CN108603756A - 集成测量和增材制造系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种通过材料挤出的形式制作三维物体的方法使用增材挤出打印装置的可移动部分来形成至少一条材料线(“材料线”)。打印装置优选根据具有物体规格的标称模型挤出材料。该方法还使用坐标测量机，在开始挤出材料线之后测量该材料线的至少一个尺寸。在测量期间或之后，该方法使用与坐标测量机在工作上联接的检查器，通过将所述至少一个尺寸与物体的标称模型的至少一个规格进行比较来检查材料线的至少一个尺寸的尺寸精度。

Description

集成测量和增材制造系统和方法

优先权

本专利申请要求2016年2月11日提交的题为“INTEGRATED MEASURING ANDADDITIVE MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD”的临时美国专利申请号62/293,940的优先权，并将William Fetter和Michael Creuzer命名为发明人，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及制造物体并且，更具体地，本发明涉及将物体测量与物体制造集成在一起。

背景技术

使用各种技术来制作制造的物体。一种长期存在的技术对部件进行机械加工，从基板或其他材料件(例如，金属齿轮)去除某些部分。作为另一种广泛使用的制造技术的注塑成型通常在模具内固化熔融的塑料。称为三维打印、增材打印、或增材制造(“3D打印”)的另一种更新的技术通过将一个或更多个连续的材料层淀积(例如，喷涂)到基部或平台上来制造物体。例如，3D打印机可以从多个连续淀积的塑料层制作智能电话外壳。作为另一示例，增材打印可以将材料(即，“挤出物”)挤出到基部、平台、或先前挤出的材料上。

为了确认其满足设计要求，物体通常在被制造后加以测量。例如，测量装置(诸如坐标测量机(“CMM”))可以测量所提到的智能电话外壳内的各种规定距离。如果该外壳太小，则可能无法容纳其内部的电子组件(例如，印刷电路板、电池等)。因此，随着智能电话外壳变得突出，如果制造的物体不是正确尺寸，则通常因无法满足设计要求而被废弃。令人不快的是，这种问题可以发生在大量制造的物体上，导致重大损失并且延迟了对客户的最终产品交付。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，一种通过材料挤出形式制作三维物体的方法使用增材挤出打印装置的可移动部分来形成至少一条材料线(“材料线”)。优选地，打印装置根据具有物体的规格的标称模型挤出材料。在开始挤出材料线之后，该方法还使用坐标测量机测量该材料线的至少一个尺寸。在测量期间或在测量之后，该方法使用与坐标测量机在工作上联接的检查器，通过将所述至少一个尺寸与物体的标称模型的至少一个规格进行比较来检查材料线的至少一个尺寸的尺寸精度。

该方法根据所述至少一个测量尺寸的尺寸精度，通过增材挤出打印装置的可移动部分来改变随后材料线的挤出。为此，该方法控制增材挤出打印装置以改变材料线的挤出参数。除了其它之外，该挤出参数可以包括可移动部分的轨迹、可移动部分的速度、材料从可移动部分挤出的速度、以及材料线的至少一个尺寸中的至少一个。

优选地，坐标测量机包括具有结构化白光、光纤探头、激光扫描仪、和/或模拟扫描仪中的至少一个的测量器械(modality)。该测量器械可以在功能上独立于增材挤出打印装置。无论它们的独立性如何，坐标测量机和所述测量器械都可以共享一个基部。

增材挤出打印装置可以包括3D打印机。当改变材料线时，该方法可以在至少一个测量尺寸产生超过规定阈值的误差时改变材料线的后续挤出。由打印装置制作的物体可以采用多种形状和大小中的任何一种。例如，物体可以具有多个顶点和连接这些顶点的多条线(例如，线框装置)。

作为挤出过程，材料线包括在增材挤出打印过程中材料被迫通过挤出模具而形成的挤出输出。材料线通常可以是直的、或者不是直的。在一些实施方式中，增材挤出打印装置被配置成在通过先前的挤出形成的另一材料线上挤出材料线。

