CN105818374A - 三维打印检查装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在制品的制造过程中检查制品(62)的三维打印装置和方法。材料沉积设备(16)沉积材料层以形成三维制品。构建设备(60)接收由所述材料沉积设备(16)沉积的所述材料。检查设备(72)被设置为在所述制品(62)形成时接近所述构建设备(60)并捕获所述制品(62)的每个相应层的图像。控制器将每个相应层的所述图像和数字模板进行比较以确定所述制品(62)是否被正确构造。所述制品在所述制品制造过程中被检查，而无需破坏性检查。

Description

三维打印检查装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用增材制造技术打印的三维制品的检查的装置和方法。特别是，本发明涉及一种用于使用增材制造技术形成的三维制品的检查的装置和方法，而无需制品的破坏性试验。
背景技术
在塑料零件制造中通过注塑或挤压来生产大批量和系列零件是常见的。塑料注塑的优点特别是由于复杂零件的几何形状的高精度生产，由此注塑工艺的功能性最佳地满足了塑料零件的成本有效和经济的生产的要求。
然而，个别单元和小批量塑料零件的需要持续增长，无论是否有在短时限之内供给的要求以及具具有与注塑零件类似的性能。存在制造工艺用于这些零件的生产，这些零件被广泛的所知为术语“原型(prototyping)”。这些零件的生产一般基于从三维数据的几何形状的生成。这些几何形状通过使用相应的材料生产为各种形式，例如粉末的可熔层，通过例如激光的热输入，通过例如打印工艺的生成系统，生产为粉末零件的各种组合，并使用“熔化线材(meltstrand)”工艺。
多种三维打印设备目前可用于从这种三维数据生产零件。三维(3D)打印指的是基于数字三维制品模型和材料分配器制造三维制品的工艺。在三维打印中，分配器根据确定的打印图案在至少二维中移动并分配材料。为了构建三维制品，调整保持被打印的制品的平台，使得所述分配器能够施加多个材料层。换言之，三维制品可通过打印多个材料层而被打印，一次一层。如果所述分配器在三维中移动，无需所述平台的移动。三维打印特征，例如速度、精度、色彩选择和成本，由于不同分配的机构和材料而变化。
由于在三维打印工艺过程中许多不同的参数必须进行适当的控制，对被制造的零件的检查是质量控制工艺的重要部分。特别是，确定所述零件的内部部件或特征是否是重要的。不像具有控制的模腔的传统模制工艺，如果控制参数变化，通过三维打印工艺制造的每个零件可以变化。当查看成品时，由于这些变化往往并不显而易见，必须对所述零件执行检查，以确定所述零件在适当标准之内。
使用三维打印工艺制成的零件的检查是人工完成的。内部结构和部件的检查目前通过破坏性工艺完成。一个目前可用的此种工艺将制成的零件切成非常精细的切片同时拍照。所述照片和所述切片厚度结合以形成一组数据点或点云。这些部分最终组合以形成所述零件的三维模型。然后将所述模型与所述期望零件的规格或数字模板进行比较，以确定所述零件是否已经被正确制造。
有利的提供一种检查装置和方法，其中，通过增材制造的零件可以被检查而无需破坏所述零件，增材制造包括但不限于三维打印工艺或选择性激光烧结。特别是，有利的具有质量控制工艺或检查工艺，该质量控制工艺或检查工艺在所述零件的制造过程中监控材料层的沉积，并将结果与所期望的数字模板或规格进行比较。
发明内容
解决方案通过本文所公开的一种三维打印装置提供，所述三维打印装置包括材料沉积设备、构建设备、检查设备、和控制器。所述材料沉积设备沉积材料层以形成三维制品。所述构建设备接收由所述材料沉积设备沉积的所述材料。所述检查设备设置在所述构建设备附近，且当所述制品形成时捕获所述制品的每个相应层的图像。所述控制器将每个相应层的图像与数字模板进行比较以确定所述制品是否被正确构造。
结合以举例的方式示出了本发明的原理的附图，本发明的其它特征和优点从以下优选实施例的更详细描述变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的说明性三维打印装置的透视图，其包括检查设备。
图2是说明性打印头和构建设备的示意图，两个检查设备设置在其附近。
图3是说明性可移动打印头和构建设备的示意图，检查设备设置在其附近。
具体实施方式
根据本发明的原理的说明性实施例的描述旨在与附图的关联阅读，该附图被认为是整个文字描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，任何对方向或取向的标记旨在为描述的方便，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及其变型(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对性的术语应解释为在描述时的或在讨论时如附图中示出的取向。这些相对性的术语仅是为了方便描述且不要求该装置在特定取向下构造或操作，除非明确指明是这样。诸如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“相互连接”以及类似的术语指的是其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接的关系，以及可移动的或刚性的附接或关系，除非另外明确说明。此外，本发明的特征和益处通过参考优选实施例而阐述。因此，本发明明确地不应当限于这些优选实施例，这些优选实施例示出了一些可能的非限制性的特征的组合，这些特征可单独存在或以其它特征的组合存在，，本发明的范围由所附的权利要求限定。
