增材制造设备的自动化过程控制制造技术

一种增材制造设备的自动化过程控制。系统包括：用于制造物体的增材制造设备；控制所述设备的本地联网计算机；摄像机，其具有所述设备的制造空间的视角以产生所述物体的可网络访问的图像；逐层验证被用于检测打印过程期间所述物体的图像上的错误，其中所述逐层验证利用切片机产生在每个层被打印之后所述物体的预测性渲染；其中所述本地联网计算机被编程为基于对所述物体的图像的逐层验证，在自动识别出所述物体有缺陷时停止制造过程。

Automatic process control of the equipment for material increase

An automatic process control for material addition and manufacturing equipment. The system consists of a material making equipment for making objects; a local networked computer that controls the equipment described; a camera, with a view of the manufacturing space of the device to produce a network access image of the object, and a layer by layer error to be used to detect the images of the objects described during the printing process, The layer by layer validation uses the slicer to generate predictive rendering of the objects that are printed after each layer is printed; the local networked computer is programmed to be based on the layer by layer verification of the images of the object, and to stop the manufacturing process when the object has defects automatically recognizes.

【技术实现步骤摘要】
增材制造设备的自动化过程控制本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/US2014/049563、申请日为2014年8月4日的PCT申请并且于2016年2月2日进入中国国家阶段，申请号为201480043784.4，名称为“增材制造设备的自动化过程控制”。本申请要求2014年7月31日提交的实用申请第14/448,229号和2013年8月7日提交的临时申请第61/863110号的优先权，其内容通过引用并入本文中。
技术介绍
本专利技术涉及通用增材制造设备(例如3D打印机)，其可以利用各种技术，包括挤压沉积、颗粒熔化和烧结、粉末平台黏着和光聚合。系统特别适合于但不限于自动化以使得已完成作业能够从打印空间移除并且在没有任何手动人工操作的情况下开始下一作业的设备。常规增材制造设备需要具有许多不同软件应用的工具链用于过程中的各个步骤。所有过程反馈、例如尺寸精度和表面光洁度必须被手动地测量和评估，而没有整合该反馈以提高系统功能的成系统的方式。有效地操作增材制造设备以生产满足设计者规定的公差的物体涉及使每个作业的加工时间、操作员时间、材料消耗和总的机器停工时间最小化以使生产量最大化并且限制材料和人工成本。理想的系统会在不需要人类操作员的情况下连续工作并且仅生产规定公差内的物体。实际上，许多问题导致作业失败、不满足公差要求的物体以及不必要的机器停工时间。手动控制这些问题、特别是关于低成本增材制造设备的问题需要大量的操作员时间来预检部件、输入各种机器参数以满足规定公差要求、手动监控作业、在完成后移除物体、测量物体以测试是否符合规定的公差要求并且反复重复该过程直到物体满足规定的要求。
技术实现思路
本公开的专利技术通过提供用于检查潜在作业、远程实时监控作业并且在作业期间以及之后收集和评估过程反馈的单个统一界面而使操作员必须使用以控制增材制造设备的工具的数量最小化。此外，系统使用现代计算机视觉和机器学习算法以使执行识别和校正系统错误和不精确度的过程自动化，提供了不需要操作员输入情况下的公差控制。所公开的系统通过自动最小化对成本有贡献的因素而提高了增材制造设备的操作效率。机器学习算法使输入的CAD(计算机辅助设计)文件与机器参数相关联以预测所制造物体的性能和其制造所需的时间。计算机视觉算法或集成3D扫描仪在制造后评估物体以确保满足公差要求并且向机器学习算法提供反馈使得预测随时间改进。因此，系统逐渐改进其设定机器参数的能力，所述机器参数在使制造时间最小化的同时使满足规定公差的可能性最大化。这使每个作业的时间和满足规格所需的重复次数两者最小化。使重复最少化限制了浪费的材料消耗并且增加了设备的总生产量。系统能够利用计算机视觉技术来自动执行各种校准程序。对于给定材料的温度校准涉及在变化的温度下打印测试物体以及选择具有最佳平台黏着、表面光洁度以及尺寸精度的物体。打印到板上的校准图案的图像提供关于平台水平度和喷嘴高度的信息。利用计算机视觉对部件移除特征、例如用于使刀片和打印表面对齐的最佳z高度进行优化。能够从由使对移除刀片供能的马达运行的电流量来估算部件黏着度。系统跟踪材料消耗并且在安排供操作员更换材料盒的计划停工时间之前自动通知材料供应商何时运送新材料。这防止了操作员在非优化的时间更换材料盒；太早意味着可能浪费有用的材料，而太晚意味着不必要的机器停工时间。系统利用计算机视觉算法实时监控作业以尽可能早地检测失败。