CN111426563A - 一种3d打印试样拉伸破坏性能分析方法 - Google Patents

一种3d打印试样拉伸破坏性能分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，包括以下步骤：采用3D打印出拉伸试样样条，在拉伸试样样条表面设置散斑；将拉伸试样样条放置于拉伸试验装置，调试拉伸试验装置；试验前，采集拉伸试样样条的初始图像；进行拉伸试验，采集拉伸试样样条在拉伸试验全程的图像；利用数字图像相关方法，对原始图像及变形后的目标图像进行对比分析，获得像素点位移、应变信息；根据应变信息，得到应力应变曲线，得出试样性能参数和应变线。

Description

一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法
技术领域
本发明属于3D打印试样的拉伸测试领域，具体涉及一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
传统的实验力学研究手段是接触式的，其中粘贴应变片的方法由于精度高、操作简单、尺寸小、重量轻、测量范围大等优点，因此在科研实验和工程中都有广泛的应用，但是对于复杂情况下测试的精度会有所降低，毕竟是粘贴在试样表面有的时候，对试样有一定的影响，而且往往一个试样的表面需要粘贴大量的应变片而不可二次回收利用，不管是在使用领域还是在使用成本方面都大大受到了限制。传统的光测方法都需要复杂的光路(有些甚至还需要有一个干涉光源)，还需要在隔振平台上进行，因此实验复杂且不易在工程上推广。
通常假定材料是连续均匀的，不考虑材料本身的缺陷，但是在制造行业产品的各向异性随处可见，对于3D打印这种新型技术来说，这种逐层堆积成型工艺使得产品表现出各向异性，打印的参数设置有很多如层厚，打印速度，喷嘴温度等等，每一个参数的改变都会影响到产品的性能，所以很有必要使用分析更全面地测量技术对产品进行测试，这将对这种新型产业有着指导性的作用，引入数字图像相关方法对增材制造行业而言有着非常重要的意义。
现有测量技术中，一般学者在研究打印试样力学性能时以电测法为主，提出了不同成型试样的有限元模型。但是由于打印试样的成型复杂性及各向异性，这些方法普遍存在缺陷，对很多问题并没有很好的解决。后续有学者对从上述方法进行改进和修正，大多关注于打印成型的工艺，从不同的打印工艺出发而很少有学者从测量角度的不同去为打印试样提供较为精确的、全面的、完整的试验信息数据。有些学者提出使用光测方法，大多是采用一些传统的光测手段，对实验的环境条件要求较为苛刻，难以使之全面地推广使用；还有一部分学者采用数值模拟的方法研究试样破坏，并建立力学模型进行破坏机制的分析，结合有限元软件对打印试样进行数值模拟研究，但是他们大多数都有一定的理论支持，数值模型以验证可行性为目的。
通过实验的方式研究打印试样的拉伸破坏性能，能够最直接获得有效数据，随着研究方法的不断进步，对于增材制造领域的研究显得尤为重要。Nahal Aliheidari等提出了一种表征熔融沉积建模3D印刷材料的断裂阻力和层间粘附性的方法。设计了双悬臂梁(DCB)丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)样品，并在“层”界面上进行预裂纹印刷，将DCB加载在开口模式下，载荷-位移曲线与裂纹尖端的光学可视化同步，以检测裂纹萌生时的临界载荷。Caterina Casavola等对打印试样的残余应力进行了测量，由于原料材料在零件成形过程中产生残余应力积累的循环，对残余应力进行测量。为了避免应变片的局部强化，采用了电子散斑干涉法(ESPI)对应变片进行测量。确定由于应力松弛而造成的表面位置。不少国内外学者逐渐地意识到电测方法的局限可以从光测方法上寻找出路，而数字图像相关法相比于这些传统的光测方法具有测量全场应变，操作简单，对环境条件要求低等优点，因此被广泛应用于工程研究，但是发明人发现，传统的力学性能检测试验，只能得到试样破坏之前的应力-应变关系曲线及其峰值强度，这对增材制造行业的发展和打印试样破坏性质的深入研究，已远远不能满足要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，该方法将数字图像相关方法引入增材制造行业，使用数字图像相关法进行检测，可以得到更为全面地描述破坏特征的信息。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，包括以下步骤：
