CN109074230A - 3d打印的管理 - Google Patents

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Abstract

根据一方面，提供了一种控制3D打印系统的管理系统，3D打印系统包括至少一个3D打印机、至少一个构造单元和至少一个材料处理单元，可通过所述3D打印机在所述构造单元中生成3D物体，并且可在所述构造单元上执行所述材料处理单元中的处理操作。所述管理系统包括处理器，用于：从所述3D打印系统的至少一些元件获取状态数据；获取与待打印的打印任务有关的数据；由获取的数据确定待由所述3D打印系统的元件执行的操作的调度；并且生成控制数据，以允许确定的所述调度的强制实施。

Description

3D打印的管理
背景技术
增材制造系统通常被称为3D打印系统，可用于通常少量地生成特定类型的物体。目前，比如注塑的传统制造技术可被视为对于大量生成特定类型的物体而言是更有效率的。
附图说明
现在将参照附图、仅以非限制性举例的方式描述各实施例，附图中：
图1是根据一实施例的一种3D打印系统的框图；
图2是概括了一种示例性工作流程的流程图，3D打印系统可根据该工作流程操作；
图3是根据一实施例的一种3D打印管理系统的框图；
图4是概括了根据一实施例的一种操作3D打印管理系统的方法的流程图；
图5是根据一实施例生成的调度的示意图；
图6是根据一实施例生成的调度的示意图；
图7是根据一实施例的一种3D打印机的框图；
图8是概括了一种根据调度数据控制3D打印机的操作的示例性方法的流程图；
图9是根据一实施例的一种材料处理单元的框图；并且
图10是概括了一种根据调度数据控制材料处理单元的操作的示例性方法的流程图。
具体实施方式
随着高速且高品质的3D打印系统的可用性的增加，3D打印机替代至少一些传统制造技术的前景也更好了。然而，为了推进工业制造空间中3D打印的大规模采用，必须增加此类3D打印系统的竞争力。
惠普公司(HP Inc.)在2016年5月17日揭晓了一种示例性的3D打印系统。揭晓的该3D打印系统包括3D打印机、构造单元和材料处理单元。构造单元是一种模块，3D打印机使用存储在该构造单元中的构造材料生成3D物体。构造单元内的材料可能是通过材料处理单元加载到该构造单元中的。材料处理单元还用于在通过3D打印机处理材料之后将未熔融的材料从构造单元移除，并且还允许移除完成的3D打印物品。可通过材料处理单元回收未熔融的材料以进行再利用，从而进一步生成3D物体。
由于其模块化性质，上述3D打印系统可用于各种各样的配置中，从小型原型环境到高生产力工业环境。
在此描述的是一种3D打印管理系统的实施例，其有助于增加此类3D打印系统的生产能力。此类管理系统将特别用于使用了多个元件的配置中，比如多个构造单元、多个3D打印机和/或多个材料处理单元。
现在参照图1，其示出了根据一实施例的一种3D打印系统100。该3D打印系统100包括一个或多个3D打印机102a-102n、一个或多个材料处理单元104a-104n、一个或多个构造单元106a-106n以及管理系统108。
3D打印系统中的上述三个元件，即，3D打印机、构造单元和材料处理单元，是独立元件。独立元件意味着各个元件之间可能不存在物理连接。在各实施例中，各个元件之间可能不存在直接通信的可能性。
下文中额外参照图2描述了关于该3D打印系统100可如何操作的示例性工作流程。在此实施例中，仅描述了单个3D打印机、单个构造单元和单个材料处理单元。
在步骤202中，将空的构造单元106插入材料处理单元104。
在步骤204中，材料处理单元104将构造材料加载到构造单元106中。材料处理单元104可能先前已被供给了适当的构造材料，例如，由一个或多个构造材料容器提供的。构造材料可为适于由3D打印系统进行处理的任意适当的构造材料。在一实施例中，构造材料可为粉末状热塑材料，比如PA11或PA12。在另一些实施例中，可使用粉末状金属、粉末状陶瓷以及其他适当的粉末状构造材料。
3D打印机102可能能够在加载有不同类型的构造材料的构造单元(例如，在任何时候，每个构造单元加载有单一类型的构造材料)中生成3D物体。材料处理单元104还可用于处理不同类型的构造材料，但在一实施例中，材料处理单元104一次可仅处理一种类型的构造材料，从而避免不同类型的构造材料之间的污染。
