技术领域
[0001] 本
发明涉及借助于3D打印的对象实现过程的领域。
[0002] 特别地，本发明涉及用于
增材制造过程的系统和相关的控制方法。
背景技术
[0003] 增材制造市场正在迅速扩大，特别是在技术
聚合物方面，然而，其具有彼此具有非常不同的特性的缺点，此外，在使用具有非最佳行为的材料或使用不精确已知的使用参数的情况下，不容易获得常规的挤出过程。因此，必须拥有能够灵活操作的增材制造系统，以适应所用材料的规格，特别是在挤出步骤中，以确保想要实现的产品的最高
质量。
[0004] 当考虑用于针对大型对象的应用的机器和过程并且因此涉及高流速的材料时，该问题变得特别明显。对于这种类型的过程，不可避免地需要长的处理时间，并且由于生产原因或其他原因，每当原材料改变时需要将系统重新参数化。这导致生产时间呈指数增长，使得这类过程缺乏竞争
力且效率低下。
[0005] 在此背景下，本发明的技术任务是提出一种至少克服了上述
现有技术的缺点的用于增材制造过程的系统和相关的控制方法。
[0006] 特别地，本发明的一目的是提供一种能够保证有效地减少处理时间，而不管所用原材料的特性如何的用于增材制造过程的系统和相关的控制方法。
[0007] 所提及的技术任务和
指定的目的基本上通过用于增材制造过程的系统和包含在一个或多个所附
权利要求中阐述的技术特征的相关控制方法来实现。
发明内容
[0008] 根据本发明，提供了一种增材制造过程系统及相关控制方法，其包含：拟人工业
机器人；
挤出机，被配置为安装在拟人
工业机器人上；多个
传感器，被配置为检测与增材制造过程的操作条件相关的多个参数；所述挤出机挤出的材料的多个状态调节装置和配置为控制挤出机路径的控制单元。
[0009] 控制单元还配置成根据由多个传感器检测的多个参数中的至少两个参数来
修改挤出机的路径。
[0010] 优选地，多个传感器包含至少一个
温度传感器和/或
位置传感器。
[0011] 优选地，至少一个温度传感器选自：红外、热成像相机、
高温计和激光传感器。
[0012] 优选地，至少一个
位置传感器选自：三
角测量激光
扫描仪、激光指示器、共焦传感器、
立体视觉、飞行时间相机、电容、电感、光电或
超声波传感器以及带有力敏
电阻传感器的
探头。
[0013] 优选地，传感器对以下中的至少一个进行测量：刚刚挤出的材料或者先前挤出的层的截面、下部和上部。
[0014] 还优选地，该系统包含被配置成作用于离开挤出机的材料上的
压实元件。
[0015] 优选地，状态调节装置是温度调节器，其被配置为根据由多个传感器检测的多个参数中的至少两个参数来改变挤出材料的温度。
[0016] 本发明的另一目的是一种用于增材制造过程的控制方法，其包含以下步骤：获取对象的CAD图；对获取的CAD图执行切片步骤以生成挤出几何图形；计算挤出机的路径，该路径允许获得所述挤出几何形状；沿着挤出机的保持传感器的正确定向的路径移动根据本发明的用于增材制造过程的系统的挤出机。
[0017] 该方法还包含根据本发明的用于增材制造过程的系统中的多个传感器检测到的至少两个参数来修改挤出机的路径的步骤。
[0018] 优选地，该方法还包含保存由多个传感器检测的多个参数的步骤，以便能够进行可能的后续分析。
[0019] 还优选地包含根据计算出的挤出机的路径与实际遵循的路径之间的比较来修改挤出几何形状的步骤。
[0020] 根据另一方面，本发明涉及一种用于增材制造过程的系统及相关控制方法，系统包含：拟人工业机器人；挤出机，被配置为安装在拟人工业机器人上；多个传感器，被配置为检测与增材制造过程的操作条件相关的多个参数；从所述挤出机挤出的材料的多个状态调节装置以及控制单元，控制单元被配置成从刚刚挤出的材料周围的至少一个区域获取信息。
[0021] 控制单元还被配置为根据由多个传感器检测到的多个参数中的至少两个参数来修改刚刚挤出的材料周围的至少一个区域。
[0022] 多个传感器优选地
定位在
支撑件上，该支撑件被配置成安装在用于增材制造过程的系统的挤出机上。甚至更优选地，支撑件安装在挤出机的
