一种改进的群集3D打印平台的制作方法

一种改进的群集3d打印平台
相关申请
1.本技术要求于2019年3月5日提交的美国临时申请第62/814185号，该临时申请整体并入本文。


背景技术：

2.尽管3d打印已变得越来越流行，但由于单个3d打印机的打印能力有限(例如，打印分辨率、打印速度、可打印材料等)，并且在打印大型对象和快速打印方面难以扩展，其应用仍然非常有限。


技术实现要素：

3.在一个实施例中，本发明提供了一种用于3d打印系统的新颖的平台，该平台利用一群或多个互联网连接的自主机器人共同工作以进行3d打印和装配。
4.在另一个实施例中，本发明提供了一种配备有数千个具有不同工具头的移动机器人的自主数字工厂，这些机器人可执行3d打印装配和其他制造操作，从而使工厂的灵活性最大化并消除昂贵的装配线。
5.在本发明的其他实施例中，指定的机器人可携带一次沉积一个分块的材料(与和现有的3d打印技术类似的一次沉积一层材料相对)的3d打印头、拾取和放置部件的机器人手(即，夹具)，或用于不同制造操作(例如，焊接(soldering)、接合(welding)等)的其他类型的工具头。机器人携带的打印头可以是不同的以沉积不同的材料，诸如硬材料、软材料、导电材料等。在3d打印过程期间，机器人手将拾取和放置无法被3d打印的部件，并将其嵌入3d打印的结构中。这项技术将使3d打印易于缩放，无论是打印大型对象还是快速打印。结合不同的打印过程以及与传统制造部件装配在一起的能力提供了自主制造/装配复杂设备(例如，iphone)的制造能力。所有机器人都可连接到互联网，并由中央服务器进行协调，以便于管理。配备有移动机器人的工厂的制造能力可被提供为通过互联网的服务，以提供具有从中央服务器接收的设计以及其他电子通信手段的自动制造。
6.在其他方面，本发明通过将打印头或工具头安装在机器人臂上来提高各个机器人的实用性和灵活性。
7.在本发明的其他实施例中，打印头不是直接安装在移动机器人上，而是由选择性顺应性装配机械臂(scara)或其他类型的机械臂携带。
8.在本发明的其他实施例中，机器人的打印和平移运动不是同时发生的。移动机器人首先移动到预定义的打印位置，然后在打印之前通过安装孔安装到地板上。
9.在本发明的其他实施例中，scara或机器人臂可接入其相邻构建区域的整个空间，并且可在地砖之间移动。因此，即使机器人只能在预定义的位置处打印，打印头仍然可接入整个地板空间。
10.在本发明的其他实施例中，机器人将使用电池以进行轮移动。地砖通过安装孔为电池充电，并在打印过程期间通过安装孔为打印机供电，并且如果需要还将为安装在地板
上的经加热的打印床地砖供电(例如，用于打印abs)。
11.在其他实施例中，本发明旨在通过利用数千个携带自动工具头的移动机器人替换复杂的生产和装配线以显著降低成本并增加现有工厂的灵活性和能力来重塑工厂的未来。携带不同3d打印头的机器人将用于打印对象而不受打印量的限制，并将预制部件装配到3d打印的结构中。
12.在其他实施例中，本发明提供了一种可作为消费品出售给爱好者的单个移动机器人。与市场上现有的消费者级3d打印机相比，移动机器人具有独特的吸引力。首先，其可移动和远程控制。其次，它不受特定的打印量限制并且可打印较大的对象。第三，不同的打印头可被安装到机器人上，以实现不同的3d打印能力。
13.在其他实施例中，本发明可辅助制造商构建和设立配备有数千个用于生产的机器人的工厂，诸如国家零售商(零售商可成为本地生产中心，而不是本地购物中心)。
14.在其他实施例中，本发明可在销售生产服务的大型集中式工厂中使用。具有设计的用户可使用该设施进行生产而不用担心生产管理的细节，使得他们只需要关注产品设计和开发。
15.通过使携带一个打印头的一个机器人与其他机器人协作，本发明的实施例可容易地利用多种材料打印对象。由于几何结构约束，对于现有的3d打印机来说，将多个打印头放在盒内并协调这些打印头而不彼此干扰是非常困难的。