在步骤206中，将构造单元106从材料处理单元104移除。
在步骤208中，将构造单元106插入3D打印机102。
在步骤210中，3D打印机102执行打印任务，以在构造单元中生成一个或多个物体。
在步骤212中，当已经执行了打印任务时，将构造单元106从3D打印机移除。
在步骤214中，可允许例如使用自然冷却冷却构造单元106的所容纳之物。然而，在一些实施例中，可省略自然冷却阶段，并且在另一些实施例中，自然冷却阶段可用于将构造单元的所容纳之物的温度降低预定量，例如，降低量在约5-20％之间，在约5-50％之间，或者在约5-95％之间。
在步骤216中，将构造单元插入材料处理单元。
在步骤218中，材料处理单元用于从构造单元中提取未熔融的构造材料，并且允许移除构造单元中的3D打印的物体。
构造单元106是可移动的单元，可在3D打印机102与材料处理平台104之间移动。目前，构造单元106可由用户手动移动，但也可使用已知的比如电动机器人的自动系统来自动地移动构造单元。
在仅具有单个构造单元106、单个3D打印机102和单个材料处理单元104的3D打印系统中，对工作流程的控制是相对直截了当的。
使用单个构造单元106，当将该构造单元106插入该3D打印机102和该材料处理单元104中的任一时，该3D打印机102和该材料处理单元104中的任一可以是闲置的。如果3D打印机102花费例如约5-10小时完成3D打印任务(取决于例如构造单元中构造容积的大小)，这会导致材料处理单元104的大量闲置时间。类似地，如果在材料处理单元104中花费例如1小时处理该构造单元106，则3D打印机102在此时间中是闲置的。
将多个构造单元106添加至3D打印系统100使得能够提高生产能力，这是因为，例如，一个构造单元可正由3D打印机102处理而另一构造单元正由材料处理单元104处理。添加其他构造单元106使得能够进一步提高生产能力，并且有助于减少3D打印系统中元件的闲置时间。
将多个3D打印机102和多个构造单元106添加至3D打印系统100使得能够通过允许例如多个构造单元同时分别由不同的3D打印机处理而进一步提高生产能力。
将多个材料处理单元104、多个3D打印机102和多个构造单元106添加至3D打印系统100也能够进一步提高生产能力。以此方式，每个材料处理单元104例如可与不同类型的构造材料一起使用，这进一步提高了此类3D打印系统的吸引力。
然而，对3D打印系统100添加额外的元件增加了管理工作流程的复杂性。还会因例如将加载有第一类型构造材料的构造单元插入使用不同类型构造材料的材料处理单元而增加犯错的可能性。而且，使多个相同或类似外观的构造单元具有不同的操作状态(比如，已加载有构造材料；已由3D打印机处理过；处于自然冷却的不同阶段；等待由材料处理单元处理；等等)进一步复杂化了工作流程管理。
如下所述并且如图3中进一步详细所示，管理系统108的目标在于简化打印系统100内的工作流程管理。管理系统108还可允许以高效率水平操作3D打印系统。管理系统108包括处理器302，比如微处理器。处理器302例如经由适当的通信总线(未示出)连接至存储器304。存储器304存储处理器可理解的3D打印系统管理指令306，当由处理器302执行时、指令306引起处理器302控制3D打印系统100中的元件，如下详细所述。应意识到的是，管理系统108还可包括额外的元件，比如用户接口、视觉显示单元、电源等等，其出于清楚目的而未示出。
管理系统108还可包括存储器308，用于存储与3D打印系统100中不同元件的状态有关的数据。在一实施例中，该存储可为管理系统108内存储器304的一部分。在另一实施例中，该存储器308可为可由管理系统108经由适当的通信网络访问的分立的存储或数据库的一部分。例如，该存储器308可位于3D打印系统100内，或者可位于远程位置并且可经由因特网或其他通信网络访问。
现在将参照图4中的流程图描述3D打印系统100的示例性操作。
在步骤402中，管理系统108的处理器302执行指令306，以从3D打印系统100中的至少一些元件获取状态数据。