参见图1，示出说明性三维打印装置10。虽然三维打印装置10被示出，其他增材制造技术装置可被使用而不脱离本发明的范围，本发明涉及一种用于检查使用增材制造技术制造的零件或制品的系统和方法，增材制造技术例如但不限于，三维打印或选择性激光烧结。在所示的说明性实施例中，三维打印装置10包括材料接收区域或料斗12、增塑剂14和材料沉积设备16，材料沉积设备例如但不限于，打印头或排出泵。通常，三维打印装置10配置为允许宽范围的材料使用，以生产三维制品，材料例如但不限于聚合物，聚合物可包括但不限于，颗粒形式或其他研磨形式的填充聚合物。该材料还可以包括再研磨料(regrind)。可使用任意数量的其它材料，只要它们可通过排出泵16排出。
虽然示出仅一个三维打印装置10，其他类似的三维打印装置10可以加入和并联使用以提高生产率或提供额外的材料类型，例如支承材料或其它颜色。
三维打印装置10包括电动机和传动系传动装置18、卡盘20、螺旋推运器22、料斗12、未加热或冷却区域24、绝缘体26、加热区域或盒28以及包括喷嘴30的排出泵16。在所示实施例中，未加热区域24、绝缘体26和加热区域或盒28形成增塑剂14。三维打印装置10的更详细的描述在2014年10月3日提交的申请号为62/059380的同时待审的美国专利申请中被提供，该申请在此通过引用以其整体并入。
材料通过三维打印装置10移动到排出泵16。排出泵16被附接到喷嘴30或与喷嘴30集成。排出泵16是恒定或受控的流速泵，该泵用于供给喷嘴(多个喷嘴)30。在一个实施例中，排出泵16可以是小的齿轮泵。然而，虽然齿轮泵在维持压力和材料的流动中是有效的，齿轮泵在启动和停止功能过程中经受不一致的性能特征。
另一个实施例中，排出泵16可以是注射器型泵。注射器型泵保持恒定的流量而与背压无关。为了具有连续流动，可以使用双注射器系统，在这种情形下第二注射器填充而第一注射器挤压。可替代地，一个注射器可以用于计量用于单个通道所需要的量，然后第二个用作挤压注射器。
在另一个实施例中，排出泵16可以是精密螺杆泵。增塑剂可以供给该精密螺杆泵且这可以被用于产生正压和流量。
在所示实施例中，构建设备或构建板60设置为接近材料沉积设备16，接近材料沉积设备在所示的说明性实施例中是排出泵或打印头，并根据待制造的零件或制品在X-Y-Z方向上移动。在其他三维打印装置中，打印头16可被移动，或打印头16和构建板60的组合可被移动，以提供在X-Y-Z方向上所期望的移动。可替代地，三维打印装置可以具有替代的构建设备，例如但不限于，在2014年10月3日提交的申请号为62/059396的美国专利申请中描述的构建设备或构建杆，通过引用以其整体并入。构建板、构建杆和/或打印头16的移动由控制器70控制。
如最佳在图2和3中示出的，一个或更多检查设备72设置为接近构建设备60和打印头16的喷嘴30。该检查设备72可以是但不限于，光学设备(例如，照像机)、热成像设备或当打印层64沉积时能够检测打印层的特性的其它设备。在各种说明性实施例中，当打印层沉积时，照射源74可被提供用于照明打印层。当打印层沉积时，检查设备72设置为捕捉打印层的图像。一个或更多检查设备72可以根据打印层和待制造的制品或零件62的尺寸和复杂性而使用。检查设备72相对于打印头16和喷嘴30的设置可以根据构建设备60和待制造的制品或零件62的配置而变化。此外，检查设备72相对于构建设备60的设置可以根据构建设备60和待制造的制品或零件62的配置而变化。
由于每个打印层的厚度由三维打印工艺控制，由检查装置72所捕获的图像可以由控制器70编译并形成为表示从三维打印装置制造的实际零件或制品62的一组数据点或点云。检查装置72可以无线地或经由固定连接与控制器70通信，固定连接例如但不限于电线或电路路径。
检查设备72捕获在三维打印装置中制造的每个制品或零件62的每一个沉积层的数据或点云。数据或点云通过控制器70编译和分析以确定制造的零件或制品62的层是否具有需要丢弃零件或制品62的任何缺陷。控制器70将由检查设备72收集到的数字图像与零件或制品62的所期望的规格或数字模板进行比较，以确保适当的质量控制被保持。无需破坏性试验。
从检查设备72所获取的信息可由控制器70使用，通过调整在三维打印装置中的材料的流动、层与层对准、不同材料之间的对准以及其它工艺参数来控制三维打印工艺并提高零件或制品62的质量。此外，从检查设备72所获得的信息可以由控制器70使用以确定在打印工艺过程中在零件或制品62上是否发生错误或缺陷，例如但不限于翘曲，以允许打印工艺停止，节省打印时间和材料。
检查设备72还可以包括热成像设备。热成像允许在被制造或构建的零件或制品62之内的待识别的热点和冷点的检测。
