用于监视增材制造环境的装置、系统和方法与流程

用于监视增材制造环境的装置、系统和方法
本案为2018年10月13日递交的题为“用于监视增材制造环境的装置、系统和方法”的中国发明专利申请201880071457.8的分案申请。


背景技术：
技术领域
1.本公开涉及增材制造，并且更具体地，涉及一种监视增材制造环境的装置、系统和方法。背景说明
2.包括三维打印的增材制造已经不仅在打印技术的开发，而且例如产品研究和开发能力、原型制作能力和实验能力方面的开发构成了非常显著的进步。在可用的增材制造(统称为“3d打印”)技术中，材料熔融沉积(“fdm”)打印是已经开发的最重要类型的3d打印之一。
3.fdm是一种增材制造技术，其允许在逐层的基础上创建3d元件，从印刷元件的基底或底层开始，并且通过使用例如加热和将热塑性细丝挤出到连续层中来印刷到顶层或最后一层。简单地说，fdm系统包括打印头部，材料细丝从该打印头部被供给到加热的喷嘴；在x-y平面中移动打印头部的x-y平面控制模板；和打印平台，基底在该打印平台上被打印，并且该打印平台在打印连续层时在z轴中移动，。
4.更特别地，fdm打印机喷嘴将从打印头部接收的热塑性细丝加热成半液态，并且沿着为构造元件的每个连续层而提供的x-y平面挤出路径计划以可变尺寸的珠粒/迹线沉积半液态热塑性塑料。印刷的珠粒/迹线的尺寸可以是基于部件或部件的方面的，然后被印刷。此外，如果需要用于部件的方面的结构支撑，则由fdm打印机打印的迹线可包括可移除的材料以充当一种脚手架来支撑需要支撑的部件的方面。因此，fdm可用于构造实验或功能部件的简单或复杂几何形状，例如用于原型制作、小批量生产、制造辅助等。
5.然而，由于影响fdm(特别是影响fdm工艺的打印速度、质量和效率)的多种因素，fdm在更广泛的应用(例如中等到大批量生产)中的使用受到严重限制。如所提及的，在fdm打印中，通常将加热的热塑性材料从加热喷嘴向外挤压到打印板/平台或正在生产的零件的先前层上。喷嘴根据预先输入的几何形状通过打印头部的机械的x-y平面调节来回移动，例如所述几何形状可以被输入到处理器以控制机械的移动以形成所需的部件。
6.在典型的fdm打印过程中，打印是“开环”的，至少因为没有提供反馈，使得当出现瑕疵时可以正确地修改打印，或者使得当出现致命的瑕疵时可以停止打印。例如，在公知的fdm打印中，部件可至少部分地从构造板断裂是典型的。作为特定的例子，在公知技术中，在这种致命的打印缺陷出现时，打印机通常将继续打印，直到在打印喷嘴的端部周围形成热塑性材料的球，该球可能包围打印头部，从而损坏或甚至毁坏打印机。在现有技术中可能出现其它显著或致命的打印缺陷，例如产生“鼓包”，其中打印头部不能正确地关闭并产生一系列可能在打印构造周围“流动”的串。
7.由于前述打印缺陷的发生频率，通常需要大量设置来参与增材制造打印。例如，因为渗色和滴珠是频繁的，由此在印刷品构造上可能不期望地产生“突起”或隆起，所以通常提供无数的设置以便提供期望的印刷机开启、关闭、热量水平等。此外，可能需要与喷嘴或打印头部无关的其它设置，例如用于构造板的精细温度控制，使得构造板温度不会变得过高并因此使打印构造变形。
8.因此，需要一种用于至少监视fdm增材制造环境的装置、系统和方法。


技术实现要素：

9.所公开的示例性装置、系统和方法至少提供用于打印服务器的控制器，所述打印服务器在增材制造打印机上执行至少一个增材制造打印过程。所公开的实施例可以包括能够监视由增材制造打印产生的增材打印构造的构造周长、构造高度和构造体积中的至少一者的多个传感器；至少一个处理器，所述至少一个处理器与所述打印服务器相关联并且能够从所述多个传感器接收关于所述监视的传感器数据，并且包括用于将指示所述增材打印构造的打印过程计划应用于所述传感器数据的非暂时性计算代码；比较器，其嵌入在所述非暂时性计算代码中，用于评估所述增材打印构造对所述打印过程计划的顺应性的缺乏；以及所述增材制造打印的至少一个修改的输出，适于修正所述增材打印构造对所述打印过程计划的顺应性。
10.因此，所公开的实施例提供了用于至少监视fdm增材制造环境的装置、系统和方法。
附图说明
11.所公开的非限制性实施例是参照所附附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
12.图1是增材制造打印机的图示；
13.图2是示例性增材制造系统的图示；
14.图3示出了示例性多路复用的传感器增材制造系统；
15.图4示出了具有匹配的传感器对的示例性增材制造系统；
16.图5示出了具有相机传感器的示例性增材制造系统；
17.图6示出了具有飞行时间传感器的示例性增材制造系统；以及
18.图7示出了示例性计算系统。