如将意识到的是，存在可获取此类状态数据的多种方式。例如，管理系统108可与3D打印系统100中的元件以有线或无线方式通信，并且可要么直接请求数据、要么例如通过合适的应用程序接口(API)或其他直接轮询机制提取数据。此类数据还可从3D打印系统100中的不同元件直接发送或推送给管理系统108。此类数据还可通过3D打印系统100中的不同元件发送给中间存储元件，比如基于云或网络的存储设施，该管理系统108可从该中间存储元件间接获取状态数据。在一些实施例中，可使用直接和间接以及推送或提取机制的混合。如在此使用的，术语“获取数据”旨在覆盖用于获取数据的任意适当机制。
例如，在当前实施例中，3D打印机102和材料处理单元104可连接至局域网(LAN)，或者可连接至广域网(WAN)，比如因特网。
管理系统108从3D打印机102获取状态数据。状态数据可包括以下非限制性实施例中的任一或全部：打印机标识符；打印机的操作状态(例如，打印、闲置、等待维护等等)；如果正在打印，则估计打印结束时间；以及打印机可操作的构造材料的类型。
管理系统108还从材料处理单元104获取状态数据。状态数据可包括以下非限制性实施例中的任意或全部：材料处理单元的标识符；单元的操作状态(例如，使用中、闲置、等待维护等等)；如果在使用中，则估计结束时间；以及材料处理单元中加载的构造材料的类型。
管理系统108还从构造单元106获取状态数据。状态数据可包括以下非限制性实施例中的任一或全部：构造单元的标识符；单元的操作状态(例如，准备打印、插入打印机中、插入材料处理单元中、未插入打印机或材料处理单元中、正在冷却中等等)；构造单元中加载的构造材料类型。
在一实施例中，构造单元106使用适当的无线通信模块来传输和接收数据。在另一实施例中，构造单元106不具有电子通信能力，在这种情况下，可直接或间接获取构造单元106的状态数据，要么是在构造单元106被插入3D打印机102中时、要么是在构造单元106被插入材料处理单元104中时。例如，3D打印机102和材料处理单元104可将与构造单元106有关的数据发送给管理系统108，或者使该数据对于管理系统108可用。
在另一实施例中，例如可由用户通过合适的计算装置的适当的用户接口手动获取构造单元106的状态，该用户可手动输入构造单元的标识符或者扫描条形码、RFID标签或其他与构造单元相关联的适当的电子标识。构造单元106的状态数据可在便携式计算装置上手动输入，并且随后被传输给数据存储器308。
在步骤404中，管理系统108的处理器302执行指令306，以获取与正打印的打印任务有关的数据。在一实施例中，3D打印系统102被配置为使得待由3D打印机打印的打印任务被初始地发送给管理系统108，而管理系统108又可例如在确定的时间、根据确定的调度、将该打印任务传输给3D打印系统100中合适的3D打印机。在一实施例中，管理系统108可存储该打印任务或者与该打印任务的链接，直至将其发送给3D打印机。在另一实施例中，3D打印系统102可被配置为使得该打印任务可被直接发送给选定的3D打印机，而与该打印任务有关的元数据也被发送给管理系统108或者对于该管理系统108可用。
由此，管理系统108还获取与待由3D打印系统中3D打印机打印的打印任务有关的数据或元数据。打印任务数据可包括以下非限制性实施例中的任一或全部：打印任务标识符；待使用的构造材料(例如，材料类型、新鲜的构造材料与回收的构造材料的可接受比例或期望比例)；构造容积的大小；待打印的物体的数量；打印后的预估或期望冷却时间；紧急度指示；以及待执行的任意处理后操作的细节。
在步骤406中，管理系统108确定待由3D打印系统100中不同元件执行的操作的调度。
例如，管理系统108可确定：应在给定的3D打印机102中给定的构造单元106中打印给定的打印任务，并且应由给定的材料处理单元104执行构造单元106的后处理。除了确定操作顺序之外，管理系统108还可确定与至少一些操作有关的时序数据。在一实施例中，管理系统108生成与3D打印机和材料处理单元二者有关的调度数据。例如，管理系统108可调度构造单元以在第一时间帧中在给定的3D打印机中使用该构造单元，并且可调度该构造单元以在不同于该第一时间帧的第二时间帧中在给定的材料处理单元中使用该构造单元。
