增材制造設(shè)備的自動(dòng)化過程控制的制作方法
【專利說明】増材制造設(shè)備的自動(dòng)化過程控制
[0001 ] 本申請要求2014年7月31日提交的使用申請第14/448,229號(hào)和2013年8月7日提交的臨時(shí)申請第61 /863110號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及通用增材制造設(shè)備(例如3D打印機(jī))，其可以利用各種技術(shù)，包括擠壓沉積、顆粒熔化和燒結(jié)、粉末平臺(tái)黏著和光聚合。系統(tǒng)特別適合于但不限于自動(dòng)化以使得已完成作業(yè)能夠從打印空間移除并且在沒有任何手動(dòng)人工操作的情況下開始下一作業(yè)的設(shè)備。
[0003]常規(guī)增材制造設(shè)備需要具有許多不同軟件應(yīng)用的工具鏈用于過程中的各個(gè)步驟。所有過程反饋、例如尺寸精度和表面光潔度必須被手動(dòng)地測量和評估，而沒有整合該反饋以提尚系統(tǒng)功能的成系統(tǒng)的方式。
[0004]有效地操作增材制造設(shè)備以生產(chǎn)滿足設(shè)計(jì)者規(guī)定的公差的物體涉及使每個(gè)作業(yè)的加工時(shí)間、操作員時(shí)間、材料消耗和總的機(jī)器停工時(shí)間最小化以使生產(chǎn)量最大化并且限制材料和人工成本。理想的系統(tǒng)會(huì)在不需要人類操作員的情況下連續(xù)工作并且僅生產(chǎn)規(guī)定公差內(nèi)的物體。
[0005]實(shí)際上，許多問題導(dǎo)致作業(yè)失敗、不滿足公差要求的物體以及不必要的機(jī)器停工時(shí)間。手動(dòng)控制這些問題、特別是關(guān)于低成本增材制造設(shè)備的問題需要大量的操作員時(shí)間來預(yù)檢部件、輸入各種機(jī)器參數(shù)以滿足規(guī)定公差要求、手動(dòng)監(jiān)控作業(yè)、在完成后移除物體、測量物體以測試是否符合規(guī)定的公差要求并且反復(fù)重復(fù)該過程直到物體滿足規(guī)定的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的發(fā)明通過提供用于檢查潛在作業(yè)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)并且在作業(yè)期間以及之后收集和評估過程反饋的單個(gè)統(tǒng)一界面而使操作員必須使用以控制增材制造設(shè)備的工具的數(shù)量最小化。此外，系統(tǒng)使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法以使執(zhí)行識(shí)別和校正系統(tǒng)錯(cuò)誤和不精確度的過程自動(dòng)化，提供了不需要操作員輸入情況下的公差控制。
[0007]所公開的系統(tǒng)通過自動(dòng)最小化對成本有貢獻(xiàn)的因素而提高了增材制造設(shè)備的操作效率。機(jī)器學(xué)習(xí)算法使輸入的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))文件與機(jī)器參數(shù)相關(guān)聯(lián)以預(yù)測所制造物體的性能和其制造所需的時(shí)間。計(jì)算機(jī)視覺算法或集成3D掃描儀在制造后評估物體以確保滿足公差要求并且向機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供反饋使得預(yù)測隨時(shí)間改進(jìn)。因此，系統(tǒng)逐漸改進(jìn)其設(shè)定機(jī)器參數(shù)的能力，所述機(jī)器參數(shù)在使制造時(shí)間最小化的同時(shí)使?jié)M足規(guī)定公差的可能性最大化。這使每個(gè)作業(yè)的時(shí)間和滿足規(guī)格所需的重復(fù)次數(shù)兩者最小化。使重復(fù)最少化限制了浪費(fèi)的材料消耗并且增加了設(shè)備的總生產(chǎn)量。
[0008]系統(tǒng)能夠利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來自動(dòng)執(zhí)行各種校準(zhǔn)程序。對于給定材料的溫度校準(zhǔn)涉及在變化的溫度下打印測試物體以及選擇具有最佳平臺(tái)黏著、表面光潔度以及尺寸精度的物體。打印到板上的校準(zhǔn)圖案的圖像提供關(guān)于平臺(tái)水平度和噴嘴高度的信息。利用計(jì)算機(jī)視覺對部件移除特征、例如用于使刀片和打印表面對齊的最佳z高度進(jìn)行優(yōu)化。能夠從由使對移除刀片供能的馬達(dá)運(yùn)行的電流量來估算部件黏著度。
[0009]系統(tǒng)跟蹤材料消耗并且在安排供操作員更換材料盒的計(jì)劃停工時(shí)間之前自動(dòng)通知材料供應(yīng)商何時(shí)運(yùn)送新材料。這防止了操作員在非優(yōu)化的時(shí)間更換材料盒;太早意味著可能浪費(fèi)有用的材料，而太晚意味著不必要的機(jī)器停工時(shí)間。
[0010]系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)以盡可能早地檢測失敗。系統(tǒng)能夠在過程的早期檢測到作業(yè)不太可能滿足規(guī)格，而不是等到作業(yè)完成才測量和檢查部件。作業(yè)能夠及早終止并且再次開始或跳過以避免浪費(fèi)額外的材料和加工時(shí)間。
[0011]系統(tǒng)提供用于供操作員向隊(duì)列中添加作業(yè)、輸入規(guī)格和公差、檢查CAD文件的單個(gè)界面并且在期望時(shí)提供另外的人工監(jiān)控。所述界面包括3D打印預(yù)覽，其結(jié)合了 CAD文件和建議的機(jī)器參數(shù)以使增材制造設(shè)備的預(yù)測輸出可視化。3D打印預(yù)覽允許操作員調(diào)節(jié)多種規(guī)格并且實(shí)時(shí)獲得關(guān)于這些調(diào)節(jié)會(huì)如何影響被打印物體的預(yù)測性反饋。3D打印預(yù)覽還能夠檢測和評注可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的CAD模型特征。
