一种fdm打印过程应力检测方法
阅读说明：本技术 一种fdm打印过程应力检测方法 (Stress detection method in FDM printing process ) 是由 侯和平 岳阳 刘健 刘善慧 雷晓飞 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种FDM打印过程应力检测方法,包括如下步骤：步骤一、制作待成型Solidworks零件模型,选定待测区域,于待测区域留有空槽以放置传感器；步骤二、当FDM打印机打印至空槽位置所在层处暂停打印过程；步骤三、在模型中调整待测区域空槽的方位,进而调整应变片方向得以测量X、Y、45°等方向应力；步骤四、通过桥盒与应变仪连接,将应变仪连接采集卡,采集卡将应变仪传输的电压信号存储至计算机,准备采集；步骤五、应变仪开始记录应变片输出的电压；FDM打印机继续打印零件；步骤六、根据零件实际打印、冷却时间,测量30min内的零点漂移,采用信号处理的方法,去除零漂；本发明解决其他应变检测方法无法检测FDM制件内部应力、价格昂贵的问题。(The invention provides a method for detecting the stress in an FDM printing process, which comprises the following steps: firstly, manufacturing a Solidworks part model to be molded, selecting a region to be tested, and reserving a hollow groove in the region to be tested for placing a sensor; step two, when the FDM printer prints to the layer where the empty slot position is located, pausing the printing process; thirdly, adjusting the position of the empty groove of the area to be measured in the model, and further adjusting the direction of the strain gauge to measure stress in directions of X, Y, 45 degrees and the like; step four, connecting the strain gauge with an acquisition card through a bridge box, and storing a voltage signal transmitted by the strain gauge into a computer by the acquisition card to prepare for acquisition; fifthly, the strain gauge starts to record the voltage output by the strain gauge; the FDM printer continues to print the parts; measuring zero drift within 30min according to actual printing and cooling time of the part, and removing the zero drift by adopting a signal processing method; the invention solves the problems that other strain detection methods cannot detect the internal stress of the FDM workpiece and are expensive.)
技术领域
本发明涉及应力检测技术领域，是一种FDM打印过程应力检测方法。
背景技术
熔融沉积成型技术简称FDM技术，FDM以其成型材料广泛且成本低、设备运维成本低等优点得到广泛应用，但是由于该技术使用的材料大多为高分子有机合成塑料决定了最终的成型零件会存在尺寸收缩、翘曲变形等影响成型精度。成型过程中的温度场的分布梯度会引起零件内部的热应力及变形，进而引起零件外形尺寸的变化，严重影响零件的成型精度。零件的成型质量不高严重限制了熔融沉积快速成型技术在市场上的推广运用。使得其应用领域主要集中在研发试验环节的试验模型和功能性原型制造。因此，研究FDM成型过程的温度场、应力场的分布对揭示制件尺寸收缩规律及机理对FDM技术推广应用具有重要意义。