喷嘴附近。
[0023] 根据另一方面，本发明涉及一种用于增材制造过程的控制方法，其包含以下步骤：获取对象的CAD图；对获得的CAD图纸执行切片步骤以生成挤出几何图形；计算挤出机的路径，该路径允许获得所述挤出几何形状并从刚刚挤出的材料周围的至少一个区域获取信息。
[0024] 该方法还包含根据由用于增材制造的系统的多个传感器检测的至少两个参数来确定刚刚挤出的材料周围的至少一个区域的步骤。
附图说明
[0025] 从示例性的描述中，如图所示，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，但是，不是独有的，并因此是用于增材制造过程的系统和相关控制方法的非限制性优选实施方式，其中：
[0026] -图1示出根据可能的实施方式的增材制造过程的系统；
[0027] -图2示出根据可能的实施方式的用于增材制造过程的系统中包括的挤出机的喷嘴周围区域的细节；
[0028] -图3示出根据可能的实施方式的包括在本发明的方法中的步骤的详细
框图。
具体实施方式
[0029] 在图1中，数字1表示用于增材制造过程的系统。
[0030] 系统1包含拟人工业机器人2(仅在附图中示意性地示出)和挤出机3。挤出机3被配置成安装在机器人2上，以允许其以实用且有效的方式运动。
[0031] 挤出机移动的路径由控制单元4控制，控制单元4还处理管理增材制造过程的其他参数，诸如，例如挤出速度和挤出材料的流速。
[0032] 控制单元4还被配置为从刚刚被挤出的材料9的至少一个周围区域获取信息，并且根据由所述多个传感器5检测到的多个参数中的至少两个参数来确定周围区域的尺寸特征。
[0033] 系统1还包含多个传感器5，根据附图中所示的可能实施方式，传感器5可以安装在支撑件6上，支撑件6允许传感器5在围绕挤出机3的喷嘴7的区域中移动，以这种方式，可以将传感器定位成使得它们在执行增材制造过程期间总是处于最佳位置，并且使得例如它们的视线不会受到挤出机3的运动的阻碍。
[0034] 总是根据可能的实施方式，支撑件6被配置成在喷嘴7附近安装在挤出机本身上。
[0035] 例如，如图2所示，支撑件6可以具有环形形状并且同心地安装到挤出机3上，使得喷嘴7定位在环的中心，以这种方式传感器5可以自由地在增材制造过程期间通过围绕喷嘴7旋转来移动，允许在没有挤出机的结构元件之一阻碍视线的
风险的情况下监控过程本身。
[0036] 该结构特征也可以与本文描述和要求保护的其他特征无关。
[0037] 可替换地，多个传感器5可以静态地定位在挤出机周围的区域中，同时将通过多个聚焦装置确保在整个增材制造过程中正确获取操作参数，该聚焦装置被配置为正确和最佳地将传感器的
视野引导朝向打算收集信息的区域。
[0038] 根据图2所示的可能的实施方式，存在三个传感器5。具体地，存在温度传感器5a、位置传感器5b和另外的传感器5c，另外的传感器可以是另外的温度传感器或另外的位置传感器。
[0039] 温度传感器5a可以相对于挤出机5的前进方向保持在喷嘴前面，以了解被挤出的层下方的层是否处于适于
焊接两者的温度，但也可总是关于挤出机5的前进方向保持在其后面，以便监测冷却并因此监测刚刚沉积的材料的
凝固。
[0040] 在层间沉积的情况下，位置传感器5b可以相对于挤出机5的前进方向保持在喷嘴前面，以便检测和校正在其上正沉积当前层的下层的尺寸不规则性。它获得始终相对于挤出机5的前进方向也安装在喷嘴后面的含义，以监测在其凝固期间实现的实际挤出几何形状。
[0041] 可以使用的温度传感器的示例是：红外传感器，其测量在其视野中由对象照射的红外线；热成像相机，能够获得暴露表面的温度图；高温计，其基于被测对象发出的热谱确定温度；激光
温度计，从身体的
黑体辐射确定身体的温度。
[0042] 可以使用的位置传感器的示例是：三角测量激光扫描仪，包括发射单元，该发射单元以逐渐变化的角度朝向对象发射