[0012]本發(fā)明還包括新3D掃描方法，其允許非擾亂性掃描被集成到3D打印機(jī)中。照射在物體上的獨(dú)立受控的燈陣列產(chǎn)生被成像和測量以驗(yàn)證尺寸精度的陰影。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的用于增材制造設(shè)備的自動(dòng)化過程控制的系統(tǒng)包括用于制造物體的增材制造設(shè)備(例如3D打印機(jī))和控制該設(shè)備的本地聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。至少一個(gè)攝像機(jī)具有設(shè)備的制造空間的視角以產(chǎn)生物體的可網(wǎng)絡(luò)訪問的圖像。計(jì)算機(jī)被編程為在物體有缺陷時(shí)，基于物體的圖像停止制造過程。
[0014]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述至少一個(gè)攝像機(jī)具有制造空間的固定視角。可替代地，攝像機(jī)可以具有制造空間的自動(dòng)控制的視角。圖像可以是視頻流或者靜態(tài)圖像。優(yōu)選的增材制造設(shè)備為3D打印機(jī)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)還包括執(zhí)行遠(yuǎn)程算法的一系列服務(wù)器端應(yīng)用程序。可以提供基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的控制界面。算法可以包括諸如馬爾可夫、貝葉斯推理或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之類的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
[0015]另一優(yōu)選實(shí)施例包括3D打印預(yù)覽以實(shí)時(shí)更新物體的渲染。所述系統(tǒng)還可以包括燈的陣列，其用于產(chǎn)生物體陰影以重建從每個(gè)燈的角度來看的輪廓視圖。
【附圖說明】
[0016]圖1a和Ib為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其包括觀察在增材制造設(shè)備的制造空間內(nèi)的打印表面的攝像機(jī)。
[0017]圖2a和2b為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其示出了伴隨著圖像與渲染的對比的逐層驗(yàn)證。
[0018]圖3a和3b分別為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖和俯視圖，其使用了燈陣列以對正被打印的物體進(jìn)行投影。
[0019]圖4為示出了系統(tǒng)操作的總系統(tǒng)圖。
[0020]圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有逐層驗(yàn)證的自動(dòng)化過程控制的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]由于桌面3D打印機(jī)不是完全可靠的，因此真正的自動(dòng)化需要相當(dāng)穩(wěn)健的錯(cuò)誤檢測和校正。本申請論述了用于進(jìn)一步自動(dòng)化和優(yōu)化3D打印過程的幾種軟件和硬件技術(shù)。
[0022]自動(dòng)化過程控制涉及建立3D打印過程的計(jì)算模型。目標(biāo)在于基于CAD文件以及尺寸和結(jié)構(gòu)規(guī)格和公差來優(yōu)化地選擇打印參數(shù)。通過自動(dòng)和/或手動(dòng)評估產(chǎn)生的輸出以向計(jì)算模型提供反饋而持續(xù)地改進(jìn)所述模型。
[0023]從CAD文件和用戶規(guī)定的參數(shù)收集輸入特征。CAD文件被分析以確定相關(guān)特征，例如沿著任何閉合表面或?qū)拥臋M截面積、與打印表面的接觸面積和周長、壁厚、所需的支撐材料和被支撐特征的角度。用戶可以規(guī)定尺寸公差和沿著大量軸線的強(qiáng)度要求和對指定面的表面光潔度的要求。
[0024]這些輸入特征被用于估算最優(yōu)切片參數(shù)。切片參數(shù)包括諸如打印表面和噴嘴溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、層高、每條軸線的最大速度和加速度、以及填充圖案和密度等信息。一旦確定了設(shè)置，CAD文件就被切片并且發(fā)送到打印機(jī)。
[0025]在打印期間，計(jì)算機(jī)視覺算法監(jiān)控失敗。在圖1a中，攝像機(jī)10被定位用于觀察打印表面12。打印表面12的拐角被確定并且缺陷以如圖1b所示的亮光區(qū)域14的形式出現(xiàn)。
[0026]算法被調(diào)整以預(yù)測錯(cuò)誤的原因。例如，如果打印中非常早地檢測到錯(cuò)誤，那么可能是關(guān)于打印表面的水平度或涂層方面的問題。如果在打印后期出現(xiàn)突然和嚴(yán)重錯(cuò)誤，那么可能部件變得與打印表面脫離并且失敗的原因是不良的平臺(tái)黏著和/或扭曲。
[0027]在打印后，系統(tǒng)收集各種輸出。從由集成3D掃描儀提供的對物體的3D掃描估算尺寸精度和表面光潔度。能夠從由對移除系統(tǒng)供能的馬達(dá)拉動(dòng)的功率量來估算打印表面的黏著力。
[0028]收集的所有信息能夠被用作用于計(jì)算模型的反饋。隨著時(shí)間變化，各種失敗模式會(huì)變得與相應(yīng)切片參數(shù)相關(guān)聯(lián)。例如，不良的平臺(tái)黏著可能是由不正確的溫度設(shè)置或打印取向產(chǎn)生的。不能滿足尺寸公差可能是由不正確的加速度、速度或?qū)痈弋a(chǎn)生的。機(jī)器學(xué)習(xí)算法確定每個(gè)輸入和每個(gè)