CN116394519A - 一种3d打印过程的监测方法及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印过程的监测方法及监测系统，属于3D打印技术领域，解决了现有技术中难以监测3D打印过程的各打印位置的打印状态的技术问题。本发明的监测方法包括如下步骤：将平行板电容器的第一极板设置在打印喷头侧，将所述平行板电容器的第二极板设置在打印基板侧，其中，第一极板的面积小于所述第二极板的面积；打印喷头逐层打印被打印物时，使所述第一极板跟随所述打印喷头同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置的打印状态。实现了对打印过程中各打印位置的打印状态监测，方法简单，可控制性好。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印过程的监测方法及监测装置。
背景技术
增材制造(3D打印)技术是近20年来迅速发展起来的一种新型制造技术。与传统“减材”制造过程正好相反，增材制造以三维数字模型为基础，将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造三维实体。这种依据模型构建实体的方法在打印过程中由于温度的变化或应力的变化等，会导致被打印物会出现不同程度的缺陷，因此对被打印物进行原位监测是减少废品率和后期优化处理工序的有效方法。
目前，主要采用高速相机、工业相机、振动传感器、光学传感器以及温度传感器等传感器进行原位监测。这些传感器主要通过检测表面形状、层厚测量或者热红外成像等方式监测打印过程，其可以识别打印过程中特定层的缺陷。但是，这些监测方式的设置条件复杂，并且只能进行局部的分析无法对完整的打印过程进行检测，同时对微观缺陷的敏感性不足。因此，现有的监控方式难以实现对3D打印过程的各打印位置的打印状态的监测。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种3D打印过程的监测方法及监测装置，用以解决现有技术难以监测3D打印过程的各打印位置的打印状态的技术问题。
一方面，本发明实施例提供了一种3D打印过程的监测方法，所述监测方法包括如下步骤：
将平行板电容器的第一极板设置在打印喷头侧，将所述平行板电容器的第二极板设置在打印基板侧，其中，所述第一极板的面积小于所述第二极板的面积；
打印喷头逐层打印被打印物时，使所述第一极板跟随所述打印喷头同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；
根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态。
基于上述方法的进一步改进，所述第一极板的面积为1mm2至100mm2。
基于上述方法的进一步改进，所述第一极板的外周设置有等位环。
基于上述方法的进一步改进，所述第一极板固定在所述打印喷头上，并且所述第一极板与所述打印喷头的挤出口相邻。
基于上述方法的进一步改进，所述第一极板设置为环形极板，所述环形极板设置在所述打印喷头的挤出口的外周。
基于上述方法的进一步改进，第一极板包括至少两个矩形极板，至少两个所述矩形极板对称地设置在所述打印喷头的挤出口的两侧。
基于上述方法的进一步改进，根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态，包括：
若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现漏料；
若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现堆料；
若当前打印位置的电容值等于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置处于正常打印状态。
基于上述方法的进一步改进，所述参考电容值可通过检测标准件获得。
基于上述方法的进一步改进，根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态，包括：
将当前打印层的电容数据的平均值作为参考电容值；
若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现漏料；
若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现堆料；
若当前打印位置的电容值与当前打印层的参考电容值之间的差值的绝对值小于阈值，则当前打印位置处于正常打印状态。
另一方面，本发明实施例提供了一种3D打印过程的监测系统，所述监测系统包括：平行板电容器和处理装置，
所述平行板电容器包括第一极板和第二极板，所述第一极板设置在打印喷头侧，所述第二极板设置在打印基板侧，
其中，打印喷头逐层打印被打印物时，所述第一极板跟随所述打印喷头同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；
