CN110757805A - 一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法，在导电图形打印完成后，红外温度传感模块对打印的导电图形进行表面温度非接触式测量，实现导电图形打印后温度检测，获得温度分布图；表面温度测量完成后，激光检测模块通过分光镜将激光器发射的激光一束折射到打印的导电图形表面，另一束反射到参考平面；测量相机模块捕获导电图形激光光斑灰度变化值，获得导电图形表面形貌；将表面温度分布以及表面形貌数据进行加权融合，实现对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，实现闭环烧结。本发明能有效解决打印后在不破坏导电图形表面基础上完成非接触式形貌观测、打印图形质量检验等问题。

Description

一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：三维打印(3D打印)是增材制造(ad-ditivemanufacturing AM)的重要技术组成，其核心是将需成形工件的三维形体通过上位机软件切片处理转化为二维图形，在上位机软件辅助下利用三维打印设备直接成形三维工件。三维打印打破了减材制造模式的限制，具有节省材料、缩短制作周期等优势。
现有3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来。数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造变得快速简捷。随着材料科学、激光技术、制造科学和信息技术等有关3D打印技术的发展，3D打印系统越来越完善。喷墨技术打印导电图形是指采用微液滴发生装置将导电油墨或纳米金属颗粒油墨喷印在基板(无铜箔)上形成线路和图形，再经过烧结固化等后处理工艺形成导电图形。在导电图形的打印技术中，导电材料的打印方式、固化方式等都对整个系统有着重要的影响。导电图形的打印技术主要考虑两个问题：一是尽量提高导电图形的导电率；二是在承印物上快速打印出导电图形。
而打印完成的导电图形需要进行热烧结固化的工艺才能使其表现出所需要的导电性能及对基材附着力；但是烧结效果不稳定，无法使得导电图形每次都完全固化；现有技术无法对打印烧结的导电图形进行非接触式形貌检测实现闭环烧结，从而对烧结程度做出反馈，进一步对打印烧结情况进行判断分析后对打印的导电图形进行下一步处理，无法使得烧结固化效果稳定，得到完全固化的导电图形。目前常用来固化的方法是闪光固化，闪光固化是使用高功率脉冲氙灯在1-2ms内释放2000J到3000J的能量用于固化导电图形，短时间操作使得固化过程更为安全，危险性低于连续光源，且有效提升固化烧结效率，且由于固化时间短，温度上升小，一些耐热性差的材料可以作为基板打印导电图形。但是如果功率控制不好将会损坏导电图形，烧结效果不稳定。所以在目前导电图形中，需要一种在固化烧结后对导电图形烧结程度进行非接触式形貌检测的方法实现闭环烧结，可以对烧结程度进行反馈；在不破坏导电图形形貌的基础上避免烧结不完全和过度烧结的情况使得烧结固化过程稳定，得到完全固化的导电图形。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的3D打印闪光烧结效果不稳定，极易出现烧结不完全和过度烧结情况，缺少一种后处理方法对导电图形烧结程度做出反馈。
解决上述技术问题的难度：使用闪光烧结需要使用2KW-3KW的脉冲光源在1-2ms内释放2000J到3000J的能量，一旦烧结参数配置不合理，过高的功率极易在短时间内将导电图形表面破坏，但是现有技术中只能通过打印前进行多次试验，获得较为可靠的烧结参数，而无法实现闭环烧结对烧结程度进行反馈，在不破坏导电图形表面形貌的情况下获得烧结程度数据并进行烧结参数调节；无法进一步对打印烧结情况进行判断分析后对打印的导电图形进行下一步处理，使得烧结固化过程稳定，得到完全固化的导电图形。由于烧结时间短，周边环境的微小变化都会影响最终烧结效果，导致同等烧结参数下烧结出来的产品导电率参差不齐。
解决上述技术问题的意义：如果能够实现烧结程度的非接触式形貌检测，对烧结程度做出反馈实现稳定的闭环烧结，就可以根据烧结情况对烧结参数进行控制，从而保证在不出现破坏导电图形表面形貌的情况下，获得符合要求的功率，且最终获得产品导电性能也会较为一致。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法。
本发明是这样实现的，一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统设置有：
