一种基于超声探测的3D打印编解码方法与流程

本发明涉及一种三维打印快速成型技术，尤其是涉及一种基于超声探测的3d打印编解码方法。

背景技术：

当代社会，假冒、高仿的伪劣产品依然屡见不鲜，不少的产品制造商及购买者都有这样的担心，在市场上买到是否是原厂生产的，质量可靠的产品。如果一些高性能的核心部件使用了高仿的假冒产品，那么很有可能引发重大事故。此外，在产品生产流通环节，对产品进行全程监控跟踪，是现代化制造中不可或缺的重要环节。要想实现对产品质量以及流通环节的有效监管则离不开对产品进行信息标定跟踪。传统零部件信息编码方法通常有条形码、二维码以及rfid码，这类信息编码技术中信息记录的载体通常为纸张、塑料薄膜、线圈以及电路板等，一般附着于产品的表面。这些载体的优点在于能够通过印刷或激光等方式以低廉的成本形成肉眼可见的条码，并且扫描方便快捷，但不足之处在于，物品流通过程中，条码容易出现污损、磨损、破损、变形和剥落，进而导致信息丢失，某些情况下，还可能出现恶意的人为损毁事故或者是假冒抄袭，这些都使得条形码信息失去安全保障。为解决上述问题人们提出了一种dpm(directpartmarking)信息编码方法，即：直接在零部件上刻上形码或可阅读的相应编号，目前主要还是应用于在零部件表面上进行信息编码，所以仍然存在信息条码的污损、被破坏以及被山寨等问题。

近年来，随着科学技术的发展，3d打印技术越来越受到人们的关注，3d打印技术又可称为增材制造技术或快速原型制造技术，属于先进制造技术的一种。3d打印技术由于其具有材料和结构能同时自由成型的特点，将成为多材料零件的主流成型技术。多材料零件的打印技术突破了单一材料3d打印的局限，实现了零件的多材质、多功能的一体化制造。应用多材料3d打印技术可以进行更复杂的功能性零件的打印。多材料零件由于其优异的性能具有广泛的应用领域，如医疗工程模型、智能化装备、生物组织器官、特殊功能零件等。

技术实现要素：

本发明是针对上述传统零部件信息编码易损坏以及容易被抄袭盗版等不足特点，提出的一种基于超声探测的3d打印编解码方法，包括如下步骤：

步骤1，在零件内部进行编码；

步骤2，采用3d打印机进行零件及内部编码的打印；

步骤3，运用超声波装置对零件进行扫描检测；

步骤4，对超声波装置的检测结果进行解析获取。

步骤1包括：

步骤1-1，设定零件由材料1制成，在3d打印机打印零件时，在零件内部用材料2制成表示该零件生产信息的内部编码；

步骤1-2，设定深度阈值，根据零件内部不同材料所处的不同深度值，如果材料所处的深度小于该深度阈值的用0表示，如果材料所处的深度大于该深度阈值的用1表示，最终得到由0、1组成的二进制编码，该二进制编码会生成一个二维码。

步骤2包括：对零件和其内部编码进行三维建模，用多材料3d打印机进行零件及其内部编码的打印。

步骤3中，采用超声c扫描检测技术对零件进行扫描检测，具体包括：

步骤3-1，采用如下公式计算声压：

pi(x,t)＝∑p0e^-j(wt-kx)，

式中，pi(x,t)为声场中的声压；x为一个界面到入射界面的距离；p0为基准声压；w为声源简谐振动的圆频率；k为波数；p为波传播的距离；c为声速；t为波传播的时间，∑表示pi由多次谐波组成，j是e^-j数学表达形式；

步骤3-2，在零件被测材料入射界面，x＝0，则：

pi(x,t)＝∑p0e^-jwt，

其界面的反射波prf的声压prf(x,t)为：

prf(x,t)＝∑prfe^-jwt；

步骤3-3，在零件材料底面x＝xt处反射波prb的声压prb(x,t)为：

prb(x,t)＝∑prbe^j(wt+kx)|x＝xt；

其中xt表示到零件上表面到零件材料底面的距离(零件材料底面也就是零件底面)；

步骤3-4，如果在零件内部任意一点xi处存在缺陷，那么该点的入射波为pi(xi,t)，由于缺陷阻抗与材料声阻抗的差异，会产生反射声波pr(xi,t)，由如下公式得出缺陷的反射声波prd的声压prd(x,t)为：

prd(x,t)＝∑prde^j(wt+kx)|x＝xi，

对垂直入射，而且入射声波波长大于缺陷间隙，则缺陷处入射声压与反射声压的声压反射系数r可近似用下式描述：

式中,zd为缺陷阻抗,zc为材料阻抗；

由上述公式可知，缺陷反射声波prd(x,t)比prf(x,t)滞后于而比prb(x,t)超前对应时域，将在0到tt间产生回波fi，tt表示在时域中，声波到达零件材料底面的时间；若以t＝ti或x＝xi为切面，并且超声波探头对零件作全面扫查，则零件材料内部沿声波传播方向任意一点的入射声波的声压pi(x,y,z,t)表示为：