16.在其他方面，本发明的实施例使得使用多个不同的3d打印过程来协同打印单个对象是可能的。例如，在一个实施例中，本发明可使用携带用于纤维的挤出头的机器人、携带喷墨打印头的机器人和携带用于液体光聚合物的挤出头的机器人，以在单个对象上一起工作，并且因此利用每个打印过程的优点。
17.在其他方面，本发明的实施例使得使用上千个机器人来协同打印单个对象来扩大规模是可能的。每个机器人打印一个分块并且机器人同时执行打印，这可显著提高打印速度。
18.在其他方面，本发明的实施例使得使用携带可在3d打印过程期间将预制部件(例如，ic、cpu、存储器等)拾取和放置在结构中的夹具的机器人是可能的，并且因此实现自动装配而不不使用不灵活且昂贵的装配线。预制部件(例如，目前无法通过3d打印很好地制造的部件)的使用也可显著增强打印产品的整体质量。此外，与现有的装配线相比，该装配平台成本更低并具有更高的灵活性，并且可用于同时批量生产多个产品而不增加成本。
19.在其他方面，本发明的实施例使得远程控制自主工厂是可能的：所有机器人都将通过wi-fi连接到互联网，并可被远程监控和控制。维护此类工厂的成本将显著降低。工厂也可以作为一种服务提供给任何需要生产能力的人而不需要大量投资来构建工厂。这使得分布在全球各地的不同地方社区的生产中心能够提供生产能力，这将显著降低供应链的成本和复杂性。
20.在其它方面中，本发明的实施例提供硬件和软件的必要要素，包括协同工作以打印比自身大的对象的多个移动3d打印机。要打印的对象被分割成多个节段，其中每个机器人并行工作以完成打印作业。本发明的实施例使得构建具有包括移动机器人、定位精度、通信协议、分块(离散化)和调度在内的必要要素的群制造平台是可能的。
附图说明
21.在不一定按比例绘制的附图中，类似的附图标记可以描述贯穿多个视图的基本上相似的部件。具有不同字母后缀的相同附图标记可以表示基本上相似的部件的不同实例。附图通过示例(而非限制性)一般地示出了本文档中讨论的某些实施例的详细描述。
22.图1示出了用于本发明的实施例的包括具有地砖的平台的打印系统，每个地砖具有安装位置。
23.图2示出了用于本发明的实施例的包括移动平台的打印系统。
24.图3示出了用于本发明的实施例的基于分块(chunk-based)的3d打印方法，其中数字模型首先被分割成分块，每个分块被切割成层并分配给不同的机器人。
25.图4描绘了用于本发明的实施例的使用基于分块的参数(实体填充)的各种组合打印的试样的抗拉强度(mpa)以及标准3d打印参考部件(图案填充)的抗拉强度。
26.图5a示出了用于本发明实施例的大矩形块(俯视图)的分块和一种可能的打印。
27.图5b是用于本发明的实施例的描述分块之间的依赖关系的依赖关系树，该依赖关系树指示可用机器人应如何依次执行打印过程以避免碰撞。
28.图5c、图5d、图5e、图5f、图5g和图5h是用于本发明的实施例的使用模拟器的基于依赖关系树的协同3d打印过程的图示。
29.图6是分块尺寸和斜坡上的打印限制的图示。
30.图7a、图7b、图7c和图7d示出了用于本发明的实施例的迭代分块，其中平面l和r被重复使用并移位以在中心分块的左侧和右侧进一步分割分块：(a)中心分块；(b)将平面r向右移位一个分块；(c)将平面r移位到所有的右分块；(d)将平面l移位到所有的左分块。
31.图8a是示出了本发明的实施例的分块重叠为零的俯视图。
32.图8b是示出了本发明的实施例的分块重叠为0.3mm的俯视图。
33.图8c是示出了本发明的实施例的分块重叠为0.3mm的侧视图。
具体实施方式