采用3D打印出拉伸试样样条，在拉伸试样样条表面设置散斑；
将拉伸试样样条放置于拉伸试验装置，调试拉伸试验装置；
试验前，采集拉伸试样样条的初始图像；
进行拉伸试验，采集拉伸试样样条在拉伸试验全程的图像；
利用数字图像相关方法，对原始图像及变形后的目标图像进行对比分析，获得像素点位移、应变信息；
根据应变信息，得到应力应变曲线，得出试样性能参数和应变线。
作为进一步的技术方案，在拉伸试样样条表面设置散斑的步骤为：
将拉伸试样样条的一侧表面使用白色哑光漆喷涂全部，再由黑色哑光漆点缀制作均匀分布的散斑。
作为进一步的技术方案，在拉伸试样样条表面设置散斑的步骤为：
将拉伸试样样条的一侧表面使用黑色哑光漆喷涂全部，再由白色哑光漆点缀制作均匀分布的散斑。
作为进一步的技术方案，向拉伸试样样条喷哑光漆时，在拉伸试样样条和喷漆喷头之间隔一层或多层纱网。
作为进一步的技术方案，所述拉伸试验装置包括万能试验机，万能试验机与万能试验控制***连接，万能试验机前方置有CCD工业相机，CCD工业相机与电脑相连；所述万能试验机中采用楔形夹具对拉伸试样样条进行夹持。
作为进一步的技术方案，放置拉伸试样样条的过程为：
将拉伸试样样条放置于拉伸试验装置中间位置，使得拉伸试样样条保持竖向和水平的平衡，样条上喷有散斑的一面朝向CCD工业相机。
作为进一步的技术方案，进行试验前，调节拉伸试验装置的加载速度以及CCD工业相机的采集速度，并调整光源亮度。
作为进一步的技术方案，像素点位移、应变信息的获得过程为：
将采集得到的原始图像和发生变形后的目标图像进行对比分析，然后对变形前后图像的子区进行相关性计算，获得子区中心点像素变形前后的相对位移，从而获得像素点位移、应变信息。
作为进一步的技术方案，试样性能参数的得出过程为：
由像素点位移、应变信息，结合加载荷载与时间的关系，获得实时的应力应变曲线，结合数字图像相关方法得出的应变云图，获得试件抗拉强度、伸长率、变形速度和加速度性能参数。
作为进一步的技术方案，应变线的得出过程为：
由像素点位移、应变信息，结合加载荷载与时间的关系，可获得任一点实时的应力应变曲线，结合数字图像相关方法得出的应变云图，得出左右贯穿且应变数值最大的应变线。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明将数字图像相关方法引入增材制造行业，使用数字图像相关法进行检测，检测裂纹萌生时的临界载荷，能够准确获得全场应变等信息。
本发明的方法克服了传统方法在对于打印试样破坏位置的不确定情况下测量不准确的缺陷，通过应变云图观测到左右贯穿的“应变线”来判断其样条拉伸破坏，能够从细观分析位移及形变，范围更小，精度更高，更能反映真实的变形破坏规律。
本发明的方法克服了传统测量手段给出的测量数据误差较大和对试验条件要求较为严苛的问题；克服了现有技术中只通过分析拉伸过程中的压力-时间曲线获得拉伸时样条破坏的平均值，并不能很好的反映局部破坏的情形的缺陷，该方法设计构思巧妙，操作简单，实验条件要求低，环境适应性比较高，测量结果准确。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明根据一个或多个实施方式的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法的步骤流程图；
图2为本发明根据一个或多个实施方式的拉伸试验装置示意图；
图3为本发明根据一个或多个实施方式的拉伸试验的应变云图；
图4为本发明根据一个或多个实施方式的数字图像相关方法给出的应变-时间关系图；
图中：1万能试验机，2万能试验控制***，3CCD工业相机，4 电脑。