具体实施方式
19.本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似设备、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的设备、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不促进对本公开的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变型和修改。
20.在全文中提供实施例，使得本公开充分清楚并且将所公开的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施实施例。因此，实施例不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施例中，可能没有详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
21.本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是旨在进行限制。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所公开的方面或与所公开的方面结合。
22.当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，除非另外清楚地指出，否则其可以直接在另一元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接耦合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“位于
……
之间”与“直接位于
……
之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列特征任何和所有组合。
23.此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
24.为了解决上述打印缺陷而不需要大量可选择的打印设置，实施例至少提供了使用各种传感器的打印构造体积监控。例如，实施例中的传感器可以包括光学传感器、基于相机的传感器、飞行时间传感器、周界传感器等。一个或多个前述传感器可以监视构造体的方面，例如构造体的总面积、构造体的周长、构造体的形状、构造体的高度和/或构造体的层，以及关于构造体的离散部分的前述方面。
25.更具体地，例如，相机可以具体地监视打印构造体积的一个或多个方面。同样，光学传感器可以瞄准构造的外周界的一个或多个方面。飞行时间传感器可以监视出射光和反射光，从而进行与构造体相关的距离和尺寸评估。前述传感器系统中的多者的组合可以提供在可用技术中迄今未知的非常水平的构造体监视。例如，整个构造体及其所有方面和所有模式可以使用如本文通篇讨论的多模式构造体监视系统来监视。
26.当传感器监视构造时，从来自传感器的反馈获得的数据可以使得能够修改所述构造，例如以允许由打印机执行的校正动作。这样的校正动作可以包括修改构造计划以考虑和校正微小缺陷，或者在检测到构造中的致命缺陷的情况下停止构造。如本领域技术人员
将理解的，传感器数据、由该传感器数据评估的反馈和由该传感器数据产生的反馈以及由该传感器数据产生的打印动作的使用可以是由与打印机和传感器连接地关联的控制系统应用的算法的结果。
27.例如，边缘监视系统可以与严重故障算法相关联，如果传感器指示由至少一个边缘传感器评估的打印构造的一部分破损，则该严重故障算法使得打印系统停止以防止对打印机造成损坏。或者，边缘监视系统可以评估构造质量，例如其中在特定算法指示的容差内允许边缘杂散，并且在接近或超过那些容差的情况下，可以修改打印计划以减少特定边缘点的构造量，直到边缘校正已经发生使得构造落在可允许容差内。
28.此外，甚至简单化的严重故障构造监视也可用于评估各种更小的打印缺陷，诸如喷嘴堵塞。这是因为即使简单化的监控系统也可以允许评估在打印计划指示打印机应当放置添加材料的位置处没有提供添加材料，从而指示可能已经发生喷嘴堵塞。
29.更具体地，可以提供算法以将构造与打印计划进行比较，并且评估在打印计划的容差内和容差外的增量。这种监控的方式以及增量的水平可以是所采用的传感器和算法的函数并且由所采用的传感器和算法来指示，即，传感器和算法的组合指示是否提供针对校正动作的构造修改，或者是否在某些事件发生时在严重故障的情况下停止打印。作为非限制性示例，整体构造、逐层构造高度、构造周界或其他构造方面可以在算法上“像素化”，使得其微小方面的离散监视可以由传感器执行，并且根据需要采取目标校正动作。
