[发明专利]增材制造设备的自动化过程控制

说明书

本申请要求2014年7月31日提交的使用申请第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。

背景技术

本发明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。

发明内容

本公开的发明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。

本发明还包括新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。

根据本发明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。