34.本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例性实施例，本发明可以以各种形式体现。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅应解释为教导本领域技术人员在几乎任意适当的详细方法、结构或系统中以各种方式采用本发明的代表性基础。此外，本文中使用的术语和短语并非旨在限制性的，而是提供本发明的可理解描述。
35.在优选的实施例中，本发明提供两个部分，硬件平台和软件。硬件平台可以由三个部分构成：scara或机械臂3d打印机，其可基于数字模型进行打印；携带机器人臂的移动平台，其在不同的地砖之间导航、安装；以及将机器人臂卸下在地砖上。
36.在优选实施例中，如图1所示，本发明包括由多个移动机器人打印机110a-110c和120组成的打印系统100，以用于创建位于打印床106上的打印对象105。打印床106通过安装孔140安装在地板或打印表面130上，这可在必要时为打印床提供电源。机器人打印机可包括一个或多个机器人110a-11c和一个或多个移动夹持机器人120，该一个或多个机器人110a-11c具有位于机器人臂114a-114c上的打印头112a-112c，该一个或多个移动夹持机器人120具有位于机器人臂124上的夹持机构122。
37.机器人被配置为在地砖或打印表面130上导航。打印表面可包括一个或多个安装孔和电源140以及导航线路150。安装孔具有自定心特征(例如，锥形)以辅助定位安装孔和定位移动机器人。
38.模块化地砖系统可用作机器人臂打印机的固定底座。在打印过程期间，该系统还可用于为打印机供电和为装备电池充电。必要时，系统还可为打印床供电。
39.如图2所示，在另一个实施例中，系统200可包括用于机器人位置的导航和校准的引导移动平台210。平台200可在其上安装一个或多个scara或机器人臂3d打印机打印单元220和222。平台200上的单元适于与一个或多个移动机器人230协同工作。
40.还可提供一种用于打印不能由fdm打印头通常地打印的液体树脂或热熔材料(诸如凝胶)的基于齿轮泵的挤出头。最后，可使用用于分配胶带形式的材料(例如，碳纤维胶带、玻璃纤维胶带、铜带)的打印头。
41.在其他优选实施例中，本发明提供了一种具有硬件平台的系统，该硬件平台由一组不同的移动制造机器人和在其上发生制造的工厂地板构成。由于3d打印的多功能性以及拾取和放置机器人对于装配预制部件的重要性，本发明提供了一种打印系统，该打印系统可包括不同种类的移动机器人，诸如如上文所讨论的移动3d打印机和移动夹持器。
42.在其他实施例中，每个移动机器人包括全方向移动平台、机器人臂(诸如选择顺应性装配机器手臂(selective compliance assembly robot arm))和末端执行器，该全方向移动平台可配备有麦克纳姆轮(omnidirectional wheel)(或其他类型的全向轮)，该末端执行器可包括纤维挤出机或夹具等。
43.地板130被离散化为模块化地砖160-165。移动平台或机器人的定位由导航线路150和移动平台或机器人上的定位传感器辅助。
44.机器人或移动平台在电池供电下在由安装孔标记的预定义位置之间移动。对于附加的功率需求，机器人通过安装孔安装并锁定到地板，这为制造操作提供稳定性和功率。
45.由于机器人臂可接入(access)其相邻的地砖，并且机器人可移动到不同的地砖上，因此末端执行器(诸如纤维挤出机)可不受限制地接入整个地板空间。机器人和移动平台被编程为彼此协作，因为它们需要能够在空间和时间上对准。由嵌入机器人传感器和地板设计中的定位机构确保空间对准，这可实现小于100um的定位精度。通过使用一对定制的命令“等待(wait)”和“通知(notify)”所设计的通信协议实现时间对准。