根据本发明的另一实施方式，一种用于通过材料的挤出制作三维物体的系统具有增材挤出打印装置和坐标测量机，所述增材挤出打印装置具有被配置成形成至少一条材料线(“材料线”)的可移动部分，所述坐标测量机被配置成在增材挤出打印装置开始挤出材料线之后测量该材料线的至少一个尺寸。增材挤出打印装置被配置成根据具有物体的规格的标称模型挤出。

该系统还具有与坐标测量机在工作上联接的检查器。该检查器被配置成通过将所述至少一个尺寸与物体的标称模型的至少一个规格进行比较来检查材料线的至少一个尺寸的尺寸精度。检查器还被配置成，根据线的所述至少一个测量尺寸的尺寸精度，通过增材挤出打印装置的可移动部分，来改变材料线的后续挤出。为此，检查器被配置成通过控制增材挤出打印装置以改变材料线的挤出参数来改变线的后续挤出。此外，挤出参数可以包括可移动部分的轨迹、可移动部分的速度、材料从可移动部分挤出的速度、以及材料线的至少一个尺寸中的至少一个。

本发明的例示实施方式被实现为一种具有计算机可用介质的计算机程序产品，该计算机可用介质在其上具有计算机可读程序代码。该计算机可读代码可以根据常规处理由计算机系统来读取和利用。

附图说明

本领域技术人员应从参照下面概述的附图所讨论的“例示实施方式的描述”中更全面地理解本发明各种实施方式的优点。

图1示意性地示出了根据本发明的例示实施方式的具有测量能力的增材打印装置。

图2A和图2B示意性地示出了利用挤出打印过程制作的线框物体的两个示例。

图3示意性地示出了根据本发明的例示实施方式的用于管理打印过程的逻辑。

图4示出了根据本发明的例示实施方式的在3D打印过程期间测量物体的过程。

具体实施方式

在例示的实施方式中，用于制作物体的系统具有借助集成的增材打印技术使得能够在打印物体的同时精确地测量物体的集成测量能力。除其它之外，该系统可以包含常规挤出增材打印装置，而所述测量能力可以包含用于在打印物体时测量该物体的坐标测量机(“CMM”)。

因此，该系统可以在打印过程期间测量物体-不需要等待打印过程来完全制作出物体。如果该系统在完全制作出物体之前识别出该物体在大小或形状方面的误差，则该设备可以1)“即时地(on-the-fly)”调节该过程(例如，偏离规定的虚拟模型的要求)，以制作出几何形状/尺寸上更准确的物体，或者2)废弃该物体，而不在该有几何/尺寸缺陷的物体上浪费任何进一步的时间。下面，对例示实施方式的细节进行讨论。

图1示意性地示出了根据本发明的例示实施方式配置的、具有测量能力和增材打印能力的组合系统10。更具体地，该系统10具有支撑增材打印装置12和测量装置18的单个平台16，在例示实施方式中，所述测量装置是CMM(也由参考标号“18”标识)。

如本领域技术人员所知，增材打印装置12可以通过将一个或更多个连续的材料层淀积至基部或平台16上来制作物体。在例示实施方式中，材料以从增材打印装置12的喷嘴挤出的形式淀积。挤出物(即，挤出的材料)最终固化成所述物体。

一些实施方式在较早形成的层的顶部上挤出层，如在常规的基于层的增材打印过程中常见的那样。作为另一示例，挤出物可以在自由空间(除了小的基部支撑物之外)中被挤出，以形成具有类似蜘蛛网或艾菲尔铁塔的结构的线框或物体。在这些情况下，除了接触物体的顶点之外，挤出物形成一条很大程度上不受另一层支撑的材料线。图2A和图2B示意性地示出了这样的物体(由参考标号“14”标识)的示例，在该示例中，这些物体是线框物体。具体地，图2A示意性地示出了简单的线框球，其仅具有节点/顶点之间的线、以及线之间的开放空间。以类似的方式，图2B示意性地示出了线框茶壶。例示实施方式形成这些物体，使得它们的线由挤出材料线(诸如树脂、金属、和/或聚合物)形成。实际上，本领域技术人员可以将各种实施方式应用于非挤出物体，以及不形成为线框(顶点和线)的物体。