工作台；
安装在工作台上的红外温度传感模块、激光检测模块和测量相机模块；
红外温度传感模块，用于提供红外温度检测功能；
激光检测模块，用于发射激光的激光器组、用于分光的分光组和用于承光的参考平面组；
测量相机模块，用于实现参考数据提取。
进一步，所述红外温度传感模块包括用于红外温度传感的红外温度传感器以及第一精密螺母、第二精密螺母；
红外温度传感器通过第一精密螺母、第二精密螺母固定于工作台上。
进一步，所述激光检测模块包括用于发射激光的激光器组、用于分光的分光组、用于承光的参考平面组；
激光器组、分光组和参考平面组安装在工作台的上部空间，互不相连。
进一步，所述测量相机模块包括表面形貌测量相机、参考相机、第四弯头万向连杆、第三精密丝杆、第四精密丝杆；
表面形貌测量相机与第四弯头万向连杆相连，通过第四弯头万向连杆调整表面形貌测量相机位置与角度，第四弯头万向连杆与第三精密丝杠相连固定于工作台上；参考相机与第四精密丝杆相连固定于工作台的前方。
进一步，所述激光器组包括激光器、激光器套筒、第一弯头万向连杆、第一精密丝杆；
激光器安装在激光器套筒内，激光器套筒与第一弯头万向连杆相连，通过第一弯头万向连杆调整激光器的位置与角度，第一弯头万向连杆与第一精密丝杆相连固定于工作台上。
进一步，所述分光组包括分光镜、分光镜支架、第二弯头万向连杆；
分光镜安装在分光镜支架上，分光镜支架与第二弯头万向连杆相连，通过第二弯头万向连杆调整分光镜位置与角度，第二弯头万向连杆固定于工作台上；
所述参考平面组包括参考平面、参考平面支架、直头万向连杆、第三弯头万向连杆、第二精密丝杆；参考平面与参考平面支架相连，参考平面支架通过直头万向连杆与第三弯头万向连杆相连，通过直头万向连杆、第三弯头万向连杆获得更大的自由度，调整参考平面的位置与角度，第三弯头万向连杆与第二精密丝杆相连固定于工作台上。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法在导电图形打印完成后，红外温度传感模块对打印的导电图形进行表面温度非接触式测量，实现导电图形打印后温度检测，获得温度分布图；表面温度测量完成后，激光检测模块通过分光镜将激光器发射的激光一分为二，一束折射到打印的导电图形表面，另一束反射到参考平面，实现激光检测功能；测量相机模块捕获导电图形激光光斑灰度变化值，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理后，获得导电图形表面形貌；将表面温度分布以及表面形貌数据进行加权融合，实现对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，实现闭环烧结，并对下一次烧结功率等参数进行调整。
进一步，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法包括以下步骤：
第一步，导电图形打印完成后，先进行一次表面烧结；
第二步，移动红外温度传感器的位置，红外温度传感器对图形和基板进行温度测量，获得当前导电图形的温度差xT；
第三步，移动激光器对导电图形表面进行扫描，测量相机模块捕获导电图形激光光斑，获得导电图形光斑平均灰度xG，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理；
第四步，将平均灰度xGO和温度差xTO分别与xG和xT相减后权值获得总加权差D，对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，并对下一次烧结功率等参数进行调整；
第五步，设定期望值DO和误差ε。若结果大于误差ε。则进入烧结功率密度调整环节，使用优化烧结参数进行闪光烧结后转回S204；若结果小于误差ε，停止烧结；
第六步，最终获得打印烧结效果良好的导电图形。
进一步，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法通过多传感器数据融合算法得到最优加权融合法，最后获得权值：
估计值：
Figure BDA0002214434340000051
估计方差：
构造辅助函数：
求极值后获得权值：
Figure BDA0002214434340000054
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统的三维打印控制系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明使用高功率脉冲氙灯在1-2ms内释放2000J到3000J的能量用于固化导电图形，短时间操作使得固化过程更为安全，危险性低于连续光源，且能有效提升固化烧结效率，且由于固化时间短，温度上升小，一些耐热性差的材料可以作为基板打印导电图形。