在步骤408中，管理系统108确定控制数据，以允许强制实施确定的调度。在一实施例中，控制数据可被传输给3D打印系统100中的至少一些元件。在另一实施例中，控制数据可被存储在存储器308中，3D打印系统100的元件可访问该存储器308。以此方式，例如，材料处理单元可由该控制数据确定当前时间是否可处理该构造单元。
图4中概括的示例性过程是可规律并且重复执行的连续过程，以使得管理系统108具有与3D打印系统100中不同元件有关的最新可用数据。
现在将描述根据上述实施例的详细工作流程。在此实施例中，3D打印系统100包括两个3D打印机102a和102b、四个构造单元106a、106b、106c和106d以及一个材料处理单元104a。图5示出了先前由管理系统108基于由3D打印系统100中的元件获取的数据确定的处理调度500的示例性可视化。
图5示出了3D打印系统100中每个元件的一行，并且沿着X轴示出了时间线。例如，第一行504代表用于第一3D打印机的调度，而第二行506代表用于第二3D打印机的调度。第三行508代表用于第一材料处理单元的调度，而第四行510代表用于第二材料处理单元的调度。第五行512代表用于第一构造单元的调度，第六行514代表用于第二构造单元的调度，而第七行516代表用于第三构造单元的调度。
以浅阴影示出了正在进行中或者已经完成的处理操作，并且以深阴影示出了未来的调度操作。当前时间(07:00)由虚线502表示。未来调度操作可由管理系统108重新调度从而将可能已接收到的新的打印任务考虑在内，或者通过3D打印系统中元件状态的其他变化而重新调度。
在以下表格中示出了调度500中所示数据的概要：
如果在07:00时接收到新的打印任务(例如，在上述步骤404中)，则管理系统确定(在步骤406中)如何将新接收到的打印任务调度到现有调度中。
例如，新的打印任务PJ2指定使用PA11构造材料打印，这意味着其仅可由材料处理单元1处理(因为材料处理单元2被配置的是PA12构造材料)。管理系统108必须确定分配给打印任务PJ2的构造单元，并且如图5中调度所示，第一可用构造单元是构造单元3，其在08:00之后空闲。
然后，管理系统108确定更新的调度，如图6所示。由此可见，管理系统108计划由材料处理单元1对构造单元1加载PA11构造材料，并且计划将构造单元3传递给打印机1，打印机1中正进行的打印预计在18:00时结束。在18:00，管理系统108计划将构造单元1传递给材料处理单元1，可在该处冷却构造容积并且移除3D打印的物体。
图5和图6中所示调度的确定方法可通过多种方式、使用任意适当的调度算法执行。
在一实施例中，与打印任务相关的数据包括紧急度数据或其他时序数据，其可表示应如何将打印任务集成到当前确定的调度中。例如，如果新接收到的打印任务具有低紧急度指示，则管理系统108可调度该打印任务，以在调度中所有当前打印任务全部结束之后执行该打印任务。然而，如果新接收到的打印任务具有高于其他还未开始处理的打印任务的紧急度，则管理系统108可更新确定的调度，以使得可调度该新接收到的打印任务从而在处理具有较低优先级的其他打印任务之前处理该新接收到的打印任务。
然而，如步骤408中所述，一旦已确定了适当的调度，管理系统108就生成控制数据，以允许强制实施确定的调度。在一实施例中，控制数据是至少与接收其或可用其的3D打印系统元件有关的调度数据。例如，发送给3D打印机的控制数据可能涉及仅与打印机1相关的调度数据，而发送给材料处理单元1的控制数据可能涉及仅与材料处理单元1相关的调度数据。然而，在另一些实施例中，确定的调度中的所有或其他部分可能被发送给3D打印系统中的不同元件或者可对其可用。
控制数据例如可用于控制3D打印系统中的元件，以使其不执行未遵循该确定的控制数据的操作。在一实施例中，控制数据可包括3D构造单元标识符、旨在处理被标识的构造单元的3D打印系统元件(即，要么是3D打印机、要么是材料处理单元)的标识符以及可由标识的3D打印系统元件处理该标识的构造单元的时间范围。在另一实施例中，由管理系统108生成的、表示是否可在当前时间处理该被标识的构造单元的二进制指示可取代该时间范围。
