基于高时空分辨率热像的熔丝成型微观缺陷在线预测方法

本发明涉及增材制造，尤其涉及一种基于高时空分辨率热像的熔丝成型微观缺陷在线预测方法。

背景技术：

1、熔丝成型(fused filament fabrication，fff)是典型的增材制造技术之一，相较其他增材制造技术，fff具有工作原理简单、材料适用范围广、原料利用率低、成型成本低等特点，在汽摩、生物医用和航空航天等领域得到了广泛应用。然而，fff成型件的质量缺陷问题，阻碍了该技术的进一步发展与应用。现有生产中，通常在产品制造结束后才进行质量检测，产生了额外的时间成本消耗。此外，力学性能的相关检测多为破坏性测试，而工业生产中的批量化成型，决定其只能采取抽检的方式来代表同批次产品的质量，但抽检无法真实说明每个fff产品的实际质量。尤其现有的力学检测手段通常只能测得试样的最弱点，难以反映试样整体是否还存在其他次弱点，而这些次弱点的存在，将可能极大缩短fff产品的使用寿命。

2、上述背景下，熔丝成型质量缺陷的在线预测技术逐渐发展。fff成型件的质量评估包括形貌精度与力学性能两方面，其内部微米量级微观结构影响下的力学性能优劣，是影响成型件使用的关键。如大尺寸精细结构件的fff增材制造中，烧结颈长度不足等内部微观缺陷引起的力学性能不足，将引起成型件的快速失效，造成时间成本与材料成本的大量消耗。

3、但是，现有技术多局限在观测fff成型件表面形貌的粗大缺陷，如使用工业相机等视觉检测技术结合图像处理，识别fff成型件的表面塌陷、变形等宏观缺陷；或借助低时空分辨率的成型件外表面热像信息，预测侧壁孔洞、顶部凹陷等粗大缺陷；其检测精度仅在毫米到厘米量级之间，无法满足fff成型件内部微米量级微观结构的在线预测需求，难以实现fff成型件力学性能的在线监控，这已成为制约fff成型件全质量无损在线评估的关键技术瓶颈之一。

4、因此，亟需一种能够进行熔丝成型微观缺陷实时监测，提高熔丝成型预测精度的在线预测方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于高时空分辨率热像的熔丝成型微观缺陷在线预测方法。

2、一种基于高时空分辨率热像的熔丝成型微观缺陷在线预测方法，包括以下步骤：基于微观缺陷关键参数线性变化时的高时空分辨率丝间热像，通过多空间尺度检索与时间尺度归一的数字图像处理方法，建立丝间温度特征与微观缺陷线性关联的模板数据库；获取合格件熔丝成型全过程的高时空分辨率丝间热像，提取合格件丝间温度特征的约束阈值；获取待测件成型全过程的丝间温度特征变化，对比所述约束阈值和模板数据库中的丝间温度特征，预测得到所述待测件的微观缺陷位置和缺陷大小。

3、在其中一个实施例中，所述基于微观缺陷关键参数线性变化时的高时空分辨率丝间热像，通过多空间尺度检索与时间尺度归一的数字图像处理方法，建立丝间温度特征与微观缺陷线性关联的模板数据库，包括：调整熔丝成型工艺参数，使反映制件微观缺陷的关键参数呈线性变化，并采集调整后制件批量成型全过程的高时空分辨率丝间热像，所述工艺参数包括喷嘴温度、层高、丝间距、出丝速度、填充率和打印速度；所述关键参数包括烧结颈长度、烧结颈半径、烧结颈曲率半径、孔隙截面积、结晶位置、晶粒尺寸、晶粒形状和晶粒聚集方式，采集区域包括新沉积高温丝材、旁侧已沉积丝材以及两者结合区域；将所述高时空分辨率丝间热像转换为灰度图，并从所述灰度图中提取新沉积丝材表面的最高温度点，记录为第一位置；通过多空间尺度检索的数字图像处理方法，在新沉积丝材与已沉积丝材区域，以所述第一位置为起点，检索设定感兴趣区域；在所述感兴趣区域内，提取已沉积丝材表面与所述第一位置的丝间温度特征最显著，且所述丝间温度特征与所述关键参数呈线性变化的真实低温点，记录为第二位置；通过时间尺度归一的数字图像处理方法，去除所述第一位置和第二位置的丝间温度特征随时间变化的噪声，得到对应丝间温度特征的数据集，所述丝间温度特征包括新沉积高温丝材、旁侧已沉积丝材以及两者结合区域的绝对温度、温度梯度、温度积分、温度差分、热流率、热流密度和热生成率；根据所述数据集和所述关键参数的线性关联关系，建立模板数据库。