30.图1是示出示例性fdm打印机106的框图。在图示中，fdm打印机106包括x-y轴驱动器20，其适于在二维平面中(即沿着x和y轴)移动打印头部22，从而移动打印喷嘴26。如从图1中明显看出的，在加热的打印材料从打印喷嘴26沿着相对于x-y驱动器20的x-y平面移动的z轴向外流动并且流动到构造板24上时，可发生打印，从而打印材料层30可从打印喷嘴26沿着由x-y驱动器20指定的路径提供以形成打印构造101。
31.图2示出了对来自打印服务器102的指令的执行具有高级和精细控制以在fdm打印机106上执行增材制造打印过程104的设备和系统100。该高级或精细控制回应一个或多个构造体监视算法104a(其是增材制造打印过程104的一部分，并且其与一个或多个传感器110集成)以用于执行算法104a所需的一个或多个特定类型的感测。
32.这样，高级109或精细控制111从打印服务器102接收作为增材制造打印过程104的一部分的“构造计划”，并且构造计划包括增材制造打印过程104内的一个或多个算法104a，其可以各自包括针对构造计划的一个或多个方面的一个或多个容差。(一个或多个)算法104a还可以包括在基于(一个或多个)传感器110做出的指示由算法104a评估出对接近或超过容差中的一者或多者时，对增材制造打印过程104的修改或停止中的任一者或两者。打印服务器102因此能够基于由算法104a进行的评估来修改由fdm打印机106执行的构造计划。这样，增材制造打印过程104、打印服务器102和传感器110形成构造体监视系统。
33.更具体地，关于传感器110，每个传感器110生成通过构造体监视系统循环的传感器数据110a，使得传感器数据110a可以由算法104a分析以应用于增材制造打印过程104。值得注意的是，传感器110可以具有或不具有对算法104a所应用的容差的任何“意识”。所采用的传感器110可以包括以下中的一个或多个：离散传感器(例如单个地或以阵列形式)，其中离散传感器可评估存在/不存在状况；单个或多个相机，其可以具有或不具有与其相关联的特定灯光；飞行时间成像器；热成像器；或者前述方法中的两者或更多者的并行或组合实
现，其作为非限制性示例。各种传感器技术可以另外包括透射和/或反射感测，例如空间映射感测，例如可以使用由vis-cmos生成的像素。
34.一旦构造体监视系统分析来自传感器110的数据110a，就通过(一个或多个)算法104a将数据110a与增材制造打印过程104的容差进行比较。只要保持容差，构造体监视系统可以不对增材制造打印过程104进行修改。然而，如果由数据110a指示的打印构造已经偏离过程计划104，使得接近或超过容差，则由算法104a指示的精细控制可以修改打印计划104并发送到打印机106，以便修改构造以重新获取容差。此外，如果来自算法104a的反馈指示构造计划明显超出容差，则高级控制可暂停打印以允许手动校正动作，或者可停止fdm打印机106以防止损坏。
35.因此，实施例中提供的容差控制和容差的细节水平可以至少部分地取决于构造体监视系统使用的传感器110。例如，可以采用相机，诸如结合灯光源，以提供传感器监视。更具体地，可以使用阵列和/或立体相机，诸如结构化灯光(与诸如暗/亮条纹灯光)一起使用，以进行构造体评估。此外，飞行时间传感器可放置在构造区域的角落中，以便允许飞行时间传感器观察部件增长，同时监视打印头部和打印喷嘴26的性能。因此，在一定程度上，阵列和/或立体相机、或飞行时间传感器、或其他传感器评估拉丝、突起、滴珠(glob)、畸形、或严重故障，构造体监视系统可向fdm打印机106提供反馈以执行必需的功能，从而参与构造修改、暂停或停止。
36.根据这里的讨论，将理解，某些类型的传感器110可以通过倍增使用相同或不同类型的传感器110而具有显著增强的性能。例如，通过在非常大量的传感器帧上平均数据，可以显著地改进飞行时间感测。此外并且作为非限制性示例，多个飞行时间成像器(诸如每个具有其自己的照明)；或具有单个照明器的多个飞行时间成像器；或者具有多个照明器的单个飞行时间成像器；或者具有单个光源的单个相机；或具有单个光源的相机阵列；或者具有多个光源的单个相机；或具有多个光源的相机阵列，都可以提供显著增强的数据集，其允许以如通篇所讨论的高级(暂停/停止)和精细(调整/修改)控制中的一个或两者来操作。