所述处理装置根据所述电容数据判断打印过程中被打印物的打印状态。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明中，利用面积不同的两个极板构成平行板电容器，其中第一极板跟随打印喷头同步移动，实时获取各打印位置的电容值，从而实现了对打印过程中各打印位置的打印状态监测，并能够获取打印过程中的微小缺陷以及被打印物上出现微小缺陷的位置。
2、本发明的监测方法中，平行板电容器的第一极板跟随打印喷头同步移动，使其检测路线与打印路径一致，极大地简化了打印过程中的路径分析，可完全省略检测路线规划设计，同时本发明的监测系统中也无需设置第一极板的运动控制装置，结构简单，并可避免冗杂、沉重的接线线路，从而使无线控制下的数据采集更加灵活且方便。
3、本发明中，根据采集到的电容数据直接判断当前打印位置的打印状态，能够避免繁琐的数据图像重构等过程。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的监测方法的流程图；
图2为本发明实施例的监测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的平行板电容器监测打印过程的状态示意图；
图4为本发明实施例的等位环与第一极板的位置示意图；
图5为本发明实施例的某一打印层的电容分布的三维坐标图；
图6为本发明实施例的某一打印层的电容分布的二维坐标图。
附图标记：
1-第一极板；2-第二极板；3-等位环；4、被打印物；
5-打印喷头；6-打印基板。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种3D打印过程的监测方法，如图1所示。所述监测方法包括如下步骤：
步骤1：将平行板电容器的第一极板1设置在打印喷头5侧，将所述平行板电容器的第二极板2设置在打印基板6侧，其中，第一极板1的面积小于所述第二极板2的面积；
步骤2：打印喷头5逐层打印被打印物4时，使所述第一极板1跟随所述打印喷头5同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；
步骤3：根据所述电容数据判断打印过程中所述被打印物4的打印状态。
与现有技术相比，本发明实施例中，利用面积不同的两个极板构成平行板电容器，其中第一极板1跟随打印喷头5同步移动，实时获取各打印位置的电容值，从而实现了对打印过程中各打印位置的打印状态监测，并能够获取打印过程中的微小缺陷以及被打印物4上出现微小缺陷的位置。
本发明实施例中，如图3中所示，平行板电容器的第一极板1跟随打印喷头5同步移动，使其检测路线与打印路径一致，极大地简化了打印过程中的路径分析，可完全省略检测路线规划设计。本发明的监测系统中也无需设置第一极板1的运动控制装置，结构简单，并可避免冗杂、沉重的接线线路，从而使无线控制下的数据采集更加灵活且方便。
同时，本发明实施例中，根据采集到的电容数据直接判断当前打印位置的打印状态，能够避免繁琐的数据图像重构等过程。
其中，采用电容层析成像技术进行成像过程包括测量电极对间的电容值发生变化，在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图。而由于平行板电容器的设计与敏感场仿真方面的问题，通过电容层析成像技术重建出的图像会有比较明显的失真，导致电容层析成像技术只能应用于定性分析方面。本发明实施例考虑到上述存在的问题，仅以电容值的变化来判断被打印物4的打印状态，巧妙地回避了上述敏感场仿真方面存在的问题。
需要说明地是，平行板电容器由彼此靠近且相互平行的两个极板组成，两个极板之间被电介质材料隔开。平行板电容器检测的电容值为两个极板间的空间介质的电容。
具体地，平行板电容器的工作原理如下：
平行板电容器的两个极板上带有Q的电荷量，两个极板的相对面积为S，于是根据式(1)获得两个极板的电荷密度σ为：
σ＝Q/S (1)
忽略极板间的边缘效应，极板间的电场看成均匀电场，由高斯定理可得两个极板间的场强E。根据式(2)中所示的电容定理，得到式(3)中所示的平行板电容器检测到的电容值C：
U＝∫S*Edl＝Ed＝Qd/ε. (2)
C＝S/4πkd (3)
式中，ε为真空电容率，d为两个极板的间距。
本发明实施例中的平行板电容器由面积不等的第一极板1和第二极板2组成，其中，第一极板1的面积小于第二极板2的面积，因此，第一极板1与第二极板2的相对面积即第一极板1的面积。这样，第一极板1跟随打印喷头5移动至不同位置时，可对不同位置的电容值进行检测。
此外，上述的打印喷头5和打印基板6分别是3D打印机的打印喷头5和打印基板6。并且，上述3D打印机为任意类型的3D打印机，例如热塑挤出型打印机。
实施时，第一极板1和第二极板2的面积可根据3D打印机的打印参数进行设置，以更好地监测打印过程。其中，第一极板1的面积根据检测精度需求设置。第一极板1的尺寸越小，检测精度越高，但是检测高度会降低。第二极板2根据打印基板6的尺寸设置，一般地，第二极板2的面积应大于或等于打印区域的面积。