本发明使用闪光烧结需要使用2KW-3KW的脉冲光源在1-2ms释放2000J到3000J的能量，一旦烧结参数配置不合理，过高的功率极易在短时间内将导电图形表面破坏，但是现有技术中只能通过打印前进行多次试验，获得较为可靠地烧结参数，而无法实现闭环烧结对烧结程度进行反馈，在不破坏导电图形表面形貌的情况下获得烧结程度数据并进行烧结参数调节；无法进一步对打印烧结情况进行判断分析后对打印的导电图形进行下一步处理，使得烧结固化过程稳定，得到完全固化的导电图形。由于烧结时间短，周边环境的微小变化都会影响最终烧结效果，导致同等烧结参数下烧结出来的产品导电率参差不齐。
本发明采用多组万向连杆，方便调整传感器位置与角度；通过使用红外温度传感器、激光器以及测量相机组成的多传感器非接触式形貌检测系统实现烧结程度的非接触式形貌检测。红外温度传感器对图形和基板进行温度测量，获得温度分布图；随后，激光器对导电图形表面进行扫描，测量相机模块捕获导电图形激光光斑灰度变化值，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理，完成形貌检测获得导电图形表面形貌；将表面温度分布以及表面形貌数据进行加权融合，对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，从而根据烧结情况对烧结参数进行调控实现闭环烧结，对烧结程度做出反馈，保证在不出现破坏导电图形表面形貌的情况下，获得符合要求的功率，使得烧结固化过程稳定，且最终获得导电性能较为一致的产品。使用波长为890nm的红外温度传感器进行温度检测，光线波段在可见光范围外，有效防止外界可见光对实验的影响，提高了烧结检测精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统的结构示意图；
图中：1、工作台；2、红外温度传感模块；2-1、红外温度传感器；2-2、精密螺母；2-3、精密螺母；3、激光器组；3-1、精密激光器；3-2、激光器套筒；3-3、第一弯头万向连杆；3-4、第一精密丝杆；4、分光组；4-1、分光镜；4-2、分光镜支架；4-3、第二弯头万向连杆；5、参考平面组；5-1、参考平面；5-2、参考平面支架；5-3、直头万向连杆；5-4、第三弯头万向连杆；5-5、第二精密丝杆；6、测量相机模块；6-1、表面形貌测量相机；6-2、第四弯头万向连杆；6-3、第三精密丝杆；7、参考相机；7-1、第四精密丝杆。
图2是本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统工作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统包括：工作台1、安装在工作台1上的红外温度传感模块2、激光检测模块和测量相机模块。
红外温度传感模块2包括用于红外温度传感的红外温度传感器2-1以及第一精密螺母2-2、第二精密螺母2-3；红外温度传感器2-1通过第一精密螺母2-2、第二精密螺母2-3固定于工作台1上，用于提供红外温度检测功能。
激光检测模块包括用于发射激光的激光器组3、用于分光的分光组4和用于承光的参考平面组5；激光器组3、分光组4和参考平面组5安装在工作台1的上部空间，互不相连。
测量相机模块包括表面形貌测量相机6-1、参考相机7、第四弯头万向连杆6-2和第三精密丝杆6-3、第四精密丝杆7-1；表面形貌测量相机6-1与第四弯头万向连杆6-2相连，通过第四弯头万向连杆6-2调整表面形貌测量相机6-1位置与角度，第四弯头万向连杆6-2与第三精密丝杠6-3相连固定于工作台1上；参考相机7与第四精密丝杆7-1相连固定于工作台1的前方，实现参考数据提取。
其中，激光器组3包括激光器3-1、激光器套筒3-2、第一弯头万向连杆3-3以及第一精密丝杆3-4；激光器3-1安装在激光器套筒3-2内，激光器套筒3-2与第一弯头万向连杆3-3相连，通过第一弯头万向连杆3-3调整激光器3-1的位置与角度，第一弯头万向连杆3-3与第一精密丝杆3-4相连固定于工作台1上；
分光组4包括分光镜4-1、分光镜支架4-2和第二弯头万向连杆4-3；分光镜4-1安装在分光镜支架4-2上，分光镜支架4-2与第二弯头万向连杆4-3相连，通过第二弯头万向连杆4-3调整分光镜4-1位置与角度，第二弯头万向连杆4-3固定于工作台1上。