电阻应变片测量法是最传统的测量应变的方法，应用非常广泛。其测量原理是把应变片粘贴在变形处，当结构发生应变时，应变片的阻值也会发生变化，通过应变仪把电阻变化的信号转化成电压或电流的信号，就能得到结构的应变值。应变片测量法具有精度高、尺寸小等优点。可以将应变片嵌入试件内部，依据电阻丝的电阻率随电阻丝的变形而变化的关系，把力学参数转换成为电学参数，再将电学参数转换为试件的应变值，从而能够测量试件分布式点应变，为研究FDM内部应力变化提供了可能。而且应变片测量设备便宜，便于在FDM试件应力测量中大量使用。
本发明的目的是开发一种FDM成型过程温度场、应力场的测试系统。提出一种FDM成型过程应力测试的方法。
发明内容
本发明旨在发明一种FDM成型过程中，测量FDM制件内部动态应力的方法，以解决其他应变检测方法无法检测FDM制件内部应力、价格昂贵的问题。
本发明公开的一种FDM打印过程应力检测方法，包括如下步骤：
步骤一、制作待成型Solidworks零件模型为零件1，选定待测区域，于待测区域留有空槽以放置传感器；空槽大小与应变片大小相同，其中应变片型号为BA-120-3AA的应变片，应变片包括：工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4；
步骤二、使用FDM打印机加载零件1，设定打印参数，开始打印，当FDM打印机打印至位置2所在层处暂停打印过程；
步骤三、打磨应变片底部，使用502胶水，将工作应变片R1粘贴固定在空槽处待测区域，在模型中调整待测区域空槽的方位，进而调整应变片方向得以测量X、Y、45°等方向应力；
步骤四、将工作应变片R1与补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4组成全桥，并将通过桥盒与应变仪连接，将应变仪连接采集卡，采集卡将应变仪传输的电压信号存储至计算机，准备采集；
步骤五、将补偿应变片R2、R3、R4固定于可编程加热平台3上，设定可编程加热平台3的温度为25℃；调平应变仪，设置采集卡采样频率为500Hz，应变仪开始记录应变片输出的电压；FDM打印机继续打印零件；记录应变仪电压Vε＝f(i)，其中i为采集样本个数；
步骤六、应变片在长时间测量应力过程中会产生零点漂移，零点漂移会影响测量应力的准确性，通过使用与实际测量相同条件，根据零件实际打印、冷却时间，测量30min内的零点漂移，采用信号处理的方法，去除零漂；
步骤七、由于FDM打印过程中，待测区域会发生强烈的温度变化，而应变片在不同温度下会表现不同的电阻，故而需要研究应变片的温度特性；因此通过使用与实际测量相同条件，测量在FDM过程相同的温度变化下的应变片的电压变化，并根据应变片温度漂移特点，采用信号处理的方法，去除温漂；
步骤八、应变、应力计算；
(1)应力计算方法，令去除零漂、温漂后的应力测量电压为VL；
则，VL＝Vε-Yl-V2；
上式中Vε为打印过程应变仪电压，Yl为零点漂移电压，V2为温度漂移电压；
应变ε为：
应力，F＝E*ε；其中E为打印材料的弹性模量；
(2)编写应变、应力计算软件；其中去噪部分，针对FDM打印过程中测得的温度应力数据特性采用高斯去噪、中值滤波、均值滤波、小波去噪、EMD模特分解方法去除噪声；应力计算部分包括零漂过滤、温漂过滤、温度、应变、应力计算；并添加了画笔、数据缩放，时钟功能，以方便处理数据的细节部分。
优选的，所述步骤六中去除零漂的步骤为：
(1)硬件连接，将工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4组成全桥连接，打磨工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4底部，将4片应变片粘贴固定于可编程加热平台3上，设定加热平台温度为25℃，采集工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4零点漂移；
(2)数据预处理，应变片漂移分为两种，一种为水平零点漂移，一种为斜率零点漂移；应变采样过程中，设应变采样总时长为T，样本数量为N，采集到的信号为y1-yn，为样本均值：
其中i＝1,2,···,N
σy为样本方差：
当时为水平零点漂移，时为斜率零点漂移；