其中，(x,y,z)表示零件中的任意一点的坐标；

步骤3-5，当在x＝xi的切面存在缺陷时，入射波将在缺陷界面产生缺陷反射波的声压为：

pxd(x,y,z,t)表示在x轴向上任意点(x,y,z)的声压；pxd表示x轴向上的基准声压；

因此，只要检测到传感器在x轴向扫描时所有层的反射声波信号，就能够获取对应x＝xi层的扫描检测波型结果，pr(x,y,z,t)表示x轴向上的反射波。

步骤3还包括：

步骤3-6：将超声检测装置接收探头接收的检测波型结果转变成电脉冲输入接收电路，经过放大、检波，然后进行a/d转换成数字量。

步骤4包括：根据获得的数字量，通过检测波型结果来得到零件的二进制编码产生的二维码，从二维码中读取零件的生产信息。

本发明采用3d打印方法在零件制作过程中直接在零件的内部进行编码。零件加工完成后，依靠传统的信息检测方法无法得到零件的内部编码信息。本发明利用超声波对零件内部信息进行检测。利用进入被检测零件的超声波在零件内部对不同质材料产生不同的反射波的特性，采用检测仪器对不同的反射波形进行检测，就可获知零件内部的编码分布情况，从而对零件所包含的信息进行解析获取。

有益效果：

本发明采用多材料3d打印技术，能够准确、快捷、高效的一步到位完成部件制作，无需后续附加条码。

本发明条码打印于物体内部，与物体成为一体。不易损坏、磨损、变形等，可以在物体使用期内一直存在。

本发明能够有效杜绝大部分部件的山寨假冒问题以及高端精密零件的溯源问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明本发明打印编解码示意图。

图2为本发明的检测波型。

图3为本发明的模型检测图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明一种基于超声探测的3d打印编解码技术示意图，在模型中由材料1制成零件、由材料2制成内部编码。将零件内部的不同材料所处的不同深度值进行标定，如图：深度值小的(h1)用0来表示，其中深度值大的(h2)用1表示，就可以依据不同深度值信息，得到0、1二进制编码，如图编码可表示为01011010。

因为是打印在零件内部的精细条码，所以传统工艺无法完成这点，而3d打印技术的加工面可以深入到零件内部，对于零件内部各个点、线、面上堆积的材料具有很好的可控性，可以快速进行多材料零件的制造。因此这里运用异质材料的3d打印方法，可用connex系列的打印机进行多材料打印，将零件及内部条码一步到位的完成制作。

对内部打印了条码的多材料零件进行检测时，采用超声波检测。超声检测技术尤其是超声c扫描检测技术是目前用于复合材料无损检测的最有效、最广泛的检测技术之一。超声c扫描检测系统主要由计算机、超声发射接收器、控制系统、导轨、喷水装置(或水槽)和超声探头等部件组成。超声c扫描技术是利用计算机控制技术来实时监控超声波探头的移动位置，超声波探伤仪(或数据采集卡)经发射探头发出信号，当超声波信号经过检测工件后被自身(或别的)接受探头接收，超声波探伤仪(数据采集卡)将接受到的信号进行处理，由计算机处理检测结果的显示、记录、存储问题，在计算机显示屏上显示出零部件的条码信息。

如图2所示，显示了超声波检测反馈的不同区域的不同组分的波型。其中有入射界面反射波prf、底面反射波prb、缺陷界面反射波prd。当超声波进入媒质ⅱ时，由于两媒质声阻抗不同，在其界面入射波一部分按原途径反射形成反射波，方向与入射波相反，声速不变。入射波另一部分透过界面进入媒质ⅱ形成透射波，方向与入射波相同，波型不变，但声速随着媒质ⅱ性质的不同发生变化。

根据声波传播理论，当介质发生突变或者出现不连续时，声波传播规律就会发生改变。这种改变与传播介质及突变的前后介质的特性，比如声速、密度、声波的幅度、相位、传播时间和衰减特性等密切相关则有：

pi(x,t)＝∑p0e^-j(wt-kx)，

式中，x为某界面到入射界面的距离；p0为基准声压；pi(x,t)为声场中的声压；w为声源简谐振动的圆频率；k为波数；p为波传播的距离；c为声速；t为波传播的时间，∑表示pi由多次谐波组成；

在零件被测材料入射界面，x＝0，则：

pi(x,t)＝∑p0e^-jwt，

其界面的反射波prf的声压prf(x,t)为：

prf(x,t)＝∑prfe^-jwt，

同理，在材料底面x＝xt处反射波prb的声压prb(x,t)为：

prb(x,t)＝∑prbe^j(wt+kx)|x＝xt，

如果在零件内部任意一点xi处存在缺陷，那么该点的入射波为pi(xi,t)，由于缺陷阻抗与材料声阻抗的差异，会产生反射声波pr(xi,t)，由如下公式可以得出缺陷的反射声波prd的声压prd(x,t)为：

prd(x,t)＝∑prde^j(wt+kx)|x＝xi，

对垂直入射，而且入射声波波长大于缺陷间隙，则缺陷处入射声压与反射声压的的声压反射系数r关系可近似用下式描述：

式中,zd为缺陷阻抗,zc为材料阻抗；

由上述公式可知，缺陷反射声波prd(x,t)比prf(x,t)滞后于而比prb(x,t)超前对应时域，将在0到tt间产生回波fi，若以t＝ti或x＝xi为切面，并且超声波探头对零件作全面扫查，则材料内部沿声波传播方向任意一点的入射声波的声压可表示为：

当在x＝xi的切面存在缺陷时，入射波将在缺陷界面产生缺陷反射波为：

pxd(x,y,z,t)表示在x轴向上任意点的声压；pxd表示x轴向上的基准声压。

因此，只要检测到传感器在x轴向扫描时所有层的声波反射信号，就可获取对应x＝xi层的扫描检测结果。

图3所示即为用超声检测含有内部编码的零件。其中emittedsignal为发出信号，receivedsignal为接受到的信号，thzimagingdevice为成像设备，layeredobject为分层物体。

本发明提供了一种基于超声探测的3d打印编解码方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。