例如，如果发送给材料处理单元1的控制数据表示预计在给定时间处理构造单元3，则当在该时刻插入材料处理单元1中的是构造单元2时，材料处理单元1将拒绝操作。在另一示例中，如果打印任务P3指定使用PA12构造材料并且构造单元2被分配了打印任务P3，则发送给材料处理单元1的控制数据将在构造单元2加载有PA12构造材料时防止处理构造单元2。
图7中例示了示例性3D打印机700。3D打印机700包括适当的3D打印模块702以及处理器704，比如连接至存储器706的微处理器。存储器706存储处理器可理解的调度控制指令708。当由处理器704执行时，指令708根据调度数据710控制3D打印模块702。如上所述，调度数据710可能已由管理系统108发送给3D打印机700或者已被管理系统108设为对3D打印机700可用。
进一步参照图8的流程图描述3D打印机700的示例性操作。
在步骤802中，处理器704执行调度控制指令708并且获取调度数据710。
在步骤804中，处理器704处理获取的调度数据，并且例如如上所述根据该调度数据控制3D打印机700的操作。例如，在执行关于插入3D打印机700的构造单元的任何打印任务之前，3D打印机700可执行对任意控制数据的核查，以确保其遵守任何调度控制数据。
在图9中例示了一种示例性材料处理单元900。材料处理单元900包括适当的材料处理模块902以及处理器904，比如连接至存储器906的微处理器。处理器904存储处理器可理解的调度控制指令908。当由处理器904执行时，指令908根据调度数据910控制材料处理模块902。如上所述，调度数据910可能已由管理系统108发送给材料处理单元900，或者可能已由管理系统108设为对材料处理单元900可用。
进一步参照图10中的流程图描述材料处理单元900的示例性操作。
在步骤1002中，处理器904执行调度控制指令908，并且获取调度数据910。
在步骤1004中，处理器904处理获取的调度数据，并且例如如上所述根据调度数据控制材料处理单元900的操作。例如，在处理插入材料处理单元900的构造单元之前，材料处理单元900可执行对任意控制数据的核查，以确保其遵循任意调度控制数据。
可通过确定的调度的视觉表示来辅助以此方式的3D打印系统中元件的控制，例如，通过显示在适当的计算装置的视觉显示器上的视觉表示。而且，3D打印系统中的元件可被配置为在用户试图以不遵守确定的调度的方式操作3D打印系统中的元件时警告用户，例如，使用声觉或视觉警告。
随着3D打印系统的生产能力和复杂度的增加，此类管理系统变得日益重要。例如，具有多个3D打印机、多个构造单元和/或多个材料处理单元的3D打印系统的有效管理迅速变得超越了可由人工操作员管理的。而且，此类系统可由多个人工操作员操作，进一步使任务复杂化。
应意识到的是，在此描述的实施例可已通过硬件、软件或者硬件和软件的组合的形式实现。任意此类软件可以通过易失性或者非易失性存储的形式存储，比如类似ROM的存储装置，无论是可擦除的还是可重写的，或者可以通过存储器的形式存储，比如RAM、存储器芯片、装置或集成电路，或者被存储在光可读或磁可读介质上，比如CD、DVD、磁盘或磁带。应意识到的是，存储装置和存储介质是适于存储一个或多个在执行时实施在此描述的实施例的程序的机器可读存储的实施例。相应地，一些实施例提供了一种程序，包括用于实施在任意前述权利要求书中请求保护的系统或方法的代码，还提供了一种用于存储此类程序的机器可读存储。更进一步地，本发明的一些实施例可经由任意介质以电子方式传递，比如有线或无线连接上携载的通信信号。
在本说明书(包括任意随附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或，由此公开的任意方法或过程中的所有步骤，可以任意组合方式进行组合，除非该组合中的至少一些此类特征和/或步骤彼此排斥。
在本说明书(包括任意随附权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可由实现相同、等同或类似目的的替换性特征替换，除非另外明确说明。因此，除非另外明确说明，所公开的每个特征仅为一系列等同或类似的通用特征的一个实施例。