激光束并且其值立即被知道；以及接收单元，包括相对于激光发射器位于仪器的另一端的CCD传感器(在这种类型的技术中，发射器-接收器距离事先是已知的并且代表“对象-发射器-接收器”三角形的基部，因此反射面上的点是通过三角函数求解这个三角形确定的)；激光指示器，其利用被测对象反射的波的阶梯差；共焦传感器，其允许重建三维结构，在三维对象的不同部分上收集一系列图像；立体视觉，其从二维图像重建三维图像；飞行时间相机，其测量光脉冲行进相机-对象-相机路线所需的时间，并与激光扫描仪不同，它能够同时分析他们所有视野；电容式、电感式、光电式或
超声波传感器，带有力敏电阻传感器的探头评估触点的存在及其实体。
[0043] 传感器5可以被配置成从材料9的特定区域收集信息，例如，可以对以下部分进行测量：在传感器5位于喷嘴7后面的情况下的刚刚挤出的材料9的截面、下部或上部，或者在传感器5相对于喷嘴7
正面定位的情况下针对先前沉积层的相应部分。
[0044] 对于不同的传感器5，还可以从挤出材料9的不同区域收集信息，以这种方式，可以获得更多数量的参数，从而获得关于该过程的更多信息。
[0045] 系统1还包含多个状态调节装置8，在附图2中，状态调节装置是安装在挤出机3的喷嘴7附近的温度调节装置。
[0046] 状态调节装置8允许改变离开喷嘴7的材料9的状态特性，例如温度、
粘度和
密度。在这里描述的情况下，状态调节装置是温度调节装置，如果材料未处于与前一层正确焊接的合适温度，则温度调节装置通过加热或冷却来对材料9上起作用。
[0047] 温度调节装置也可以作用在已经沉积的层上，以使其更适合与被挤出的材料焊接。
[0048] 可以在本系统中使用的可能的状态调节装置8的示例是：通过在流速方面可调节的合适喷嘴吹送的空气管；局部阻力；珀
耳帖单元；激光；能够在挤出材料9中引起吸热或放热反应的
试剂蒸馏器。
[0049] 在图2中，还示出了压实机10，其配置成作用于离开挤出机的材料。特别地，压实机元件10作用在材料9上以调整刚刚挤出的材料层9并检查其构造。
[0050] 根据优选实施方式，压实机10是机械压实机，诸如成形
鞋。
[0051] 在迄今为止描述并在下面要求保护的
硬件系统中，通过适当的闭环测量和/或刚刚挤出的材料9的机械性能的控制装置的存在，可以方便地给出本发明的另一创新和原始结构特征：这种闭环测量和/或控制装置可以例如适合于检测(或通过可通过已知方法实施的结构元件和/或反馈功能方案进行控制)冷却梯度和/或与刚刚挤出的材料(9)的结晶过程有关的一个或多个化学/物理参数。
[0052] 从执行这种闭环控制所需的系统结构元件的观点来看，并且总是指实现反馈控制的可能性，可以提及包括拉曼效应和/或“FTIR”型
光谱传感器的闭环测量和/或控制装置。
[0053] 相反，在图3中示出根据本发明的用于增材制造过程的控制方法步骤的
流程图。
[0054] 该方法从设定一系列过程参数的步骤100开始，例如：沉积区域、待沉积层的高度和厚度。
[0055] 接下来是系统1获取CAD模型101的步骤，在CAD模型中表示了要实现的对象。
[0056] 然后对该图进行切片步骤102，其中将3D模型转换成用于驱动系统以进行增材制造的指令，在实践中，对象的模型被切割成
水平层，生成呈现经典步骤的挤出几何形状，该经典步骤区分经由这种类型的过程制成的对象。
[0057] 随后，基于从切片步骤102获得的信息，计算挤出机的路径103，挤出机4必须遵循该路径以便实现已获取其图像的对象。
[0058] 从挤出机路径开始，步骤在图3中以数字104示出，可以定义围绕挤出区域的至少一个区域，通过传感器5可以从该区域进行信息收集。
[0059] 还提供了子步骤104-1和104-2，其中，在挤出机3的路径的连续段之间计算角度，并且将旋转施加于传感器5的对应于这些角度的视野。以这种方式，确保传感器5相对于至少一个区域保持其最佳视野，在该过程的每个时刻都要从该区域收集信息。
[0060] 一旦将必要的信息加载到控制单元4上，就可以通过沿着先前计算的挤出机的路径移动挤出机3来开始挤出106。