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法。
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种3D打印试样拉伸破坏性能分析的方法，该方法在打印试样拉伸试验装置中实现，如图2所示，该装置的主体结构包括：万能试验机1、万能试验控制***2、CCD 工业相机3和电脑4，万能试验机用以拉伸3D打印试样，万能试验控制***与万能试验机连接，用以控制万能试验机的启动和停止，所述万能试验机的前方置有CCD工业相机，用以对万能试验机在拉伸3D打印试样过程进行图像采集，CCD工业相机与电脑相连，用以保存采集的图像。
本发明方法的拉伸试验在万能试验机1配套设置拉伸夹具，该拉伸夹具采用楔形夹具，将试样进行可靠夹紧，按照GB/T 1040—2006 标准进行测试，在使用之前需要仔细检查夹具内部的胶垫的干净程度以及腐蚀情况，确保两端夹具胶垫的可用性，将上下两端夹具放置牢固，需根据拉伸试样的尺寸调整万能材料试验机两端夹具之间的距离，使得放入试样两端的夹住部分适当，以及保证试样是垂直方向放置的。
利用该打印试样拉伸试验检测装置进行试样拉伸破坏性能的分析，如图1所示，具体试验方法按照如下步骤进行：
1、使用三维建模软件SolidWorks建立标准模型,选择熔融沉积成型的打印试样(可以采用聚乳酸线材)，使用太尔时代up box打印机对模型进行切片、加支撑等处理，根据相关标准以熔融沉积的打印方法打印标准样条，该标准根据GB/T 1040—2006执行；
2、试验前，将样条的一侧表面使用白色哑光漆喷涂全部，再由黑色哑光漆点缀制作适宜的散斑，反之亦可。
散斑用以作为对比变形前后的重要信息，散斑均匀随机分布，散斑颗粒的大小与物距有关，因为散斑质量的好坏直接影响结果的准确性与精度。
为保证散斑形成质量，向样条喷哑光漆时，在样条和喷漆喷头之间隔一层纱网；另外，在喷漆的时候使喷漆的角度、力道等进行一定变化，以保证喷涂到试件表面的散斑随机性更好。
3、放置拉伸样条时，应使得拉伸样条竖向的垂直以及水平上的平衡，这一过程通过调整夹具和使用水平仪实现，确保拉伸试验过程中不得使其出现水平方向的分力出现。
将打印拉伸样条置于万能试验机的正中间位置，将样条上喷有散斑的一面朝向CCD工业相机，使得样条图像出现在相机采集电脑的正中间位置。
4、调试CCD工业相机和万能材料试验机，将万能试验机的加载速度和相机的采集速度搭配调节以达到一个合适的图像采集频率，这将影响它的精度，根据不同的精度要求调试适当即可。本实施例中将万能试验机的加载速度调至0.1Mpa/s，采集速度2幅/s。
5、光源同样是影响结果正确性与精度的重要因素之一，一般采用普通白光，但试验中需要特别注意的：一是不可使得图像有曝光或者黑暗的情况出现，二是在试验过程中不可出现频闪的效果。可根据现场的情况增加直流光源或调整光源亮度，以使得现场的灯光效果满足试验要求，保证试样表面不出现局部曝光、局部黑暗的情况。
调整光源亮度时，多观察电脑中显示的图片，亦可尝试先拍几张图片对其进行分析，使用直流光进行补光即可避免频闪现象。若试验现场自然光满足要求，则无需进行补光处理。为了避免光线的影响，可以在镜头上安装滤光片，以更好的完成试验。
6、按照步骤3、4所述方式调整好后，利用CCD工业相机拍摄一幅图像作为变形前的原始参考图像存储至电脑，作为初始对比图像备用。
7、启动万能试验机和CCD工业相机，使得CCD工业相机与万能材料试验机连接，启动CCD工业相机的同时触发万能材料试验机启动，利用CCD工业相机采集万能试验机拉伸样条试验全过程的图像，并将采集到的图像作为变形后的序列目标图像；上述过程持续至样条拉伸断裂后，关闭万能试验机和CCD工业相机，结束图像采集；
8、利用数字图像相关方法，对步骤6采集得到的原始图像和步骤7发生变形后的目标图像进行对比分析，该方法的基本原理是：通过光电摄像机或数码相机将被测物体变性前后表面的形貌图像转化为数字图像，然后对变形前后图像的子区进行相关性计算，获得子区中心点像素变形前后的相对位移，从而获得像素点位移、应变等力学信息。