46.机器人或移动平台可通过“等待”命令暂停，并在满足某些必要条件时通过“通知”命令恢复。机器人和移动平台通过无线网络彼此通信，无线网络允许不同的机器人或移动平台通过向指定的机器人发出“等待”和“通知”命令来同步以进行协作。
47.可与本发明一起使用的其他软件包括基于分块的切片器、调度器和用户界面。基于分块的切片器将数字模型划分为更小的逻辑制造任务，这些更小的逻辑制造任务可由单个移动机器人完成。基于分块的切片器还可被配置为使能够打印具有多种颜色和多种材料，以及具有嵌入式预制部件的对象。
48.调度器将划分的任务分配给可用的机器人，并协调制造过程以确保不会发生碰撞。调度器还可被配置为协调异构群的机器人，以一起工作而不冲突。用户界面允许用户与每个可用的机器人交互，并允许机器人彼此通信。
49.在又其他方面，本发明使用用于改进打印的机器学习。一个或多个机器人也可以
被配置为能够携带实时相机和传感器来收集实时打印信息，将通过机器学习算法挖掘这些实时打印信息以改进打印质量和机器人之间的协作，即，使机器人群更智能。
50.在其他实施例中，本发明的机器人被设计为通过一组g代码命令完全可控(即，每个基本电机、传感器或其他操作都有相对应的g代码命令)，并且软件将数字模型转换为g代码命令以由机器人执行，这使得通过空中传送(ota)软件更新修复问题或升级系统成为可能。
51.为实现群制造，提供了两个要素：1)一种离散化方法，该离散化方法可在约束条件下将连续制造作业最优地划分为小的离散的任务；2)一种用于调度和协调机器人一起工作而不冲突的方法。
52.传统的逐层3d打印的方法不适用于群3d打印，因为先前打印的层会阻挡机器人打印后续层的移动路径。为了克服这一挑战，本发明提供了一种基于分块的3d打印方法，该方法首先将数字模型划分为更小的分块，并将每个分块切割为层，以生成用于打印的g代码，如图3所示。第一步骤300涉及将设计输入到处理器中。后续步骤310将设计分割成分块，步骤320将分块切割。
53.对于基于纤维挤出的过程，以允许打印头在已打印的分块的倾斜界面的顶部打印的倾斜角度生成分块，从而使分块在打印过程期间能够粘合在一起。分块被分配给不同的机器人，每个分块逐层打印，使打印过程保持局域化并且避免大规模3d打印中遇到的常见问题，诸如在打印过程期间各层之间的温度梯度较大，以及由于在大面积上z方向的调平(leveling)误差而需要较大的层厚度。
54.图4所示的结果表明，利用适当选择分块参数，基于分块的3d打印部件的强度至少可以达到标准3d打印部件的强度。显微ct(microct)扫描显示，强度较高的部件的分块粘合处的密度高于部件的其余部分。结果表明，基于分块的3d打印是一种用于将连续3d打印过程离散化为更小的3d打印任务的可行方法。
55.为了使多个机器人能够在一起工作，本发明提供了一种调度机器人以协同打印而不会彼此碰撞或碰撞打印材料的方法，如图5a-图5c和图6a-图6f所示。基于由分块器生成的分块的几何结构，开发了基于机器人、打印头和分块之间的几何约束的分块之间的依赖关系(即，一个分块只能在其上代(parent)分块完成之后进行打印)。如图5b所示，定向依赖树(ddt)用于描述这种依赖关系，该定向依赖树(ddt)成为调度策略的有效描述符，其中ddt的最大宽度指示可实现的最大并行打印。
56.本发明的示例性实施例如图5a-图5h所示。如图所示，机器人500-503被调度为打印矩形块520，该矩形块520被划分成20个分块0-19。如图5c所示，机器人502和503通过打印节段0和节段1来打印中心行。节段0和节段1间隔或交错，以便在节段之间留有间隙，以避免打印时机器人502和503之间的任何干扰。以类似的方式，如图5d所示，接下来将根据图5b所示的决策树打印节段2和节段3，节段2和节段3也交错以便将机器人间隔开。图5e示出了一旦机器人500-503之间达到足够的间距以避免碰撞，则所有机器人可根据图5b所示的决策树开始打印节段4、节段5、节段12和节段13。同样，如图所示，各节段间隔开以避免干扰。图5f示出了后一个顺序，其中根据图5b所示的决策树，所有机器人打印节段6、节段7、节段14和节段15。图5g示出了根据图5b所示的决策树的节段8、节段9、节段16和节段17的打印。图5h示出了根据图5b所示的决策树的节段10、节段11、节段18和节段19的打印。