37.此外，增强数据集110a可以用更有限数量的传感器110来获得，诸如通过使用多路复用。例如且如图3中所示，传感器100可以是发射器110-1-检测器110-2传感器对，其可以是时间多路复用的。其中发射器110-1以200千赫兹、210千赫兹或220千赫兹的频率进行发射，使得每一检测器110-2可基于频率确定所接收的发射是从哪一发射器110-1发送的。由此，通过每个单个发射器110-1可以提供穿过构造体的多条视线，当然，多路复用还可以帮助增强除了光学传感器对110-1、110-2之外的数据集110a，诸如在与rgb相机一起使用的情况下，诸如使用光谱变化，诸如使用光谱变化的发射器和检测器对等，作为非限制性示例。
38.值得注意的是，使用传感器110可以发生两种形式的监视，即过程监视(其可以主要在打印头部22和/或打印喷嘴26处执行)和贯穿全文讨论的构造体监视。如这里所使用的，构造体监视可以用于评估打印构造体101本身的方面，例如，作为非限制性示例：部件的移动或破损，或其它严重故障；印刷构造110的质量(例如部件的周长、部件的层的高度、部件或其每层的形态或痕迹(footprint)，包括任何拉丝、渗料、突起(nipple)等)；以及基于缺少正在进行的构造101的可能的打印机故障(诸如喷嘴堵塞、喷嘴故障、打印头部故障等)。
39.图4示出了构造体监视系统300的特定示例。在图4中以举例方式示出的特定实施
例中包括印刷头22、构造板24和两个分立的发射器-检测器对302-1/302-2、304-1/304-2。这些发射器/检测器对302-1/302-2、304-1/304-2可以是，作为非限制性实例，分立的或阵列的反射和透射发射器检测器对。此外，如本文所述，这些发射器/检测器对302-1/302-2、304-1/304-2可在单个阵列内、跨成对的通路阵列等多路复用。此外，如本文所讨论的，多路复用可以包括用于给定的一个或多个发射器的多路径检测的任何类型的已知多路复用。
40.在图4中说明性示出的某些实施方案中，离散的发射器/检测器对302-1/302-2、304-1/304-2可以在构造板24的边缘/外周界限101a、b、c、d中的一些处监视构造板上的构造体101，例如包括“前”和“后”边缘101a、b以及“顶”和“底”边缘101c、d，例如可以采用关于构造板24的。此外，可以相对于打印头部22进行该边缘监视，例如以便保持打印头部22和打印喷嘴26的打印与构造部件101之间的相关检测。
41.图5示出了构造体监视系统400的实施例。图5的图示包括打印头部22、构造板24和2个“bvm”相机传感器402、404。值得注意的是，bvm相机传感器402、404可以与照明源(未示出)配对，以便帮助相机(一个或多个)的正确操作。bvm相机传感器402、404可以是离散的或阵列的，并且除了具有离散的和/或结构化的照明源之外，bvm相机传感器402、404还可以被布置以便提供正交解释、立体解释等(其通过非限制性示例的方式)。
42.图6示出飞行时间构造体监视系统500。如图6所示，示例性飞行构造体监视系统500可包括打印头部22、构造板24和具有飞行时间视场504的至少一个飞行时间传感器502。应当理解，可以使用单个或多个飞行时间成像器502，并且可以与单个或多个照明器子系统(未示出)配对。此外，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不管一个或多个飞行时间传感器502的布置如何，打印构造101都应当保持在飞行时间视场504内。另外注意，飞行时间构造体监视系统500的使用可以带来比本文讨论的构造体监视的其他方法的成本更高的边际附加成本。
43.根据本文的讨论，本领域技术人员将理解，传感器实施例不限于以上公开和讨论的那些。此外，将理解，如本文所讨论的包括构造体监视算法的处理和控制的实现可使用本地或远程计算机处理来发生。因此，所公开的系统和方法可以具有诸如有线或无线的网络连接性，或者可以不具有这样的连接性。此外，网络能力不仅可以允许应用来自远程计算机处理器的用于构造体监视的算法，而且可以另外允许基于在远程位置处的数据接收从那些远程位置进行手动过程调整的可用性。
44.图7描绘了与本文描述的系统和方法结合使用的示例性计算系统1100。计算系统1100能够执行软件，例如操作系统(os)和/或一个或多个计算应用1190(例如应用本文讨论的算法104a的应用)，并且可以使用经由i/o端口获得的数据(例如传感器数据)，来执行这样的应用。
45.示例性计算系统1100的操作主要由计算机可读指令控制，诸如存储在诸如硬盘驱动器(hdd)1115、诸如cd或dvd等光盘(未示出)、诸如usb“拇指驱动器”等固态驱动器(未示出)等计算机可读存储介质中的指令。这些指令可以在中央处理单元(cpu)1110内执行，以使计算系统1100执行本文所讨论的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、个人计算机等中，cpu 1110在称为处理器的集成电路中实现。