该方法在进行相关性计算的搜索匹配时，选用的标准化协方差相关函数为：
Figure BDA0002513506790000101
其中:f(x,y)和g(x+u,y+v)分别表示图像各个像素点的灰度值；fm和gm是其图像子区的平均灰度值；u、v是子区中心的位移，单位为像素。
9、由步骤8得到试件实时的图像位移以及全场的应变信息，并结合万能试验机给出的荷载与时间的关系，使之对应起来可以获得实时的应力应变曲线，再结合数字图像相关方法给出的应变云图，可获得试件抗拉强度、伸长率、变形速度和加速度等性能参数。
基于数字图像相关方法的原理，获得试件表明位移场和应变场信息，利用MATLAB等软件可对图像进行处理，结合相应的数学运算即可获得这些表征试样基本力学性能的参数。
另外，由应力应变曲线结合应变云图，得出左右贯穿且应变数值最大的“应变线”，这就是最有可能首先发生拉伸破坏的位置，该应变线即是使用数字图像相关方法实时地对拉伸试样的检测分析的结果。
由出现左右贯穿的“应变线”为试样破坏的征兆，可实现拉伸试样破坏的预测和破坏性能更为方面的分析。
在试验结束时也可以将试验过程中采集到的图片、试验机的荷载时间数据等等信息进行保存，以备后期用到时有迹可循。
本发明的分析方法，采用数字图像相关方法，首次引入数字图像相关方法对拉伸破坏进行分析，较传统的方法更为全面地，便捷的，使用成本较低的完成了对拉伸破坏特点的描述，得到更为全面地描述破坏特征的信息。
本发明的分析方法，从数字图像相关方法中获取试样全场应变，结合万能材料试验机检测破坏前期裂纹萌生时的临界载荷，抗拉强度，伸长率，应力应变曲线，泊松比，弹性模量等信息，以达到对打印试样破坏机理进行更为全面地分析；并可结合应力应变关系曲线、应变云图，对破坏位置进行预测，可实现拉伸试样破坏的预测与破坏性能的全面分析。
本发明首次将数字图像相关方法引入增材制造行业，由万能材料试验机得到荷载与时间的关系，联合数字图像相关方法对图片的相关性运算，得到的全场位移以及应变数据，结合该方法给出的应变云图，可得到拉伸破坏发展的全过程，可实现对抗拉强度，破坏伸长率，应力-应变曲线，破坏前裂纹萌生时的临界荷载以及走向等信息的获取，从而实现试样拉伸破坏特点全方面的描述；并可对拉伸破坏进行预测，再结合万能材料试验机得到荷载与时间的关系，给出应力应变曲线，从而实现对试样拉伸破坏性能更为全面的分析。
本发明的方法亦可配合高速相机进行，可以高频速度拍摄更加关注于破坏的过程，在结合低频相机对拉伸试验的全过程进行记录，两者结合从而得到即全面又较为精确的破坏分析。
该发明给出一种更为简单便捷的操作方案，得到3D打印行业从业人员更为关注且全面的力学性能检测。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本实施例在3D打印样条拉伸破坏分析装置中实现的，利用该打印试样拉伸试验检测装置进行试样拉伸破坏性能的分析，具体测试方法按照如下步骤进行：
1、选择熔融沉积成型的打印试样，根据相关标准制作标准样条，在样条上使用哑光漆喷涂制作散斑，散斑是变形相关性分析的重要依据，所述散斑大小满足要求且均匀随机分布；
2、调试CCD工业相机和万能材料试验机，将打印拉伸样条置于万能试验机的正中间位置，并将样条上喷有散斑的一面朝向CCD工业相机，将万能试验机的加载速度调至0.1Mpa/s，采集速度2幅/s，调整光源亮度使得满足试验要求；
3、按照步骤2所述方式调整好位置后，利用CCD工业相机拍摄一幅图像作为变形前的原始参考图像存储至电脑，作为初始对比图像备用；
4、启动万能试验机和CCD工业相机，利用CCD工业相机采集万能试验机拉伸样条试验全过程的图像，并将采集到的图像作为变形后的序列目标图像；上述过程持续至样条拉伸断裂后，关闭万能试验机和CCD工业相机，结束图像采集；
5、利用数字图像相关方法，对步骤3采集得到的原始图像和步骤4发生变形后的目标图像进行对比分析，该方法的基本原理是：使用相机对被测物体变形前后形貌进行拍摄记录，然后对变性前后图像的子区进行相关性计算，获得子区中点像素变形前后的相对位移，从而获得全场位移、应变等信息。该方法在进行相关计算的搜索匹配时，选用的标准化协方差相关函数为：
