CN112229911B - 一种用于实时检测3d打印件脱层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实时检测3D打印件脱层的方法和装置，属于超声无损检测技术领域。本方法首先将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，保证3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；打印开始后，确定底层打印为正常的粘结状态后，开启超声检测装置获取底层的超声信号作为参考信号。在后续打印过程中，记录当前打印层中超声波接收探头采集到的当前数据作为待检测信号，实时分析待检测信号与参考信号之间的相关性，获得当前打印层与底层之间相关系数，根据每一层与底层之间相关系数绘制相关性系数图；根据相关性系数图的趋势判断是否脱层。

Description

一种用于实时检测3D打印件脱层的方法和装置

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，具体涉及一种用于实时检测3D打印件脱层的方法和装置。

背景技术

3D打印是一种快速成型技术，主要运用金属或者塑料等材料。打印机与计算机端通讯连接后，通过计算机控制可以把打印丝材一层层叠加起来，最终将计算机中的数字模型变成实物。由于打印喷头是基于G代码文件扫描形成一个零件的每一层，这种传统的打印方法缺乏适当的校准，精度差，在不可预测的环境因素下容易给打印件引入错误，导致尺寸不正确、层之间键合失败、热翘曲或卷曲等问题。

其中脱层是在3D打印中的一种常见的故障，尤其影响大尺寸打印件。脱层主要是因为随着打印高度的增加，物体内部的残余应力不断累积、变化，产生形变造成；且当堆栈与打印头一起运动时会存在系统谐振。这些都使得基座与打印件第一层之间成为最虚弱的连接，易出现脱层问题。

因此，需要寻找一种检测3D打印件是否脱层的方法，避免脱层后不必要的时间和材料消耗，从而提高3D打印件的质量和效率。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种用于实时检测3D打印件脱层的方法和装置。首先将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，保证3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；打印开始后，确定底层打印为正常的粘结状态后，开启超声检测装置获取底层的超声信号作为参考信号。在后续打印过程中，记录当前打印层中超声波接收探头采集到的当前数据作为待检测信号，实时分析待检测信号与参考信号之间的相关性，获得当前打印层与底层之间相关系数，根据每一层与底层之间相关系数绘制相关性系数图；根据相关性系数图的趋势判断是否脱层。本发明的方法能够实施监测打印状态，一旦脱层即可立即停止打印，节省材料，提高了打印效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一个目的在于提供一种用于实时检测3D打印件脱层的方法，包括以下步骤：

S1：根据待检测3D打印件的预设形状，将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，保证3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；

S2：开启3D打印，待底层打印完毕后，首先确认底层与打印基板之间的打印状态；

若为粘结状态，则开启超声检测装置，超声波发射探头将发射超声波信号，由超声波接收探头接收后显示在示波器上，并记录超声波接收探头采集到的数据作为参考信号；

若为脱层状态，则调整打印参数后重新开始步骤S2；

S3：3D打印过程继续进行，3D打印喷头将待检测3D打印件按照预设形状和程序逐层打印，超声检测装置一直处于开启状态；

在当前打印层的打印过程中，记录当前打印层中超声波接收探头采集到的当前数据作为待检测信号，实时分析待检测信号与参考信号之间的相关性，获得当前打印层与底层之间相关系数，根据每一层与底层之间相关系数绘制相关性系数图；

S4：判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层。

本发明的另一个目的在于提供一种用于实现上述方法的装置，包括：

超声检测模块：包括超声波发射探头、超声波接收探头和示波器；所述的超声波发射探头用于发射超声波信号，超声波接收探头用于接收超声波信号，示波器用于展示超声数据；

定位模块：用于将超声检测模块固定在打印件基板上，并使得3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；

超声数据采集与存储模块：用于实时获取超声检测模块中超声波接收探头接收到的数据，并根据预设的3D打印程序将接收到的数据分组存储，当前组数据用于反映当前时刻底层的状态；

相关性分析模块：用于将当前组的待检测信号与打印件底层的参考信号进行相关性分析，根据每一层与底层之间相关性分析结果实时更新相关性系数图；

状态判断模块：用于判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示底层的参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层。

脱层报警模块：当状态判断模块输出预警信号时，根据预警信号的类型发出完全脱层报警或逐渐脱层报警，需人工解除报警。

现有技术中缺少在3D打印过程中实时监测是否脱层的可靠方法。基于此，本发明提出了一种利用超声法结合相关性分析的技术实现了在3D打印过程中能够实时判断是否脱层，一旦脱层即可报警并停止打印，提高了打印效率。