参考平面组5包括参考平面5-1、参考平面支架5-2、直头万向连杆5-3、第三弯头万向连杆5-4和第二精密丝杆5-5；参考平面5-1与参考平面支架5-2相连，参考平面支架5-2通过直头万向连杆5-3与第三弯头万向连杆5-4相连，通过直头万向连杆5-3、第三弯头万向连杆5-4获得更大的自由度，从而调整参考平面5-1的位置与角度，第三弯头万向连杆5-4与第二精密丝杆5-5相连固定于工作台1上。
如图2所示，本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法包括以下步骤：
S201：导电图形打印完成后，先进行一次表面烧结；
S202：移动红外温度传感器的位置，红外温度传感器对图形和基板进行温度测量，获得当前导电图形的温度差xT；
S203：随后，移动激光器对导电图形表面进行扫描，测量相机模块捕获导电图形激光光斑，获得导电图形光斑平均灰度xG，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理；
S204：将平均灰度xGO和温度差xTO分别与xG和xT相减后权值获得总加权差D，对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，并对下一次烧结功率等参数进行调整；
S205：设定期望值DO和误差ε。若结果大于误差ε。则进入烧结功率密度调整环节，使用优化烧结参数进行闪光烧结后转回S204；若结果小于误差ε，停止烧结；
S206：最终获得打印烧结效果良好的导电图形。
如图3所示，本发明实施例提供的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统示意图包括以下模块：
模块一，在导电图形打印完成后，红外温度传感模块2对打印的导电图形7进行表面温度非接触式测量，实现导电图形打印后温度检测，获得温度分布图；
模块二，表面温度测量完成后，激光检测模块通过分光镜4将激光器3发射的激光一分为二，一束折射到打印的导电图形8表面，另一束反射到参考平面5，实现激光检测功能,。测量相机6捕获导电图形激光光斑灰度变化值，并将数据与测量相机7捕获的参考平面5光斑进行滤波及消噪处理后，获得导电图形7表面形貌。
在本发明的优选实施例中：通过多传感器数据融合算法得到最优加权融合法，最后获得权值，其过程具体为下：
估计值：
Figure BDA0002214434340000091
估计方差：
Figure BDA0002214434340000092
构造辅助函数：
Figure BDA0002214434340000101
求极值后获得权值：
Figure BDA0002214434340000102
其中j为传感器数据组。
本发明在导电图形打印完成后，红外温度传感模块对打印的导电图形进行表面温度非接触式测量，实现导电图形打印后温度检测，获得温度分布图；表面温度测量完成后，激光检测模块通过分光镜将激光器发射的激光一分为二，一束折射到打印的导电图形表面，另一束反射到参考平面，实现激光检测功能；测量相机模块捕获导电图形激光光斑灰度变化值，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理后，获得导电图形表面形貌；将表面温度分布以及表面形貌数据进行加权融合，实现对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，从而实现闭环烧结，并对下一次烧结功率等参数进行调整。本发明能有效解决打印后在不破坏导电图形表面基础上完成非接触式形貌观测、打印图形质量检验等问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统设置有：
工作台；
安装在工作台上的红外温度传感模块、激光检测模块和测量相机模块；
红外温度传感模块2，用于提供红外温度检测功能；
激光检测模块，用于发射激光的激光器组、用于分光的分光组和用于承光的参考平面组；
测量相机模块，用于实现参考数据提取。
2.如权利要求1所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述红外温度传感模块包括用于红外温度传感的红外温度传感器以及第一精密螺母、第二精密螺母；
红外温度传感器通过第一精密螺母、第二精密螺母固定于工作台上。
3.如权利要求1所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述激光检测模块包括用于发射激光的激光器组、用于分光的分光组、用于承光的参考平面组；
激光器组、分光组和参考平面组安装在工作台的上部空间，互不相连。