(2.1)去除水平零点漂移，令去除零点漂移后的电压信号为Yi；
则零点漂移电压为：
Yi＝y(i)-Yl；
(2.2)去除斜率零点漂移：
其中为第一均值点，为第二均值点；N为样本数量；T为采样总时长；
其中
其中
则样本数据的斜率
则零点漂移电压为：Yl＝(k*t)
去除斜率零点漂移后的信号Yi：
Yi＝y(i)-Yl，其中i＝1,2,···,N。
优选的，所述步骤七中去除温漂的步骤为：
(1)打印过程温度测试，FDM打印机加载第二零件5，在待测区域处有空槽，该温度测量区域与应变检测的测量位置相同，空槽与温度传感器PT100大小相同；
将第二零件5切片打印，当FDM打印机打印至位置2所在层处暂停打印过程；将温度传感器PT100使用胶水粘贴固定于空槽中，温度传感器型号为PT100；将温度传感器连接至温度变送器，温度变送器型号为ASC605-V2.0，使用采集卡记录，记录FDM打印机打印过程中温度传感器的电压变化；
(2)打印过程待测区域的温度计算；温度变送器记温度传感器电压变化为V1；
V1＝f(i)，其中i＝1,2,···,N。
则打印过程中测试点的温度变化为T1；
T1＝20*V1；
(3)确定温漂，应变片桥路连接方式采用全桥连接，将测得的FDM打印过程的温度变化T1输入可编程加热平台3，将可编程加热平台4温度确定于25℃不变。将工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4全桥电路接入电桥通过桥盒与应变仪连接，将应变仪连接采集卡，通过采集卡记录R1工作应变片在FDM打印过程的温度变化T1环境下，补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4在25℃环境温度下的电压变化；记录应变仪温度漂移电压V2＝f(i)；其中i＝1,2,···,N。。
本发明的有益效果在于：本发明旨在发明一种FDM成型过程中，测量FDM制件内部动态应力的方法，以解决其他应变检测方法无法检测FDM制件内部应力、价格昂贵的问题。
附图说明
为了清楚的说明本发明应力测试过程中现有的技术方案或实施例，下面将对需要使用的附图做简要说明，下面所描述的附图仅是本发明的一些实施例。
附图1为本发明的FDM零件应力检测方法；
附图2为本发明的应变片桥路连接方法；
附图3为本发明的零点漂移过滤方法；
附图4为本发明的温度检测方法；
附图5为本发明的温度漂移过滤方法；
附图6为本发明的应变、应力计算软件；
附图7为本发明的应力检测实施例1；
附图8为本发明的温度检测实施例2。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实物上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实物上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实物上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
应力检测方法。由于熔融沉积成型方法在制造过程中存在复杂的温度变化，从而导致内部应力的复杂变化。使FDM制造零件变形、强度不足等问题，因此本发明开发一种测量FDM制造过程内部应力的方法。其测量结构如图1。
(1)制作待成型Solidworks零件模型为零件1，选定待测区域，于待测区域留有空槽以放置应变传感器。空槽大小与应变片大小相同。
(2)使用FDM打印机加载零件1，设定打印材料、打印温度，打印层厚、打印速度、打印路径、开始打印。当FDM打印机打印至位置2所在层处暂停打印过程。
(3)打磨工作应变片R1底部，使用502胶水，将工作应变片R1粘贴固定在空槽处待测区域。静置5分钟，待胶水凝固。可在模型中调整待测区域空槽的方位，进而调整应变片方向得以测量X、Y、45°等方向应力。
(4)将工作应变片R1与补偿应变片R2，R3，R4组成全桥，如图2。并将电桥通过桥盒与应变仪连接，将应变仪连接采集卡，采集卡将应变片传输的电压信号存储至计算机。打开应变仪，采集零件内部应变。
(5)将R2，R3，R4补偿片固定于第二可编程加热平台4上，设定第二可编程加热平台4温度为25℃。调平应变仪，设置采集卡采样频率为500Hz，开始记录。FDM打印机继续打印。记录应变仪电压Vε＝f(i)，其中i＝1,2,···,N。N为采集样本个数。
2、去除零漂。应变片在长时间测量应力过程中会产生零点漂移，零点漂移会影响测量应力的准确性。因此本发明通过使用与实际测量相同条件，测量一定时间内零点漂移，其测量结构如图3。并根据零漂特点，采用信号处理的方法，去除零漂。