具体地，所述第一极板1的面积为1mm2至100mm2。例如，若第一极板1为矩形极板，则第一极板1的尺寸可设置为1mm×1mm，5mm×5mm，或者10mm×10mm。
在一个实施例中，所述第一极板1的外周设置有等位环3，如图4中所示。
由于极板面积不等的平行板电容器在检测时会产生边缘场，边缘场会影响检测精度，通过在第一极板1的外周设置等位环3能够有效避免边缘场的影响，减少外界干扰。
具体地，等位环3由铜材料等屏蔽材料制成。等位环3的宽度可设置为1mm。需要说明地是，第一极板1和等位环3设置在同一基板(未在图4中示出)上，等位环3与第一极板1之间具有一定的间隔。
同样地，第二极板2也设置在一基板(在图4中未示出)上。
进一步地，上述的基板为(电路绘制板)PCB板，以减少连接线，便于与其他仪器(例如采集设备)连接。
在一个实施例中，所述第一极板1固定在所述打印喷头5上，并且所述第一极板1与所述打印喷头5的挤出口相邻。
优选地，所述第一极板1可以设置为环形极板，所述环形极板设置在所述打印喷头5的挤出口的外周。
或者，第一极板1包括至少两个矩形极板，至少两个所述矩形极板对称地设置在所述打印喷头5的挤出口的两侧。
在本实施例中，通过将第一极板1设置为环形极板或者至少两个矩形极板，以保证平行板电容器能够对被打印物4边缘的打印状态实现监测。
需要说明地是，在监测过程中，第二极板2的位置固定，即第二极板2固定设置打印基板6上。
实施例一
本实施例中，步骤3：根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态，包括：
步骤31：若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现漏料。
步骤32：若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现堆料。
步骤33：若当前打印位置的电容值等于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置处于正常打印状态。
本实施例中，当前打印层的参考电容值可通过检测标准件获得。
由于被打印物4的打印状态不同会导致检测到电容值发生变化，从而根据电容值的变化可表征不同打印状态。本发明实施例的监测方法中，可识别被打印物4的三种打印状态，即正常打印状态、出现漏料以及出现堆料。
具体而言，正常打印状态时，该打印层的电容值保持平稳。出现漏料时的电容值，相对正常打印状态的电容值减小。出现堆料时，相对正常打印状态的电容值增加。
同时，本发明实施例的监测方法还能获取被打印物4上出现漏料和堆料等缺陷的具体位置，并且在当前打印层打印完成后，也可以获取该打印层上出现的漏料和堆料等缺陷的大小。
图5为某一打印层的电容分布的三维坐标图，其中，Z轴代表电容值，X轴和Y轴代表该打印层平面的相互垂直的两个方向。
图6为某一打印层的电容分布的二维坐标图，X轴和Y轴代表该打印层平面的相互垂直的两个方向，并通过灰度表示各位置的电容值的大小。
由图5和图6中所示的空洞，可以看出该打印层中出现漏料，并根据该空洞在X-Y坐标平面上的位置可以获知漏料的具体位置和大小。
具体地，本发明实施例中，能够实现其中漏料造成的漏料检测精度可达0.2mm，堆料状态的检测精度可达0.2mm。
实施例二
本实施例描述与实施例一的不同之处，相同之处不再赘述。
本实施例中，步骤3：根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态，包括：
步骤301：将当前打印层的电容数据的平均值作为参考电容值。
步骤302：若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现漏料。
步骤303：若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现堆料。
步骤304：若当前打印位置的电容值与当前打印层的参考电容值之间的差值的绝对值小于阈值，则当前打印位置处于正常打印状态。
本实施例中，在完成一层打印后，在判断该打印层的打印过程中的各打印位置处的打印状态。与实施例一相比，本实施例中无需预先对标准件进行测量获取参考电容值，而是通过实际打印情况确定参考电容值。
上述阈值按照用户需求设置，例如可以设定为0.1mm。即，当前打印层的电容数据的波动范围在阈值内，则认为当前打印层的打印过程中各打印位置均处于正常打印状态。
如图2中所示，本发明实施例还提供一种3D打印过程的监测系统。所述监测系统包括：平行板电容器和处理装置。所述平行板电容器包括第一极板1和第二极板2，所述第一极板1设置在打印喷头5侧，所述第二极板2设置在打印基板6侧，其中，打印喷头5逐层打印被打印物4时，所述第一极板1跟随所述打印喷头5同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；所述处理装置根据所述电容数据判断打印过程中被打印物4的打印状态。