这样，增材打印装置12可以在三维自由空间中挤出或以其它方式发射单一的、厚的或薄的挤出材料/材料的挤出物。该挤出可以被认为是“材料线”。具体地，如本领域技术人员所知，这种材料线基本上是在增材挤出打印过程中材料被迫通过挤出模具而形成的挤出输出。材料线通常具有模具的几何和尺寸特征。例如，如果模具具有平坦的开口，那么材料线将大致是平坦的。作为另一个示例，如果模具具有圆形或星形开口，那么材料线将分别为大致圆形或星形图案。除其它类型之外，挤出过程可以是冷、温、或热挤出过程。这不同于使用诸如喷涂、立体光刻、激光熔化、激光烧结、或类似的淀积技术的不同技术淀积材料的过程。

在挤出期间，基部、先前挤出的材料/部分(例如，物体的顶点)、或其它结构(例如，在悬在两点之间的绳)可以支撑物体的大部分或仅一小部分。为此，增材打印装置12具有可在三维空间中移动的打印头32(下面讨论)。可选地，在其形成之后，可以将线框物体浸入填充其开口的材料中以形成最终物体的外表层。对于图2A和图2B的示例，完成的线框可以浸入聚合物或树脂材料中以分别形成球和茶壶。

为此，图1中所示的组合系统10包括支撑被打印物体14的平台16、以及用于在物体14被制作时打印和测量物体14的机构(例如，上面提到的增材打印装置12和CMM 18)。更具体地，平台16可以包括用于支撑和操纵各种增材打印和测量技术中的任何一种的支撑结构16A。例如，支撑结构16A可以包括支撑用于分别引导打印臂20和CMM臂22的一对分离/独立的引导结构的基本上平的花岗岩板。具体地，如图1所示，组合系统10具有用于支撑承载测量器械26(诸如测量头)的可移动CMM臂22的CMM引导结构24。测量头可以容纳诸如用于触觉和/或非触觉测量的各种工具/尖端28(例如，激光器或照相机)。下面讨论一些这样的工具28的细节。

与许多常规CMM一样，CMM引导结构24具有使得可移动CMM臂22能够在多个方向上以非常精确的方式移动的轨道。例如，从图1的组合系统10的角度来看，CMM引导结构24使得CMM臂22能够在X方向、Y方向、和Z方向中的一个或更多个方向上移动。附加地或另选地，CMM臂22或其部分也可以具有其它自由度，诸如滚动、俯仰、或偏转的能力(例如，使用具有测量头/测量器械26的腕结构)。因此，CMM臂22可以具有相对于物体14的许多自由度(例如，六个自由度)。利用这种移动的灵活性，CMM臂22可以测量部件或者整个物体14的尺寸、位置、和/或曲率。

以类似于CMM 18的方式，增材打印装置12也具有用于引导可移动打印臂20的引导结构(“打印引导结构30”)，可移动打印臂20具有先前所述的用于淀积材料的打印头32。在图2A和图2B的示例中，打印头32挤出材料以制作物体14。从图1的组合系统10的角度来看，在打印臂20挤出材料以形成物体时，或甚至在不挤出材料时，打印引导结构30使得打印臂20能够在X方向、Y方向、和Z方向的一个或更多个方向上移动。附加地或另选地，打印臂20或其部分还可以具有其它相关或不相关的自由度，诸如滚动、俯仰、或偏转的能力(例如，使用腕结构)。

在例示实施方式中，CMM 18在挤出过程期间测量物体14-同时挤出材料线(诸如在顶点之间)。重要的是，作为专用的、众所周知类型的测量装置18，CMM 18独立于增材打印装置12测量物体-其测量任务在功能上独立于增材打印装置12。具体地，CMM 18不依赖于增材打印装置12来移动CMM臂22，并且也不依赖于由增材打印装置12或其部分支撑的任何传感器。同样，CMM 18不依赖于CMM 18和打印装置12共享的组件(例如，支撑结构16A)上的传感器。因此，CMM 18可以保持其已知的在其预定坐标系内进行高精度(例如，到微米)测量的功能。换言之，CMM 18可以在不使用增材打印装置12的情况下完全执行其主要测量功能。这样，测量器械26位于与打印头不同的可移动设备上(下面讨论)。