Figure BDA0002513506790000131
其中:f(x,y)和g(x+u,y+v)分别表示图像各个像素点的灰度值；fm和gm是其图像子区的平均灰度值；u、v是子区中心的位移，单位为像素；
6、由步骤6得到全场的应变信息，并结合万能试验机给出的荷载与时间的关系，使之对应起来可以获得应力应变曲线，再结合数字图像相关方法的相关性计算，可以得到破坏前裂纹萌生时的临界荷载以及走向，观察应变云图也可找出左右贯穿且应变数值最大的“应变线”，这就是最有可能首先发生拉伸破坏的位置，可以以出现左右贯穿的“应变线”为征兆，实现拉伸试样破坏的预测和破坏性能更为方面的分析。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，包括以下步骤：
采用3D打印出拉伸试样样条，在拉伸试样样条表面设置散斑；
将拉伸试样样条放置于拉伸试验装置，调试拉伸试验装置；
试验前，采集拉伸试样样条的初始图像；
进行拉伸试验，采集拉伸试样样条在拉伸试验全程的图像；
利用数字图像相关方法，对原始图像及变形后的目标图像进行对比分析，获得像素点位移、应变信息；
根据应变信息，得到应力应变曲线，得出试样性能参数和应变线。
2.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，在拉伸试样样条表面设置散斑的步骤为：
将拉伸试样样条的一侧表面使用白色哑光漆喷涂全部，再由黑色哑光漆点缀制作均匀分布的散斑。
3.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，在拉伸试样样条表面设置散斑的步骤为：
将拉伸试样样条的一侧表面使用黑色哑光漆喷涂全部，再由白色哑光漆点缀制作均匀分布的散斑。
4.如权利要求2或3所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，向拉伸试样样条喷哑光漆时，在拉伸试样样条和喷漆喷头之间隔一层或多层纱网。
5.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，所述拉伸试验装置包括万能试验机，万能试验机与万能试验控制***连接，万能试验机前方置有CCD工业相机，CCD工业相机与电脑相连；所述万能试验机中采用楔形夹具对拉伸试样样条进行夹持。
6.如权利要求1或5所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，放置拉伸试样样条的过程为：
将拉伸试样样条放置于拉伸试验装置中间位置，使得拉伸试样样条保持竖向和水平的平衡，样条上喷有散斑的一面朝向CCD工业相机。
7.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，进行试验前，调节拉伸试验装置的加载速度以及CCD工业相机的采集速度，并调整光源亮度。
8.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，像素点位移、应变信息的获得过程为：
将采集得到的原始图像和发生变形后的目标图像进行对比分析，然后对变形前后图像的子区进行相关性计算，获得子区中心点像素变形前后的相对位移，从而获得像素点位移、应变信息。
9.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，试样性能参数的得出过程为：
由像素点位移、应变信息，结合加载荷载与时间的关系，获得实时的应力应变曲线，结合数字图像相关方法得出的应变云图，获得试件抗拉强度、伸长率、变形速度和加速度性能参数。
10.如权利要求1所述的3D打印试样拉伸破坏性能分析方法，其特征是，应变线的得出过程为：
由像素点位移、应变信息，结合加载荷载与时间的关系，获得任一点实时的应力应变曲线，结合数字图像相关方法得出的应变云图，得出左右贯穿且应变数值最大的应变线。
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