一种3D打印过程质量预警与干预方法及系统

本发明涉及增材制造，更具体地涉及一种3d打印过程质量预警与干预方法及系统。

背景技术：

1、3d打印技术凭借其柔性化、近净成形的特点，在航空航天复杂构件、医疗器械个性化植入体、汽车轻量化零部件等高端制造领域获得了日益广泛的应用，然而，3d打印过程涉及材料逐层堆积过程中的复杂热-力耦合效应和物相演变，打印过程中材料特性波动、环境温度变化、设备机械振动及工艺参数漂移等因素均可能导致裂纹、气孔、翘曲变形、层间结合不良等质量缺陷；

2、打印过程中的缺陷若未能在打印过程中被及时发现和纠正，将导致整个打印件报废，造成高昂的时间成本和材料成本损失，因此，实现打印过程的在线质量监控与智能干预，已成为增材制造技术向工业化规模应用发展的关键瓶颈之一，但是现如今的3d打印过程质量控制仍存在以下问题；

3、在打印任务完成后，采用x射线断层扫描、金相组织分析等手段对成型件进行内部缺陷检测和质量评级，法在缺陷形成过程中及时采取补救措施，一旦检测出不合格品，之前投入的全部打印时间和材料即付诸东流；利用高速工业相机拍摄熔池或打印层表面图像，或利用红外热像仪采集温度场数据，通过对单一传感信号进行图像处理或阈值比较来识别已发生的缺陷，单一传感信息来源有限，难以全面表征打印质量状态，容易导致漏判和误判；设定若干工艺参数或质量指标的上限/下限阈值，当监测值超出阈值范围时触发报警，由操作人员根据经验判断是否停机或调整参数，报警机制为简单的二值化触发，缺乏精细化的分级预警体系，干预决策严重依赖操作人员的个人经验，响应速度和准确性难以保证，干预后缺乏对效果的跟踪评估，不能随使用次数的增加而持续改进。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施条例提供一种3d打印过程质量预警与干预方法及系统，以解决背景技术中所提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3d打印过程质量预警与干预方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、实时采集打印过程的多源数据，并对采集的多源数据进行时间戳对齐以及归一化预处理；

4、步骤s2、在预处理后的多源数据中提取多维质量特征；

5、步骤s3、计算当前打印层的综合质量指数zl；

6、步骤s4、根据当前层及历史连续n层的综合质量指数序列，预测未来m层的质量指数变化趋势，计算平均变化率bh；

7、步骤s5、根据综合质量指数zl以及平均变化率bh，按分段判定规则确定预警等级l；

8、步骤s6、根据预警等级l，从预设的干预策略库中匹配对应的干预策略并执行；

9、步骤s7、执行干预后监测后续打印层的综合质量指数zl，若干预后综合质量指数zl恢复至正常范围，则记录成功案例并优化动态权重系数或判定阈值，若干预后综合质量指数zl未能在预设层数内恢复，则升级预警等级并重新执行步骤s6。

10、在一个优选的实施方式中，所述步骤s1中，多源数据包括通过视觉传感器采集的打印层表面图像图书、热成像传感器采集的温度场分布数据、声学传感器采集的打印过程声学信号数据以及位置传感器采集的打印头或激光扫描运动轨迹数据。

11、在一个优选的实施方式中，步骤s1中，时间戳对齐和归一化预处理包括：以位置传感器的采样时刻为基准时间轴，将视觉传感器、热成像传感器和声学传感器采集的数据通过线性插值方式重采样至基准时间轴上的同一时刻点，使各传感器数据在时间维度上同步，然后对各类型数据分别进行标准化处理，其中图像数据统一缩放至固定像素尺寸，温度数据统一转换为摄氏度单位，声学信号统一幅值归一化至[-1，1]区间，位置数据统一转换至打印设备的同一空间坐标系下。

12、在一个优选的实施方式中，所述步骤s2中，多维质量特征包括表面质量特征s、热均匀性特征t、声学稳定性特征a以及路径精度特征p，且表面质量特征s基于图像缺陷检测得到，所述热均匀性特征t基于温度场标准差和最大温度梯度得到，所述声学稳定性特征a基于声信号频谱畸变率得到，所述路径精度特征p基于实际运动轨迹与预设路径的位置偏差和速度波动得到。