可以考虑图1的示例将增材打印装置12集成到CMM 18中，因为CMM 18是主要装置-它更大。这样，CMM 18被改装以在其坐标测量系统内具有增材打印装置12。具体地，一些实施方式可以改装仅具有所讨论的两个主要功能中的一个的现有装置。因此，CMM 18可以改装成具有3D打印功能。

该实施方式的改装使得两个装置能够共享同一支撑结构16A，尽管一些实施方式可能没有这样的需求。如果增材印刷装置12是主要装置，则可以考虑其它实施方式将CMM18集成到增材打印装置12中。这样，3-D打印机可以改装成具有CMM或其它测量设备。尽管将CMM 18集成到增材打印装置12中(或者反之亦然)，但是两个装置12和18被认为是可以独立于另一个操作的独立装置。然而，另选实施方式可以共享组件(例如，可移动臂承载打印头和测量头)。

如上所述，本领域技术人员可以单独地或组合地应用多种不同测量技术中的任何一种，以在打印过程期间测量物体14。尽管一个或更多个装置优选地固定到可移动CMM臂22上(图1示出CMM臂22上的两个这样的装置)，但是这些技术可以位于CMM 18的另一位置，诸如在从基部延伸的结构上。此外，这些测量技术可以包括：

1.结构化白光

2.光纤探头

3.激光扫描仪，或

4.触觉传感器(诸如模拟扫描仪)。

下面，对这些技术中的每一种的示例性实现进行讨论。应注意，这些实现旨在例示，而非限制本发明的其它实施方式。

结构化白光

如本领域技术人员已知的，结构化白光传感器将随机图案投射在物体14上，并且触发通过会聚照相机同时捕捉感兴趣区域。图1示意性地示出了会聚照相机(由参考标号22A标识)，但其它数量的照相机22A也应当足够。优选实施方式将这些照相机22A集成到CMM18中而不是集成到增材打印装置12中。

多种算法关联照相机22A的图像以创建区域的3-D点云表示。该白光传感器还获取清晰的黑白图像以准确地测量特定特征(诸如孔和边缘)。例示的实施方式使用结构化白光传感器来将测量数据(例如，经由点云)反馈给打印机，由此使得能够实现针对(下面讨论的)打印过程的过程中调节。

本领域技术人员可以使用许多不同技术中的任一技术将CMM 18的白光传感器和3-D打印机12并入单个系统中。除其它之外，例示实施方式可以使用可调节视野，该可调节视野可以被按比例调节成正在打印的物体14的尺寸。附加地或另选地，例示实施方式可以使用等于3-D打印台/平台16的尺寸的固定视野。

此外，具有固定或可调节视野的白光传感器可以被安装到独立于打印设备的六自由度关节型机器人。因此，该实施方式准许该白光传感器处于相对于物体14的任何取向。

一些实施方式在增材打印装置12的2打印臂20上安装具有固定或可调节视野的白光传感器。然而，该实施方式优选将白光传感器安装成使其独立于打印机头20。相反地，其它实施方式可以将具有固定或可调节视野的白光传感器直接安装到打印机头20。

光纤探头

一些实施方式使用点激光传感器，该点激光传感器可以借助于在物体14上聚焦并且经由一些常规介质(尤其是，诸如光纤通道)传送的激光点来操作。照相机22A可以测量从物体14反射的激光的光。

以类似于所讨论的其它传感器的方式，点激光传感器可以按许多方式来实现。例如，光纤探头传感器可以附接至可移动CMM臂22、安装到图1中标记为“22”的位置、或者安装到独立于CMM臂22的六自由度关节型机器人。另选地，光纤探头传感器可以安装在增材打印装置12的打印臂20上并且独立于CMM臂22。

激光扫描

例示的实施方式可以包含借助于三角测量原理或飞点(flying dot)原理来操作的激光扫描传感器。系统10可以利用照相机创建3-D点云以测量从物体14反射的激光。