57.在优选实施例中，分块的目标是将打印作业划分为分块，使得它们可被分配给尽可能多的机器人以提高打印速度。因此，整体分块策略高度依赖于打印的几何结构、可用机器人的数量以及将机器人调度的方式。为了简化问题，下面将公开用于使用两个机器人进行操作的示例性实施例，其适用于部署许多机器人的较大规模。
58.通过“分而治之”策略，将打印作业分割为用于两个机器人的分块的方法通常适用于许多机器人，该策略将对象沿一个一致的方向分割为多个分块。在优选实施例中，如图6所示，对象600可在y方向上以相对定位的倾斜平面610和615进行分块或切片，以确保分块之间的良好粘合。两个机器人从中心分块开始并且分别沿1y和
–
y方向打印，以完成每个分块。为了计算这些分块的几何结构，对象600的原始几何结构围绕多个平面被平分多次。由于分块问题仅限于1y和
–
y方向，因此每个平面可以由两个方面定义：其斜坡和y位置。
59.最大斜坡角度将使每个分块的体积最大化并提高打印效率，特别是当倾斜表面接近90度或垂直时。最小斜坡角度将使粘合界面的面积最大化，并提高粘合强度。此外，如果角度非常大或非常小，机器人的前轮或喷嘴都会干扰打印材料。应当注意，角度范围取决于打印机设计，并且可利用机器人臂的更多自由度(dof)(例如，一个附加dof以改变喷嘴角度)来轻松减轻或消除限制。
60.图7a-d示出了用于本发明的实施例的迭代分块，其中平面l和r被重复使用并移位以在中心分块700的左侧和右侧进一步分割分块。图7a示出了中心分块700，中心分块700的形状可以是具有倾斜的侧710和711以及顶部712和底部713的梯形或三角形。顶部712比底部713小。
61.图7b示出了分块720向右一个分块的移位的平面r，图7c示出了用于后续分块730、740和750的移位的平面r。图7d示出了用于所有左侧分块760、770、780、790和800的移位的平面l。
62.分块之间的依赖关系取决于分块几何结构和如何生成区块两者。例如，对于两个相邻的分块，一个分块必须具有正的斜坡角度(即，像正常的梯形)并首先打印，并且另一分块必须具有负的斜坡角度(即，像倒梯形)并最后打印。如分块720所示，分块720具有负斜坡侧721和正斜坡侧722。负斜坡侧721与中心分块700的正斜坡侧710配接。
63.分块不需要后期装配，因为后一分块直接打印在前一分块的顶部，这两个分块将以与3d打印过程中各层粘合在一起方式类似的方式自动粘合在一起。(可以认为前一层(所打印的分块)倾斜一角度，后一层(后一分块)打印在该前一层的顶部上。
64.在本发明的其他实施例中，如图8a-图8c所示，分块还可以稍微重叠以提高粘合强度。如果分块正好沿着分块平面打印，则重叠为零。正重叠意味着更多的材料被挤压到分块平面中，并将使分块之间的接触区域更紧密。负重叠指示分块相互不接触。图8a示出了分块810的边缘805和分块830的边缘820之间由于填充物850而没有重叠。图8b和图8c示出了当打印并完成分块830时与分块810重叠的填充物850。
65.尽管前述书面描述使得普通技术人员能够制作和使用目前被认为是其最佳模式的内容，但是普通技术人员将理解并了解本文中特定实施例、方法和示例的变型、组合和等价物的存在。因此，本公开不应当受到上述实施例、方法和示例的限制，但受到本公开的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。