13、在一个优选的实施方式中，所述步骤s3中，根据多维质量特征计算综合质量指数zl，其计算公式为，式中sf为表面质量特征在基于视觉传感器采集图像数据所提取打印层的表面质量评分，tf为热均匀性特征在热成像传感器采集温度场数据所提取打印区域的热分布均匀性评分，af为声学稳定性特征在基于声学传感器采集打印过程声音信号所提取打印过程的稳定性评分，pf为路径精度特征在基于位置传感器采集运动轨迹数据所提取打印头或激光扫描路径的精度评分，k1、k2、k3以及k4均为权重系数，且k1+k2+k3+k4=1。

14、在一个优选的实施方式中，所述步骤s4中，历史连续n层≥3层，所预测的预测未来m层≥1层，采用线性回归模型预测未来m层的综合质量指数zl，平均变化率bh的计算公式为，式中i表示当前第i层，为预测的第i层综合质量指数zl，为当前层综合质量指数zl。

15、在一个优选的实施方式中，所述步骤s5中，分段判定规则为

16、；

17、式中l为判定后的预警等级。

18、在一个优选的实施方式中，所述步骤s6中，预警等级l为正常级时，不执行干预，保持原有监测频率，预警等级l为关注级时，提高数据采集频率并发出提示信息，预警等级l警告级时，发出警报信息，自动调整打印参数，打印参数选自打印速度、打印温度、激光功率、扫描路径中的一种或多种，预警等级l危险级时，暂停打印、回退至上一打印层重新打印，若再次打印仍为危险级时，终止当前打印任务。

19、在一个优选的实施方式中，所述步骤s7中，恢复至正常范围是指连续3层综合质量指数zl≥70且无下降趋势，未能在预设层数内恢复是指连续3层综合质量指数zl＜60或持续下降；当判定干预效果不佳时，自动将预警等级l提升一级。

20、一种3d打印过程质量预警与干预系统，包括：

21、采集单元，通过部署于3d打印设备上的传感器实时采集打印过程的多源数据；

22、预处理单元，对采集的多源数据进行时间戳对齐以及归一化预处理；

23、特征提取单元，提取多源数据的多维质量特征；

24、质量评估单元，根据多维质量特征计算出综合质量指数zl；

25、预测单元，内置时间序列预测模型，预测未来m层的质量指数变化趋势，计算平均变化率bh；

26、等级判定单元，根据综合质量指数zl以及平均变化率bh，按分段判定规则确定预警等级l；

27、干预策略库，存储有与各预警等级对应的干预策略的数据库，干预策略包括与正常级对应的不干预策略、与关注级对应的提高采集频率和/或发出提示信息的策略、与警告级对应的发出警报信息并自动调整打印参数的策略，以及与危险级对应的暂停打印和/或回退至上一打印层和/或终止打印任务的策略；

28、执行单元，与等级判定单元以及干预策略库连接，根据判定出的预警等级从干预策略库中匹配对应的干预策略并自动执行；

29、优化单元，与执行单元以及质量评估单元连接，在执行干预后继续获取后续打印层的综合质量指数zl，若干预后综合质量指数zl恢复至正常范围则记录成功案例并据此优化动态权重系数或判定阈值，若干预后综合质量指数zl未能在预设层数内恢复则将预警等级提升一级并触发执行单元重新执行。

30、本发明的技术效果和优点：

31、1、本发明通过在打印过程中部署多类型传感器实时采集多源数据，并利用综合质量指数计算公式计算出综合质量指数zl，对当前打印层进行实时质量量化评估，实现打印质量在线感知与即时干预，无需等待打印完成后进行离线检测，在缺陷形成后能够及时得到纠正，避免时间和材料的浪费；

32、2、本发明通过视觉传感器、热成像传感器、声学传感器以及位置传感器的多源异构数据，分别从表面形貌、热场分布、声学波动和运动精度四个维度提取质量特征，构建多维度协同表征的质量评价体系，克服单一传感维度信息不足的缺陷，提高缺陷检测的覆盖率和准确率，降低漏判和误判的风险；

33、3、本发明通过质量演化趋势预测计算平均变化率bh，实现在质量明显恶化之前的前瞻性预警，为干预措施预留足够的时间窗口，建立正常级-关注级-警告级-危险级四级精细化的分级预警与分级干预机制，避免一刀切的粗放报警方式，通过干预后持续监测综合质量指数zl值并据此自动优化权重系数和判定阈值，使本发明的质量控制能力随使用次数的增加而持续提升，不再依赖操作人员的主观经验判断。