印机喷头的形状和待打印件的物理信息(材料属性、厚度等)，选取合适的空气超声探头与打印喷头配合，进行打印参数和扫描参数的设置；打印机喷头处安装超声检测探头，采用空气耦合式超声检测探头，根据材料的性质(比如金属、复合材料、塑料等)和待打印件的厚度决定空气耦合探头的类型。其中主要超声空气耦合探头有透射式双面直探头和反射式单面V型探头。如图2所示为超声空气耦合V型探头与探头喷嘴的配合。
3)对超声探头获取的超声信息进行信号处理和图像处理，设置阈值区分不可保留缺陷和无关缺陷，对检测层的总缺陷率统计；具体包括：
对超声采集的信号进行信号处理和图像处理得到将超声信号转化为图像及其量化数据，设置阈值进行区分缺陷的严重程度，并对检测层的总缺陷率进行统计。如图3为空气耦合探头对成型后的零件及进行内部人工预置缺陷检测图像。
4)将超声处理后的图像与切分处理后的图像进行在线对比，及时调整打印参数甚至停止不良成型的打印。
超声处理后得到的是彩色图像，包括零件空间轮廓及缺陷位置，与切分处理后的预设图像进行对比。如出现超过阈值的缺陷停止打印操作；如不影响使用性能即使调整打印参数，例如出现翘曲缺陷时进行底床温度调节。如图4所示的是超声检测对3D打印的翘曲缺陷的显示。翘曲是在打印过程中的冷却时出现的，采用超声方法对距表面大约2mm的位置自上之下多层扫描可发现左下角圆圈内翘曲区域的增加，应用在线反馈功能后可以对底床温度调节，打印过程中减小翘曲缺陷甚至消除。
5)将超声成像进行三维重建，对所有打印产品的成型质量进行建档。
由于打印的层累加和检测的层扫描设计，对每个零件都有由下至上的若干张超声检测图像，将这些图像进行三维重建，由此对所有打印件都有原始检测信息，以便保证零件质量和一旦出现失效后的失效分析。

Claims (6)

1.一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立3D打印模型并转化成STL文件，采用切分软件处理后获取打印层的制造信息；
2)针对不同3D打印机喷头的形状和待打印件的物理信息，选取合适的空气超声探头与打印喷头配合，进行打印参数和扫描参数设置；
3)对超声探头获取的超声信息进行信号处理和图像处理，设置阈值区分不可保留缺陷和无关缺陷，对检测层的总缺陷率统计；
4)将超声处理后的图像与切分处理后的图像进行在线对比，及时调整打印参数甚至停止不良成型的打印；
5)将超声成像进行三维重建，对所有打印产品的成型质量进行建档。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，步骤1)中，打印层的制造信息包括：切分软件处理后获取打印层的待打印图像和打印路径，提取STL文件中的特征坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，步骤2)中，打印机喷头处安装超声检测探头，采用空气耦合式超声检测探头，根据材料的性质和待打印件的厚度决定空气耦合探头的类型；其中采用的超声空气耦合探头有透射式双面直探头和反射式单面V型探头。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，步骤3)中，具体包括：
对超声采集的信号进行信号处理和图像处理得到将超声信号转化为图像及其量化数据，设置阈值进行区分缺陷的严重程度，并对检测层的总缺陷率进行统计。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，步骤4)中，超声处理后得到的是彩色图像，包括零件空间轮廓及缺陷位置，与切分处理后的预设图像进行对比；如出现超过阈值的缺陷停止打印操作；如不影响使用性能及时调整打印参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的在线超声无损检测方法，其特征在于，步骤5)中，由于打印的层累加和检测的层扫描设计，对每个零件都有由下至上的若干张超声检测图像，将这些图像进行三维重建，由此对所有打印件都有原始检测信息，以便保证零件质量和一旦出现失效后的失效分析。
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