具体的，本发明将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，保证3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上，保证了超声波在传输中绕经整个3D打印件的表面。由于底层打印层是确认为正常状态的打印层，其与基板之间无空隙，本发明将每一层的打印层获取到的超声信号分别与第一层进行相关性分析，一旦当前打印层存在缺陷，则超声波在与缺陷相互作用时会发生反射，造成其能量也随之改变，易造成打印件脱层。随着打印过程的进行，落在玻璃基板上的吐丝量不断增加，因此采集到的数据A_i在时域上的波形与A₁在幅值上有很大的改变，所以随着打印层数越来越多，当前打印层与第一层的相关系数会逐渐降低。通过判断ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，即可确认当前打印层未脱层。

随着打印高度的增加，物体内部的残余应力不断累积、变化，产生形变，伴随着打印台的移动或者打印头的动作等原因可能会导致底层与玻璃基板在某个时间瞬间脱层，那么其波形图在时域上的幅值会立刻变大，其透射能量也会立即变大，此刻采集到的超声数据类似于A₁，即底层打印状态的数据，那么此时与A₁相比，ρ(A₁,A_i)会立即变大，其相关程度为高度相关。通过判断ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，若满足，则底层极可能已经完全脱层。为了防止偶然误差，本发明可以设置多次连续检测来判断底层是否完全脱层。

如果底层与玻璃基板的耦合状态不佳，那么在打印过程中可能不会立刻完全脱层，而是逐渐脱层，逐渐脱层也会体现其能量逐渐变大，ρ(A₁,A_i)逐渐变大，即其相关程度逐渐变高。通过判断ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，若满足，则极可能为逐渐脱层，本发明可以设置多次连续检测来判断底层是否逐渐脱层，以免误判。

通过上述技术方案，本发明能够实现在3D打印过程中实时判断底层状态，一旦发现脱层，可以立即停止打印，节省材料，提高打印效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例中用于实时检测3D打印件脱层的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施例中采集到的超声波图；

图3是本发明一个实施例中立即完全脱层的相关性系数对比分析图；

图4是本发明一个实施例中逐渐脱层的相关性系数对比分析图；

图5是在理想状态下的相关性系数对比分析图；

图6是本发明一个实施例中用于实时检测3D打印件脱层的装置结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细阐述。

图1示出了本实施例中一种用于实时检测3D打印件脱层的方法流程示意图。在本实施例中，采用matlab对数据的相关性进行分析，通过将matlab软件串行连接到示波器以实现数据传输。

S1，针对待检测3D打印件的底层粘结状态，选择一组超声检测设备的探头放置在被测物的两端，实时获取待检测件的状态信息。

具体地，根据待检测3D打印件的预设形状，将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，保证3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上。

S2，超声波接收探头采集到的数据实时输出到matlab中进行存储并计算，便于信号的分析。

具体地，通过将matlab软件串行连接到示波器，在示波器上反映3D打印件实时的打印过程的信号被实时采集到matlab中并存储起来，但是在打印完底层后需要先预先确认底层与打印基板之间的打印状态；若为粘结状态，则开启超声检测装置，超声波发射探头将发射超声波信号，由超声波接收探头接收后显示在示波器上，并记录超声波接收探头采集到的数据作为参考信号；若底层为脱层状态，这无法进行后面的过程，需要调整打印参数或打印仪器后重新开始步骤S2。此处的底层状态判断是本领域技术人员的常规判断，通过观察底层与基板的粘结程度即可，一般在正常打印时，打印完底层之后均为粘结状态，脱层主要出现在后续的打印过程中。对于一些新设备的调试阶段，底层打印完之后可能会存在基板和打印头距离不匹配的问题出现脱层，只需重新进行调试即可。

S3，根据实时采集的数据通过相关系数分析，确定底层状态是否脱层。

具体地，根据实时采集的数据，在matlab中对数据进行相关性系数分析，将每一组所采集的数据和每一组第一次采集的数据进行对比分析，也可以采用相关系数图像直观展示打印情况，图像的横坐标表示每一层的数据，图像的纵坐标表示每一层与底层之间相关系数。用图像显示对比的特征，得到打印件底层趋势的状态信息，判断底层是否脱层。若发出完全脱层报警或逐渐脱层报警时，自动停止3D打印。