4.如权利要求1所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述测量相机模块包括表面形貌测量相机、参考相机、第四弯头万向连杆、第三精密丝杆、第四精密丝杆；
表面形貌测量相机与第四弯头万向连杆相连，通过第四弯头万向连杆调整表面形貌测量相机位置与角度，第四弯头万向连杆与第三精密丝杠相连固定于工作台上；参考相机与第四精密丝杆相连固定于工作台的前方。
5.如权利要求1所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述激光器组包括激光器、激光器套筒、第一弯头万向连杆、第一精密丝杆；
激光器安装在激光器套筒内，激光器套筒与第一弯头万向连杆相连，通过第一弯头万向连杆调整激光器的位置与角度，第一弯头万向连杆与第一精密丝杆相连固定于工作台上。
6.如权利要求1所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统，其特征在于，所述分光组包括分光镜、分光镜支架、第二弯头万向连杆；
分光镜安装在分光镜支架上，分光镜支架与第二弯头万向连杆相连，通过第二弯头万向连杆调整分光镜位置与角度，第二弯头万向连杆固定于工作台上；
所述参考平面组包括参考平面、参考平面支架、直头万向连杆、第三弯头万向连杆、第二精密丝杆；参考平面与参考平面支架相连，参考平面支架通过直头万向连杆与第三弯头万向连杆相连，通过直头万向连杆、第三弯头万向连杆获得更大的自由度，调整参考平面的位置与角度，第三弯头万向连杆与第二精密丝杆相连固定于工作台上。
7.一种基于权利要求1所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法，其特征在于，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法在导电图形打印完成后，红外温度传感模块对打印的导电图形进行表面温度非接触式测量，实现导电图形打印后温度检测，获得温度分布图；表面温度测量完成后，激光检测模块通过分光镜将激光器发射的激光一分为二，一束折射到打印的导电图形表面，另一束反射到参考平面，实现激光检测功能；测量相机模块捕获导电图形激光光斑灰度变化值，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理后，获得导电图形表面形貌；将表面温度分布以及表面形貌数据进行加权融合，实现对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，实现闭环烧结，并对下一次烧结功率等参数进行调整。
8.如权利要求7所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法，其特征在于，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法包括以下步骤：
第一步，导电图形打印完成后，先进行一次表面烧结；
第二步，移动红外温度传感器的位置，红外温度传感器对图形和基板进行温度测量，获得当前导电图形的温度差xT；
第三步，移动激光器对导电图形表面进行扫描，测量相机模块捕获导电图形激光光斑，获得导电图形光斑平均灰度xG，并将数据与参考平面光斑进行滤波及消噪处理；
第四步，将平均灰度xGO和温度差xTO分别与xG和xT相减后权值获得总加权差D，对导电图形形貌进行平整度评估和烧结程度分析，并对下一次烧结功率等参数进行调整；
第五步，设定期望值DO和误差ε；若结果大于误差ε，则进入烧结功率密度调整环节，使用优化烧结参数进行闪光烧结后转回S204；若结果小于误差ε，停止烧结；
第六步，最终获得打印烧结效果良好的导电图形。
9.如权利要求7所述的导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法，其特征在于，所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测方法通过多传感器数据融合算法得到最优加权融合法，最后获得权值：
估计值：
Figure FDA0002214434330000031
估计方差：
Figure FDA0002214434330000032
构造辅助函数：
Figure FDA0002214434330000033
求极值后获得权值：
Figure FDA0002214434330000034
10.一种安装有权利要求1～6任意一项所述导电图形打印多传感器非接触式形貌检测系统的三维打印控制系统。
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