46.可以理解，尽管示例性计算系统1100被示为包括单个cpu 1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个cpu 1110。另外，计算系统1100可以例如通过通信
网络1170或一些其他数据通信手段来利用远程cpu(未示出)的资源。
47.在操作中，cpu1110从计算机可读存储介质(例如hdd1115)，获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在诸如操作系统(os)、可执行程序等的软件中。诸如计算机指令和其他计算机可读数据的信息经由计算系统1100的主数据传输路径在计算系统1100的组件之间传输。主数据传输路径可以使用系统总线架构1105，尽管可以使用其他计算机架构(未示出)，诸如使用串行器和解串器以及纵横开关以通过串行通信路径在设备之间传送数据的架构。系统总线1105可以包括用于发送数据的数据线、用于发送地址的地址线、以及用于发送中断和用于操作系统总线1105的控制线。一些总线提供总线仲裁，该总线仲裁通过扩展卡、控制器和cpu 1110来调节对总线的访问。
48.耦合到系统总线1105的存储器设备可以包括随机存取存储器(ram)1125和/或只读存储器(rom)1130。这种存储器包括允许存储和检索信息的电路。rom 1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在ram 1125中的数据可以由cpu 1110或其他硬件设备读取或改变。对ram 1125和/或rom1130的访问可以由存储器控制器1120控制。存储器控制器1120可以提供地址转换功能，其在执行指令时将虚拟地址转换成物理地址。存储器控制器1120还可以提供存储器保护功能，该功能隔离系统内的进程并且将系统进程与用户进程隔离。因此，在用户模式下运行的程序通常只能访问由其自身进程虚拟地址空间映射的存储器；在这种情况下，程序不能访问另一进程的虚拟地址空间内的存储器，除非已经建立了进程之间的存储器共享。
49.另外，计算系统1100可以包含外围通信总线135，其负责将指令从cpu 1110传送到外围设备和/或从外围设备接收数据，所述外围设备诸如外围设备1140、1145和1150，其可以包括打印机、键盘和/或本文通篇讨论的传感器。外围总线的一个例子是外围部件互连(pci)总线。
50.由显示控制器1155控制的显示器1160可以用于响应于上述计算程序的操作，显示由计算系统1100生成或应计算系统1100请求而生成的视觉输出和/或呈现。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。显示器1160可以用基于crt的视频显示器、基于lcd或led的显示器、基于气体等离子体的平板显示器、触摸面板显示器等来实现。显示控制器1155包括生成被发送到显示器1160的视频信号所需的电子组件。
51.此外，计算系统1100可以包含网络适配器1165，其可以用于将计算系统1100耦合到外部通信网络1170，其可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络1170可以向计算系统1100提供用户访问，其具有电子地通信和传送软件和信息的装置。另外，通信网络1170可以提供分布式处理，其涉及若干计算机以及在执行任务时的工作量或协作工作的共享。可以理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算系统1100和远程用户之间建立通信链路的其他手段。
52.网络适配器1165可以使用任何可用的有线或无线技术来与网络1170进行相互通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、wi-fi、蓝牙或红外等。
53.可以理解，示例性计算系统1100仅示出了此处所描述的系统和方法可在其中操作的计算环境，并且不限制此处所描述的系统和方法在具有不同组件和配置的计算环境中的实现。也就是说，本文描述的发明概念可以在使用各种组件和配置的各种计算环境中实现。
54.在上述详细描述中，为了本公开的简洁，各种特征可以在各个实施例中组合在一
起。这种公开方法不应被解释为反映了任何上述要求保护的实施例需要比明确记载的特征更多的特征的意图。
55.此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的实质或范围的情况下应用于其他变型。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。