(1)硬件连接。如图3，将工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4组成全桥连接，打磨应变片底部，将4片应变片粘贴固定于可编程加热平台3上，设定可编程加热平台3温度为25℃。将电桥通过桥盒与应变仪连接，将应变仪连接采集卡，采集卡将应变片的零漂电压存储至计算机。
(2)数据预处理。应变片漂移分为两种，一种为水平零点漂移，一种为斜率零点漂移。应变采样过程中，设应变采样总时长为T，样本数量为N，采集到的信号为y1-yn，为样本均值：
其中i＝1,2,···,N
σy为样本方差：
当时为水平零点漂移，时为斜率零点漂移。
(3)去除水平零点漂移，令去除零点漂移后的信号为Yi；
则零点漂移电压为：
Yi＝y(i)-Yl；
(4)去除斜率零点漂移：
其中，
其中
其中
则样本数据的斜率
则零点漂移电压为：Yl＝(k*t)
去除斜率零点漂移后的信号Yi：
Yi＝y(i)-Yl，其中i＝1,2,···,N；
3、去除温漂。由于FDM打印过程中，待测区域会发生强烈的温度变化，而应变片在不同温度下会表现不同的电阻，故而需要研究应变片的温度特性。因此本发明通过使用与实际测量相同条件，测量在FDM过程相同的温度变化下的应变片的电压变化，其测量结构如图4。并根据应变片温度漂移特点，采用信号处理的方法，去除温漂。
(1)打印过程温度测试。如图4，FDM机加载第二零件5，在待测区域处有空槽，零件1与第二零件5外形相同，仅待测区域空槽大小不同，该待测区域与图1中应变检测的待测位置相同，空槽与温度传感器PT100大小相同。
将第二零件5切片打印，当FDM打印机打印至位置2所在层处暂停打印过程。将温度传感器PT100使用胶水粘贴固定于空槽中，温度传感器型号为PT100；将温度传感器连接至温度变送器，温度变送器型号为ASC605-V2.0，使用采集卡记录，记录FDM打印过程中温度传感器的电压变化。
(2)打印过程待测区域的温度计算。记温度传感器电压变化为V1。
V1＝f(i)，其中i＝1,2,···,N。
则打印过程中测试点的温度变化为T1；
T1＝20*V1；
(3)确定温漂。如图5应变片桥路连接方式采用全桥连接，其中R1为工作片，粘贴固定于可编程加热平台3。R2，R3，R4为补偿片，粘贴固定于第二可编程加热平台4。将测得的FDM打印过程的温度变化T1输入可编程加热平台3，将第二可编程加热平台4温度确定于25℃不变。将工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4全桥电路接入电桥通过桥盒与应变仪连接，将应变仪连接采集卡，通过采集卡记录R1工作片在FDM打印过程的温度变化T1环境下，工作应变片R1、补偿应变片R2、补偿应变片R3、补偿应变片R4在25℃环境下的电压变化。记录应变片温度漂移电压V2＝f(i)。其中i＝1,2,···,N。
应变、应力计算。
(1)应力计算方法。令去除零漂、温漂后的应力测量电压为VL；
则，VL＝Vε-Yl-V2；
则，应变，
应力，F＝E*ε。其中E为打印材料的弹性模量
(2)如图6编写应变、应力计算软件。其中去噪部分，针对FDM打印过程中测得的温度应力数据特性采用高斯去噪、中值滤波、均值滤波、小波去噪、EMD模特分解等方法去除噪声。应力计算部分包括零漂过滤、温漂过滤、温度、应变、应力计算。并添加了画笔、数据缩放，时钟等功能，以方便处理数据的细节部分。
实施例1：如图7，本发明采用应变传感器型号为BA-120-3AA应变片，应变仪型号为YF-3型，FDM机型号为Ultimaker2+，设置打印材料为PLA，打印温度为210℃，打印层厚为0.6mm，打印速度为20mm/s，打印路径为回字形，成型制造30*30*5mm的长方体零件1，测量其Y方向应力。测试位置为模型中心位置高度1.8mm。
实施例2：如图8，本发明采用温度传感器型号为PT100温度传感器，温度变送器型号为ASC605-V2.0，FDM机型号为Ultimaker2+，设置打印材料为PLA，打印温度为210℃，打印层厚为0.6mm，打印速度为60mm/s，打印路径为回字形，成型制造30*30*5mm的长方体第二零件5，测量其应力测点处温度。测试位置为模型中心位置高度1.8mm。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
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