[发明专利]适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统及方法

说明书

本发明涉及适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统及方法，属于建筑构件在线无损检测领域。该系统包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元四个部分，首先通过信号采集单元采集3D打印件中的气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等表面质量信息；然后通过缺陷提取单元和缺陷识别单元将其转化为数字化信号，并以此识别构件中是否存在缺陷以及缺陷的类型和程度；若存在缺陷，缺陷反馈处理单元调用相应处理指令对打印过程进行调整控制。本发明能够进行在线无损检测并及时预警干预，最大程度地提升打印成功率、降低建造成本和提高自动化程度，推动3D打印技术在建筑行业中的工程化应用，有利于高端建造业和智能建造的发展。

技术领域

本发明属于建筑构件在线无损检测领域，更具体地，涉及一种建筑3D打印件表面质量的在线无损检测系统及方法，适用于建筑3D打印件中气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等的检测。

背景技术

3D打印技术，又称增材制造技术（Additive manufacturing），是一种依据三维CAD模型设计，基于分层制造、层层叠加成形原理而进行的“增材”式的高端数字化快速建造技术。其中，将3D打印技术与混凝土结合的建筑3D打印技术势必将推动建筑界的工业化、信息化、集成化和智能化。

虽然，由于水泥基材料本身独特的流变特性和自凝结特性，使得建筑3D打印技术与传统的高分子、金属、陶瓷和复合材料等的3D打印技术存在显著差异。但是，建筑3D打印技术仍然具有以下显著优势：（1）绿色建造、智能环保安全快捷、节约人力资源、减少建筑废弃副产品；（2）无需模具便可实现复杂建筑形状结构的一体化建造，提高产品的研发水平和设计能力；（3）可就地取材，操作简单，适用于远程和极端恶劣环境下的自动化建造；（4）能实现精细化的建筑建造，提升人类居住环境。目前，根据运动控制系统的不同，建筑3D打印设备可分为基于数控机床的框架式3D打印设备和基于伸缩臂式或智能机器人的臂式3D打印设备。

但是，建筑3D打印技术还存在诸多问题，主要包括（1）打印过程没有对材料振捣夯实，结构密实性差，易产生气孔等缺陷；（2）逐层建造的工艺特点，以及材料收缩和层间“台阶效应”，导致打印件尺寸精度差；（3）混凝土初凝时间长，底部打印层在随后打印堆积过程中易变形、倒塌；（4）混凝土材料很难保持连续、均匀挤出，层间黏度不足时，极易产生裂纹。因此，建筑3D打印中气孔缺陷多、几何尺寸精度差、变形大、开裂等诸多质量问题使得打印件报废率高、建造成本高、稳定性差、可靠性低，这也成为了建筑3D打印技术的技术难题。

针对上述问题，专利CN 110243724 A提出了一种在线检测建筑3D打印砂浆挤出性能（包括变形性、流动性和反馈压力）的检测装置及方法；CN 108827768 A提出了一种检测3D打印后建筑砂浆力学性能（包括层间衔接强度、抗折强度、挤压强度和各向异性）的方法。但是，针对建筑3D打印过程中打印件表面质量的在线无损检测的系统和方法目前尚属空白。可见，开发一种适用于建筑3D打印件表面质量在线检测的系统和方法，在打印过程中及时检测反馈质量问题，并通过控制系统实时干预打印工艺，是建筑3D打印技术发展刻不容缓的前提和保障。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量在线检测的系统和方法，其目的在于，通过对打印件表面质量信息的自动化检测和反馈干预，保障整个建筑3D打印过程的顺利进行，从而为建筑3D打印件的在线质量监控提供检测手段和方法，推动建筑3D打印技术的发展。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元；

信号采集单元包括当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块；当前层信号采集模块用于收集当前层的质量信息，已打印层信号采集模块用于收集已打印层的质量信息；当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块均分别包括至少一个信号采集探头；

缺陷提取单元包括气孔提取模块、几何尺寸提取模块、变形提取模块和裂纹提取模块；