与讨论的其它传感器一样，激光扫描传感器可以按许多方式来实现。例如，激光扫描传感器可以附接至CMM臂22、安装到图1中标记为“22”的位置、或者安装到独立于CMM臂22的六自由度关节型机器人。另选地，激光扫描传感器可以安装在打印臂上。此外，激光扫描传感器可以在固定位置附接至3-D打印机结构12，诸如打印机平台16。

模拟扫描

另一实施方式可以使用接触式触摸传感器(例如，触觉探头)，其通过将物体14与触觉探头物理接触并且在物体14的表面上记录点偏差来操作。图1示出了CMM臂22上的触觉探头。

以类似于其它实施方式的方式，模拟扫描传感器可以按许多方式来实现。例如，模拟扫描传感器可以附接至CMM臂22、或者安装到独立于CMM臂22的六自由度关节型机器人。另选地，模拟扫描传感器可以安装在打印机臂20上。

图3示意性地示出了根据本发明的例示实施方式的用于管理打印过程的示例性逻辑34。该逻辑34可以直接集成到CMM 18和/或打印装置12中，或者与CMM 18和/或打印装置12间隔开。例如，该逻辑34可以经由局域网或广域网(诸如因特网)与增材打印装置12通信。

逻辑34包括被配置成管理系统过程(例如，一般打印和测量过程)的控制器36；被配置成确定对物体14的测量是否处于规定规格内的检查器38；以及用于存储数据和处理代码的存储器40。例如，存储器40可以存储物体14的尺寸准确的计算机辅助设计模型(“CAD模型”)。

因此，如下面更详细讨论的，检查器38可以通过将从测量装置18接收到的测量结果(例如，点云的形式)与CAD模型中的尺寸进行比较以检查物体14的尺寸来确定物体14的尺寸准确度。许多不同的互连系统中的任何一个可以将这些组件连接在一起以执行它们的功能。例如，图2示意性示出了充当互连系统42的单个总线，但本领域技术人员可以考虑适于它们的特定应用的其它互连系统。此外，尽管图2仅示出了几个功能性组件，但逻辑34可以包括可进一步辅助所需任务的各种附加组件。

实际上，应该注意，图3仅示意性地示出了这些组件中的每一个。本领域技术人员应该理解，这些组件中的每一个都可以以各种常规方式来实现，诸如通过跨一个或更多个其它功能组件使用硬件、软件、或硬件和软件的组合。例如，可以使用执行固件的多个微处理器来实现检查器38。作为另一示例，检查器38可以使用一个或更多个专用集成电路(即“ASIC”)和相关软件，或ASIC、分立电子组件(例如，晶体管)、以及微处理器的组合来实现。因此，图3的单个框中的检查器38和其它组件的表示仅用于简化目的。实际上，在一些实施方式中，图3的逻辑34分布在多个不同的机器上-不一定在同一壳体或底座内。

应该重申的是，图3的表示是实际逻辑34的显著简化表示。本领域技术人员应该理解，这样的装置具有许多其它物理和功能组件，诸如中央处理单元、其它元件、和短期存储器。因此，该讨论决不意味着图3表示逻辑34的所有元件。

图4示出了根据本发明的例示实施方式的在打印过程中测量物体14的过程。如本领域技术人员所知，使用挤出的打印过程可以在所需数量的通常Z方向层(例如，图1的透视图中的一层或更多层)中施加规定材料以形成物体14。另选地，挤出3D打印过程可以不在通常的Z方向层而是作为单次连续挤出诸如在X方向或Y方向上的多个层挤出材料，或者在不是挤出的另一种材料上(例如，围绕管道的凸缘)挤出材料。在该过程中，一些实施方式允许挤出物中的一些或全部固化至少最小时间量。例如，挤出物可以固化使得：1)它可以被移动到存储位置而不被实质损坏；2)可以将更多的材料添加到正在形成的物体14；或者3)可以利用触觉探头对它进行测量。固化时间可以是最小的(例如，<1秒至5秒)，或者需要更长的时间(1分钟至5分钟或更长)。