与现有技术相比，本发明实施例中，利用面积不同的两个极板构成平行板电容器，其中第一极板1跟随打印喷头5同步移动，以实时获取各打印位置的电容值，从而实现对打印过程中各打印位置的打印状态监测。
本发明实施例中，平行板电容器的第一极板1跟随打印喷头5同步移动，使其检测路线与打印路径一致，因此本发明的监测系统中也无需设置第一极板1的运动控制装置，结构简单，并可避免冗杂、沉重的接线线路，从而使无线控制下的数据采集更加灵活且方便。
本发明实施例的监测方法和监测系统尤其适用于监测薄层结构的被打印物4的打印过程，具体而言可实现高达120多层薄层的监测。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印过程的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：
将平行板电容器的第一极板设置在打印喷头侧，将所述平行板电容器的第二极板设置在打印基板侧，其中，所述第一极板的面积小于所述第二极板的面积；
打印喷头逐层打印被打印物时，使所述第一极板跟随所述打印喷头同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；
根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述第一极板的面积为1mm2至100mm2。
3.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，所述第一极板的外周设置有等位环。
4.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，所述第一极板固定在所述打印喷头上，并且所述第一极板与所述打印喷头的挤出口相邻。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述第一极板设置为环形极板，所述环形极板设置在所述打印喷头的挤出口的外周。
6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，第一极板包括至少两个矩形极板，至少两个所述矩形极板对称地设置在所述打印喷头的挤出口的两侧。
7.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置处的打印状态，包括：
若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现漏料；
若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置出现堆料；
若当前打印位置的电容值等于当前打印层的参考电容值，则当前打印位置处于正常打印状态。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述参考电容值可通过检测标准件获得。
9.根据权利要求1或2所述的监测方法，根据所述电容数据判断打印过程中所述被打印物的打印状态，包括：
将当前打印层的电容数据的平均值作为参考电容值；
若当前打印位置的电容值小于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现漏料；
若当前打印位置的电容值大于当前打印层的参考电容值，且两者之间的差值的绝对值大于阈值，则当前打印位置出现堆料；
若当前打印位置的电容值与当前打印层的参考电容值之间的差值的绝对值小于阈值，则当前打印位置处于正常打印状态。
10.一种3D打印过程的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：平行板电容器和处理装置，
所述平行板电容器包括第一极板和第二极板，所述第一极板设置在打印喷头侧，所述第二极板设置在打印基板侧，
其中，打印喷头逐层打印被打印物时，所述第一极板跟随所述打印喷头同步移动，以实时获取各打印位置的电容数据；
所述处理装置根据所述电容数据判断打印过程中各打印位置的打印状态。
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| CN202310336745.4A Pending CN116394519A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种3d打印过程的监测方法及监测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116394519A (zh) |
-
2023
- 2023-03-31 CN CN202310336745.4A patent/CN116394519A/zh active Pending
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