4、在其中一个实施例中，所述制件微观缺陷的关键参数的线性变化，与丝材搭接成型过程中的宏观现象对应，并覆盖工艺窗口下微观缺陷关键参数的极大值与极小值。

5、在其中一个实施例中，所述通过多空间尺度检索的数字图像处理方法，在新沉积丝材与已沉积丝材区域，以所述第一位置为起点，检索设定感兴趣区域，包括：在新沉积丝材与已沉积丝材区域，基于多空间尺度检索的数字图像处理方法，以所述第一位置为起点，沿丝材搭接方向检索确定感兴趣区域长度，沿丝材沉积方向检索确定感兴趣区域宽度，并根据所述感兴趣区域长度和感兴趣区域宽度，检索确定感兴趣区域和喷嘴的相对位置。

6、在其中一个实施例中，所述获取合格件熔丝成型全过程的高时空分辨率丝间热像，提取合格件丝间温度特征的约束阈值，包括：采集合格件成型全过程的高时空分辨率丝间热像，基于所述多空间尺度检索与时间尺度归一的数字图像处理方法，获取合格件丝间温度特征随时间变化的合格数据集；采用3sigma原则，对所述合格数据集进行处理，得到目标数据集；根据所述目标数据集计算得到平均值及标准差，根据所述平均值及标准差设定合格件丝间温度特征的约束阈值。

7、在其中一个实施例中，所述获取待测件成型全过程的丝间温度特征变化，对比所述约束阈值和模板数据库中的丝间温度特征，预测得到所述待测件的微观缺陷位置和缺陷大小，包括：实时采集待测件成型全过程的高时空分辨率丝间热像，获取丝间温度特征随时间变化的曲线；检测所述曲线中是否存在超过所述约束阈值的丝间温度特征，若存在，则判定对应位置的微观结构存在缺陷，并基于所述丝间温度特征查询所述模板数据库，判断对应的缺陷大小；若不存在超过所述约束阈值的丝间温度特征，则继续成型；检测所述缺陷大小是否超过预设的缺陷阈值，若超过所述缺陷阈值，则记录缺陷大小和缺陷位置，终止成型；若所述缺陷大小未超过所述缺陷阈值，则继续成型，直至待测件成型。

8、在其中一个实施例中，所述高时空分辨率热像的时间分辨率不低于100hz，空间分辨率不低于25μm。

9、在其中一个实施例中，所述丝材包括聚合物和聚合物复合材料、金属和金属复合材料、聚合物与金属复合材料及聚合物与无机非金属复合材料。

10、在其中一个实施例中，所述高时空分辨率丝间热像采用高时空分辨率热像仪和单轴或多轴的移动平台进行图像采集，所述高时空分辨率热像仪固定于单轴或多轴的移动平台上，进行观测区域的对准和对焦。

11、相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：通过获取微观缺陷关键参数线性变化时的高时空分辨率丝间热像，并采用多空间尺度检索与时间尺度归一的数字图像处理方法，建立丝间温度特征与微观缺陷线性关联的模板数据库，通过高时空分辨率热像，结合多空间尺度检索与时间尺度归一的数字图像处理方法，无需激光、超声等其他辅助，即可在冷却过快的强背景干扰下提取反映内部微观缺陷的温度信息，解决了常规观测手段下内部缺陷对温度分布影响小、缺陷检测灵敏度低的问题；获取合格件熔丝成型全过程的高时空分辨率丝间热像，提取合格件丝间温度特征的约束阈值，检测得到待测件成型全过程的丝间温度特征变化，对比约束阈值和模板数据库中的丝间温度特征，预测得到待测件的微观缺陷位置和缺陷大小，从而实现对待测件熔丝成型微米级微观缺陷的实时在线监测，提高了内部微观缺陷检测的精度，且能够在不损害产品的情况下，采用非接触式的高效处理模式，对成型过程中的待测件进行全覆盖监测，缩短产品加工周期的同时节省成本。