从检查设备72所获取的信息可由控制器70使用以对工艺作出适当的修正。例如，获得的信息可被使用以防止打印层64和零件或制品62的翘曲。如果零件或制品62在打印过程中翘曲，当前打印层64将不与下面的层相同或匹配。随着检查设备72记录每个层64，控制器70将分析信息并确定翘曲是否已发生。如果翘曲被检测到，控制器70可随后停止打印工艺，允许故障零件62或层64被移除。控制器70还可以调整打印工艺以校正工艺以确保未来的层64和零件62正确打印。
虽然从检查设备72所获取的信息可由控制器70使用来检测打印工艺中的各种错误或者缺陷，其不限于与翘曲有关的缺陷。例如，如果零件或制品62从构建板牵引松开，控制器70将分析由检查设备72收集的数据以确定零件或制品62是否丢失或在错误的位置。当检测任何错误或缺陷时，控制器70可以停止三维打印工艺，允许故障或坏的零件或制品62被移除。当零件或制品62移除时，控制器70可以作出所需要的任何适当的修正且打印工艺可以继续，而不损坏其他零件。
在图3中所示的说明性实施例中，照像机72放置在三维打印头上方。每个打印层64完成之后，打印头如箭头76所示的退回足够长，用于照像机对整个打印区域的成像。打印区域包含所有沉积的打印层64。控制器70用于从先前存在的材料中分离新的层。然后结合来自三维打印机的层厚度信息以形成零件或制品62的三维点云。当打印完成时，点云可被集合为完整的三维模型并与数字检查印品或规格相比较。
两个或更多照像机可以用来构建立体图像，以构建打印层64的更好的三维图像。在每个层64有垂直的轮廓时，两个或更多照像机系统可以正确地检测轮廓。
使用设置在接近构建设备的检查设备允许每个沉积层和每个制造的零件或制品的检查，而无需破坏性试验或分析。此外，当检查设备集成到打印装置时，在零件或制品正被制造时，错误或缺陷的检测可以确定。这允许缺陷的零件或制品的制造立即被放弃，从而大大降低废料的数量，同时提高所制造的零件或制品的整体质量。
虽然本发明已经参照优选实施例进行了描述，但是本领域的技术人员应当理解的是，对于其元件可以进行各种变化，且可用等价物来替代，而不偏离本发明如所附权利要求限定的本发明的精神和保护范围。特别地，本领域技术人员清楚的是，本发明可以体现为其它具体形式、结构、布置、比例、尺寸、以及采用其它元件、材料和部件而不脱离其精神或本质特性。本领域的技术人员将认识到，本发明可以与结构、布置、比例、尺寸、材料、和部件的许多变型一起使用，且在本发明的实践中使用的其它方式特别适合于特定环境和操作要求使用，而不脱离本发明的原理。因此本公开的实施例在各方面考虑为说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定，而不限于前述描述或实施例。

Claims (13)

1.一种三维打印检查装置(10)，包括：
打印头(16)，用于沉积材料层以形成三维制品(62)；
构建设备(60)，用于接收由所述打印头(16)沉积的所述材料；
检查设备(72)，设置为接近所述构建设备(60)，在所述制品(62)形成时，所述检查设备(72)捕获所述制品(62)的每个相应层(64)的图像；
控制器(70)，将每个相应层(64)的所述图像与数字模板进行比较以确定所述制品(62)是否被正确构造。
2.如权利要求1所述的装置(10)，其中，所述检查设备(72)是捕获光学图像的设备。
3.如权利要求1所述的装置(10)，其中，所述检查设备(72)是捕获热图像的设备。
4.如权利要求1所述的装置(10)，其中，多于一个的检查设备(72)被设置为接近所述构建设备(60)。
5.一种检查由层(64)制成的制品(62)的方法，所述方法包括：
设置检查设备(72)接近所述制品(62)的层(64)；
紧接着每个层(64)的完成，捕获所述制品(62)的每个层(64)的数字图像；
将所述数字图像发送到控制器(70)；
将所述制品(62)的所述数字图像与数字模板进行比较以确定所述制品(62)是否被正确构造；
由此所述制品(62)在所述制品(62)的制造过程中被检查，而无需破坏性检查。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
将所述数字图像编译成三维模型。
7.如权利要求5所述的方法，还包括：
当所述层(64)通过打印头(16)沉积时，将所述检查设备(72)从接近所述制品(62)的所述层(64)退回。
8.如权利要求5所述的方法，还包括：
在每个相应层(64)已经沉积之后，将打印头(16)从接近所述制品(62)的所述层(64)退回，以允许所述检查设备(72)捕获每个相应层(64)的所述数字图像。
9.如权利要求5所述的方法，还包括：
如果所述数字图像与所述数字模板不一致，则停止所述制品(62)的制造。
10.如权利要求5所述的方法，还包括：
如果所述数字图像与所述数字模板不一致，则调整所述制品(62)的制造。
11.如权利要求5所述的方法，其中，所述数字图像是光学图像。
12.如权利要求5所述的方法，其中，多于一个的检查设备(72)被设置为接近所述制品(62)的层(64)。
13.如权利要求5所述的方法，其中，所述数字图像是热图像。
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