[0061] 在挤出机路径的每个点处，将读取传感器107的输出，并且如果需要，将根据测量值修改挤出机路径，特别地提供了两个子步骤：
[0062] -第一子步骤108，其中，一旦读取了温度传感器5a的输出，就可以将其与材料9处于
软化状态(但在
玻璃化转变之前)的理想温度进行比较：这是在材料9的连续层之间产生焊接的最佳条件。
[0063] 这种情况可以通过状态调节装置8、特别是温度调节装置来实现，其允许基于下层的测量温度与用于产生适当焊接的理想温度之间的差异来调节材料9的温度。在温度信息的
基础上，还可以调节给予另一个温度调节装置的功率，其任务是使材料尽可能在沉积的下游
固化(并且尽快)。
[0064] -第二子步骤109，其中，一旦读取了位置传感器5b的输出，就提取关于先前沉积的层的高度的信息：根据该子步骤中的提取/导出/计算结果，材料层的特征在于相对于切片步骤102提供的更大或更小的高度。
[0065] 特别地，如果先前沉积的层的高度太小，则挤出机3可能太高，导致材料9下落而未允许压实元件10施加任何压缩，如果甚至不能获得具有大尺寸
变形的不规则沉积，则对材料层9之间的焊接质量产生负面影响。
[0066] 如果下层的高度过高，则挤出机3可能太低，过度压缩材料9或浸入材料9本身：在这种情况下，材料9将过度积累，具有大的尺寸变形和对凝固的负面影响。
[0067] 理想的高度将是下面的材料9被轻微压缩，在宽度上有规律地变形。因此，一旦定义了理想的压缩和公差水平，位置传感器5b的输出就用于调节挤出机3的高度，并因此获得理想的压缩。结合高度变化，还可以在下一层的沉积中进行以下校正：在层太高的情况下，可以通过稍微增加推进速度来避免材料积聚，而在层太低的情况下，可以增加挤出的材料9的流速。
[0068] 该
算法还提供了交叉温度和位置信息：如果发现材料处于良好的温度以在层之间进行正确的焊接，则可以在对应于层之间的理想压缩的高度上采用更高的公差。否则，如果没有合适的温度，则可以对层之间的压缩施加较低的公差。
[0069] 该方法可以进一步包含根据由多个传感器5检测到的至少两个参数确定刚刚挤出的材料9周围的至少一个区域的步骤。以这种方式，可以确保传感器5的视点相对于要从中收集信息的区域始终处于最佳位置，也可以根据在增材制造过程的执行期间发生的需求而对挤出机路径进行任何修改。
[0070] 此外，由于在挤出步骤106期间调节每个
单层的高度，为了在层之间具有良好的焊接并避免平面中的变形，可能发生的是，遵循原始挤出机的路径，不期望地获得了不同于先前计算的那些的总的最终高度。为了考虑这种差异，该方法包含在流程图中由110表示的步骤，在高度调整导致相对于原CAD中存在的高度存在很大差异的情况下，它提供了修改挤出几何形状的功能。
[0071] 在增材制造过程的整个过程中重复步骤107至110。
[0072] 由于可能存在本
说明书前面提到的适当的硬件元件，本发明实施的方法可能包含刚刚挤出的材料9的机械性能的闭环测量和/或控制步骤：有利地，这种闭环测量和/或控制步骤又包含子步骤，以检测和/或控制与刚刚挤出的材料9的结晶过程相关的冷却梯度和/或一个或多个化学/物理参数(且然后可以将这些参数用作计算因子，以在剩余的系统硬件上发送反馈
信号，其以这种方式可以控制材料9本身的热或机械或
流体动力学沉积条件，以考虑其结晶动力学)。
[0073] 在该过程结束时，该方法还提供由传感器5检测的所有参数的保存步骤111，以便允
许可能的后续分析。
[0074] 有利地，本方法允许在沉积层之间获得更好的互连性能，而不会因工作时间的大幅减少而脱节(特别是在具有相当大尺寸/体积的制品的情况下，本发明能够在2.5和4小时之间的时间段内生产体积约为1立方米的三维制品)。
[0075] 得益于实时测量和沉积的挤出机3的反馈，根据从CAD图中获得的挤出几何形状、挤出材料9的实际尺寸和挤出机3的喷嘴7所在的位置，还可以获得更好的尺寸特性。
[0076] 对材料9的温度的精确控制还允许优化用于增材制造过程的材料9的微观结构性质，确保其机械性能的控制。