系统能够在过程的早期检测到作业不太可能满足规格，而不是等到作业完成才测量和检查部件。作业能够及早终止并且再次开始或跳过以避免浪费额外的材料和加工时间。系统提供用于供操作员向队列中添加作业、输入规格和公差、检查CAD文件的单个界面并且在期望时提供另外的人工监控。所述界面包括3D打印预览，其结合了CAD文件和建议的机器参数以使增材制造设备的预测输出可视化。3D打印预览允许操作员调节多种规格并且实时获得关于这些调节会如何影响被打印物体的预测性反馈。3D打印预览还能够检测和评注可能导致错误的CAD模型特征。本专利技术还包括新3D扫描方法，其允许非扰乱性扫描被集成到3D打印机中。照射在物体上的独立受控的灯阵列产生被成像和测量以验证尺寸精度的阴影。根据本专利技术的用于增材制造设备的自动化过程控制的系统包括用于制造物体的增材制造设备(例如3D打印机)和控制该设备的本地联网计算机。至少一个摄像机具有设备的制造空间的视角以产生物体的可网络访问的图像。计算机被编程为在物体有缺陷时，基于物体的图像停止制造过程。在一个优选实施例中，所述至少一个摄像机具有制造空间的固定视角。可替代地，摄像机可以具有制造空间的自动控制的视角。图像可以是视频流或者静态图像。优选的增材制造设备为3D打印机。在另一优选实施例中，计算机还包括执行远程算法的一系列服务器端应用。可以提供基于网络浏览器的控制界面。算法可以包括诸如马尔可夫、贝叶斯推理或人工神经网络算法之类的机器学习算法。另一优选实施例包括3D打印预览以实时更新物体的渲染。所述系统还可以包括灯的阵列，其用于产生物体阴影以重建从每个灯的角度来看的轮廓视图。附图说明图1a和1b为本专利技术一个实施例的透视图，其包括观察在增材制造设备的制造空间内的打印表面的摄像机。图2a和2b为本专利技术一个实施例的透视图，其示出了伴随着图像与渲染的对比的逐层验证。图3a和3b分别为本专利技术一个实施例的侧视图和俯视图，其使用了灯阵列以对正被打印的物体进行投影。图4为示出了系统操作的总系统图。图5为根据本专利技术一个实施例的具有逐层验证的自动化过程控制的流程图。具体实施方式由于桌面3D打印机不是完全可靠的，因此真正的自动化需要相当稳健的错误检测和校正。本申请论述了用于进一步自动化和优化3D打印过程的几种软件和硬件技术。自动化过程控制涉及建立3D打印过程的计算模型。目标在于基于CAD文件以及尺寸和结构规格和公差来优化地选择打印参数。通过自动和/或手动评估产生的输出以向计算模型提供反馈而持续地改进所述模型。从CAD文件和用户规定的参数收集输入特征。CAD文件被分析以确定相关特征，例如沿着任何闭合表面或层的横截面积、与打印表面的接触面积和周长、壁厚、所需的支撑材料和被支撑特征的角度。用户可以规定尺寸公差和沿着大量轴线的强度要求和对指定面的表面光洁度的要求。这些输入特征被用于估算最优切片参数。切片参数包括诸如打印表面和喷嘴温度、转动方向、层高、每条轴线的最大速度和加速度、以及填充图案和密度等信息。一旦确定了设置，CAD文件就被切片并且发送到打印机。在打印期间，计算机视觉算法监控失败。在图1a中，摄像机10被定位用于观察打印表面12。打印表面12的拐角被确定并且缺陷以如图1b所示的亮光区域14的形式出现。算法被调整以预测错误的原因。例如，如果打印中非常早地检测到错误，那么可能是关于打印表面的水平度或涂层方面的问题。如果在打印后期出现突然和严重错误，那么可能部件变得与打印表面脱离并且失败的原因是不良的平台黏着和/或扭曲。在打印后，系统收集各种输出。从由集成3D扫描仪提供的对物体的3D扫描估算尺寸精度和表面光洁度。能够从由对移除系统供能的马达拉动的功率量来估算打印表面的黏着力。收集的所有信息能够被用作用于计算模型的反馈。随着时间变化，各种失败模式会变得与相应切片参数相关联。例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增材制造设备的自动化过程控制的系统，包括：用于制造物体的增材制造设备；控制所述设备的本地联网计算机；摄像机，其具有所述设备的制造空间的视角以产生所述物体的可网络访问的图像；逐层验证被用于检测打印过程期间所述物体的图像上的错误，其中所述逐层验证利用切片机产生在每个层被打印之后所述物体的预测性渲染；其中所述本地联网计算机被编程为基于对所述物体的图像的逐层验证，在自动识别出所述物体有缺陷时停止制造过程。

【技术特征摘要】
2013.08.07 US 61/863,110;2014.07.31 US 14/448,2291.一种用于增材制造设备的自动化过程控制的系统，包括：用于制造物体的增材制造设备；控制所述设备的本地联网计算机；摄像机，其具有所述设备的制造空间的视角以产生所述物体的可网络访问的图像；逐层验证被用于检测打印过程期间所述物体的图像上的错误，其中所述逐层验证利用切片机产生在每个层被打印之后所述物体的预测性渲染；其中所述本地联网计算机被编程为基于对所述物体的图像的逐层验证，在自动识别出所述物体有缺陷时停止制造过程。2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个摄像机具有所述制造空间的固定视角。3.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个摄像机具有所述制造空间的自动控制的视角。4.如权利要求1所述的系统，其中所述图像为视频流。5.如权利要求1所述的系统，其中所述图像是静态的。6.如权利要求1所述的系统，其中所述增材制造设备为3D打印机。7.如权利要求1所述的系统，其中所述计算机还包括执行远程算法的一系列服务器端应用。8.如权利要求1所述的系统，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿方索·亚历山大·佩雷斯，克里斯多夫·迈克尔·海德，马特奥·佩纳·多尔，佛利斯特·W·彼佩尔，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US