Claims (15)

1.一种控制3D打印系统的管理系统，所述3D打印系统包括至少一个3D打印机、至少一个构造单元和至少一个材料处理单元，可通过所述3D打印机在所述构造单元中生成3D物体，并且可在所述构造单元上执行所述材料处理单元中的处理操作，
所述管理系统包括处理器，用于：
从所述3D打印系统的至少一些元件获取状态数据；
获取与待打印的打印任务有关的数据；
由获取的数据确定待由所述3D打印系统的元件执行的操作的调度；并且
生成控制数据，以允许确定的所述调度的强制实施。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器将生成的所述控制数据发送给所述3D打印机和所述材料处理单元中的至少一个，或者使生成的所述控制数据对所述3D打印机和所述材料处理单元中的至少一个可用。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器获取打印任务数据，并且根据确定的操作的调度、将所述打印任务数据转发给所述3D打印系统中的3D打印机。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器从3D打印机和材料处理单元中的一个直接获取与构造单元有关的状态数据。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器从分立的计算装置获取与构造单元有关的状态数据，所述构造单元的状态数据是在所述分立的计算装置上手动输入的。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器从构造单元直接获取与所述构造单元有关的状态数据。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器生成的控制数据包括：构造单元的标识符；旨在处理被标识的所述构造单元的3D打印机和材料处理单元中的任一的标识符；以及在当前时间是否可使用被标识的所述构造单元的指示。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器在视觉显示单元上生成所生成的调度的可视化。
9.一种管理3D打印系统的操作的方法，所述3D打印系统包括至少一个3D打印机、至少一个构造单元和至少一个材料处理单元，
所述方法包括：
获取所述3D打印系统中元件的状态数据；
获取与待由3D打印机执行的打印任务有关的数据；
确定待由所述3D打印系统中元件执行的操作的调度；以及
生成控制数据，以允许所述3D打印机和所述材料处理单元强制实施确定的所述调度。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：使生成的所述控制数据对所述3D打印机和所述材料处理单元可用，从而使得能够强制实施确定的所述调度。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：直接从所述至少一个构造单元获取所述构造单元的状态数据。
12.如权利要求所述的方法，还包括：间接获取所述至少一个构造单元的状态数据。
13.如权利要求所述的方法，其中，获取与打印任务有关的数据包括：获取打印任务档案，并且根据确定的所述调度、将所述打印任务档案转发给3D打印机。
14.如权利要求9所述的方法，还包括：获取与另一打印任务有关的数据，并且基于所述另一打印任务、更新确定的操作的调度和控制数据。
15.一种3D打印系统，包括至少一个3D打印机、至少一个构造单元和至少一个材料处理单元，
所述3D打印系统包括管理系统，用于：
从所述3D打印系统中的元件获取状态数据；
获取与打印任务有关的数据；
由获取的所述状态数据和打印任务数据确定操作的调度；
基于确定的调度、生成3D打印系统元件控制数据；以及
使生成的控制数据对所述3D系统中的元件可用，以使得所述3D打印系统中的元件可强制实施确定的操作的调度。
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