具体判断过程为：

判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层。

在本发明的一项具体实施中，ε₁阈值和k值根据判断精度进行调整，一般取ε₁值0.05-0.1，即若当前打印层对应的属于和底层参考数据的相关度至少达到90％以上，才能作为判断是否完全脱层的条件。k值一般取3-10，k值的选取与打印系统的稳定性有关，如打印台的轻微振动、或者打印头的正常移动都有可能对测得的数据造成偶然的影响，为了避免这种偶然误差，可以采用多次连续检测来判断的方式，在对判断精度要求较高时，k值取大一些，在对判断精度要求较低时，想要尽可能的节省材料，任何可能脱层的情况均要进行提醒，则k值取小一些。在本发明的一项具体实施中，使用CTS-8077PR脉冲发生接收器，TBS1202B示波器，探头频率为5MHz，重复频率为5000Hz。保持俩个超声检测设备的探头和被打印件在同一条直线上，用蓝丁胶来固定探头，两个探头与玻璃基板相接触，且接触面之间用耦合剂耦合，超声波发射探头和超声波接收探头与待检测3D打印件之间留有距离，超声波发射探头垂直发射纵波，纵波沿3D打印件表面传输，被超声波接收探头接收。将超声设备与电脑通过USB接口连接起来，并在matlab中与超声设备相连接，使探头在实时检测被打印件状态的波形被matlab收取然后存储在matlab中，采集到的超声波信号图如图2所示。

通过相关系数分析的方法，在matlab中通过使用corrcoef函数和for循环实现将每一组收集的信号与每一组第一个收集到的信号进行相关系数的对比，从而观察被打印件底层的状态是否分层。

如果图像趋势为逐渐下降，则底层没有脱层；如果图像趋势立即回到一开始的地方，则底层完全脱层，如图3所示，经过相关系数对比分析的图像显示，采集到的超声波信号脱层。这是因为打印台的移动或者打印头的动作等原因可能会导致底层与玻璃底板在某个时间瞬间脱层，那么其波形图在时域上的幅值会立刻变大，其透射能量也会立即变大，此刻，MATLAB采集到的数据类似于A₁，即未打印状态的数据，那么此时与A₁相比，ρ(A₁,A_i)会立即变大，其相关程度为高度相关，其图像上的相关系数值会立刻返回到初始值。

如果图像走势逐渐上升，即随着打印的进行，ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0但是并未立刻返回至初始值，则底层逐渐脱层，如图4和5所示，其中图5为比较理想状态下的相关系数对比分析图像，即忽略了打印台的移动或者打印头的动作等原因。逐渐脱层是因为如果底层与玻璃底板耦合状态不佳，那么在打印过程中会发生逐渐脱层的现象，其能量会逐渐变大，ρ(A₁,A_i)会逐渐变大，即其相关程度逐渐变高，以至于在全部脱层后，相关系值回到初始值。实际中，由于打印台的移动或者打印头的动作等必然会产生偶然影响，所以也会产生像图4一样的曲线。图4中所展示的是在60-80数据点左右出现了轻微的逐渐脱层现象，经调整后，80-100数据点有了好转，紧接着在100数据点之后又发生了逐渐脱层，最终完全脱层。

在本发明的一项具体实施中，相关系数计算公式为：

式中，ρ(A₁,A_i)表示第i层打印层与底层打印层之间的超声数据相关系数，A₁为底层打印层对应的超声数据序列，A_i为第i层打印层对应的超声数据序列；n表示3D打印预设程序中需要打印的层数；

和

分别为底层超声数据序列和第i层超声数据序列的偏差，cov(A₁,A_i)为底层超声数据序列和第i层超声数据序列的协方差。

在本发明的另一项具体实施中，提供了一种实时检测3D打印件脱层的装置，如图6所示，包括：

超声检测模块：包括超声波发射探头、超声波接收探头和示波器；所述的超声波发射探头用于发射超声波信号，超声波接收探头用于接收超声波信号，示波器用于展示超声数据；

定位模块：用于将超声检测模块固定在打印件基板上，并使得3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；

超声数据采集与存储模块：用于实时获取超声检测模块中超声波接收探头接收到的数据，并根据预设的3D打印程序将接收到的数据分组存储，当前组数据用于反映当前时刻底层的状态；

相关性分析模块：用于将当前组的待检测信号与打印件底层的参考信号进行相关性分析，根据每一层与底层之间相关性分析结果实时更新相关性系数图；

状态判断模块：用于判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示底层的参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层。

脱层报警模块：当状态判断模块输出预警信号时，根据预警信号的类型发出完全脱层报警或逐渐脱层报警，需人工解除报警。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的具体实施中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行，或单个模块还可以继续拆分。另一点，各个模块之间的连接可以是通过一些接口，可以是电性或其它的形式。

本发明提供的利用超声无损检测实现3D打印过程的脱层实时监测方法，根据获取到的信号进行相关性系数分析，去观察3D打印件是否脱层，能够有效的提高打印效率以及打印质量，避免不必要的损失。

虽然附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种用于实时检测3D打印件脱层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据待检测3D打印件的预设形状，将超声检测装置中的超声波发射探头和超声波接收探头固定在打印件基板上，与打印基板相接触，且接触面之间用耦合剂耦合；调整超声波发射探头和超声波接收探头的位置，使得3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上，且超声波发射探头和超声波接收探头与待检测3D打印件之间留有距离；所述的超声波发射探头垂直发射纵波，纵波沿3D打印件表面传输，被超声波接收探头接收；

S2：开启3D打印，待底层打印完毕后，首先确认底层与打印基板之间的打印状态；

若为粘结状态，则开启超声检测装置，超声波发射探头将发射超声波信号，由超声波接收探头接收后显示在示波器上，并记录超声波接收探头采集到的数据作为参考信号；

若为脱层状态，则调整打印参数后重新开始步骤S2；

S3：3D打印过程继续进行，3D打印喷头将待检测3D打印件按照预设形状和程序逐层打印，超声检测装置一直处于开启状态；

在当前打印层的打印过程中，记录当前打印层中超声波接收探头采集到的当前数据作为待检测信号，实时分析待检测信号与参考信号之间的相关性，获得当前打印层与底层之间相关系数，根据每一层与底层之间相关系数绘制相关性系数图；

S4：判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层；若发出完全脱层报警或逐渐脱层报警时，自动停止3D打印。

2.根据权利要求1所述的一种用于实时检测3D打印件脱层的方法，其特征在于，所述的阈值参数ε₁取值为0.05-0.1。

3.根据权利要求1所述的一种用于实时检测3D打印件脱层的方法，其特征在于，所述的相关系数计算公式为：

式中，ρ(A₁,A_i)表示第i层打印层与底层打印层之间的超声数据相关系数，A₁为底层打印层对应的超声数据序列，A_i为第i层打印层对应的超声数据序列；n表示3D打印预设程序中需要打印的层数；

和

分别为底层超声数据序列和第i层超声数据序列的偏差，cov(A₁,A_i)为底层超声数据序列和第i层超声数据序列的协方差。

4.根据权利要求1所述的一种用于实时检测3D打印件脱层的方法，其特征在于，所述的k取值为3-10。

5.一种基于权利要求1所述方法的实时检测3D打印件脱层的装置，其特征在于，包括：

超声检测模块：包括超声波发射探头、超声波接收探头和示波器；所述的超声波发射探头用于发射超声波信号，超声波接收探头用于接收超声波信号，示波器用于展示超声数据；

定位模块：用于将超声检测模块固定在打印件基板上，并使得3D打印件底层的预设中心位置、超声波发射探头和超声波接收探头三者处于一条直线上；

超声数据采集与存储模块：用于实时获取超声检测模块中超声波接收探头接收到的数据，并根据预设的3D打印程序将接收到的数据分组存储，当前组数据用于反映当前时刻底层的状态；

相关性分析模块：用于将当前组的待检测信号与打印件底层的参考信号进行相关性分析，根据每一层与底层之间相关性分析结果实时更新相关性系数图；

状态判断模块：用于判断当前打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i)与上一层打印层与底层之间的相关系数ρ(A₁,A_i-1)之间的大小，其中A₁表示底层的参考信号，A_i表示第i层打印层对应的检测信号；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)≤0，则判断为当前时刻底层未脱层；

若ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0，则至少连续监视k层；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|≤ε₁，ε₁为阈值参数，则判断为底层已完全脱层，发出完全脱层报警；若k层对应的相关系数均满足ρ(A₁,A_i)-ρ(A₁,A_i-1)>0且|ρ(A₁,A_i)-1|＞ε₁，则判断为底层正在逐渐脱层，并发出逐渐脱层报警；否则判断为未脱层；

脱层报警模块：当状态判断模块输出预警信号时，根据预警信号的类型发出完全脱层报警或逐渐脱层报警，需人工解除报警。

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