在例示实施方式中，在物体14从其在系统10的附近移开之后，认为打印过程已经结束。例如，如果物体14被打印在平台16上，则当物体14从平台16移开时，认为打印过程已经结束。换言之，当物体14移动到一个位置使得系统10不能再向物体14添加材料时，则认为打印过过程已经结束。如下所述，这通常预期在已制造和测量物体14之后发生。因此，在已制造出物体14并且从系统10移开之后使用下游CMM装置测量物体14不在本发明的多个实施方式的范围内。简而言之，各种实施方式考虑打印过程以在系统10不再向物体14添加材料时结束。然而，向先前完成的物体14添加进一步的挤出可以在各种实施方式的范围内并且可以由本领域技术人员应用。

应该注意，该过程是制作物体14的更为复杂的过程的简化版本。因此，实际过程可能具有未讨论的附加步骤。另外，一些步骤可以按不同次序执行，或者彼此并行执行。因此，对该过程的讨论是示例性的，而非旨在限制本发明的各种实施方式。此外，尽管关于制作单个物体14讨论了该过程，但图4的过程可用于制作一个以上的物体14。实际上，不仅仅打印单个物体14，本领域的技术人员可以在单个制作运行中或并行修改该过程以形成多个物体14。

系统10可以制作适合于增材打印过程的许多不同类型的物体14中的任何一个。例如，3-D打印装置12可以制作玩具(诸如，玩具房子或玩具汽车)、家用装置(诸如，椅子或灯具)、较大物体14的一部分(诸如，汽车保险杠或车轮)、工业制品(诸如，齿轮或螺旋桨)、医学相关设备(诸如，假体)、食品(诸如，比萨饼、巧克力或蛋糕)、衣服、球、茶壶、或者各种其它物品中的任何一个。因此，如该简短列表所建议的，3-D打印装置12可以从多种不同材料(诸如，塑料、树脂、橡胶、金属、陶瓷、食物、硅、或者在诸如3-D打印的增材打印/制造过程中常规使用的其它已知材料)中的任何一种或这些材料的组合来形成物体14。

该过程开始于步骤400，其中，打印机头32将材料淀积到平台16或者一些其它结构(例如，支架或绳)上。具体地，如本领域技术人员已知的，该实施方式中的打印装置12通过以精确规定的方式(如物体14的标称模型/CAD模型所要求的)挤出材料来形成物体14。该挤出可以在剩下的过程期间连续进行，或定期停止直到完成某些其它步骤。本领域技术人员可以基于正在制造的物体14为该步骤选择适当的时间。因此，即使在执行其它步骤(例如，测量步骤)时，增材打印装置12也可以挤出材料。此外，还应注意，尽管讨论了挤出，但另选实施方式可适用于在没有挤出过程的情况下淀积材料的增材打印过程(例如，将材料喷涂在通常为Z方向的层中的那些过程)。

然后，该过程确定是否要在物体14的当前未成形状态下测量该物体14(步骤402)。更具体地，系统10可以被编程为在物体14的制作/挤出过程中的规定点处测量该物体14。这些点可以基于时间、完成的物体14的数量、或者任何数量的其它要素。例如，该步骤可以在淀积每一挤出线之后、淀积每隔一挤出线之后、淀积每第三挤出线之后等(或者在形成特定其它挤出之前)测量物体14(例如，由打印装置12挤出的一条或多条材料线)。作为另一示例，该步骤可以在形成一个或更多个特征或挤出的材料线的一部分或一小部分之后测量物体14(例如，在每2.35挤出线之后，CMM 18可以测量最近形成的线，或者在形成特定规定特征之后)。

另选地，一些实施方式可以在自前一个测量起、自该过程开始起、或者在发生了一些其它事件后(在测量了一特定特征并且被认可为准确后)经过一些规定时间量后测量物体14。例如，预期花费三分钟形成的物体14可在形成第一挤出/材料线后的45秒间隔被测量。使用单次通过形成物体14的另选的基于非挤出的实施方式可以采用这种方法，或者在已经打印了物体14的预先指定的特征之后。

一些实施方式在物体14形成时连续测量物体14，而不是在挤出时或者在不挤出时周期性地进行测量。这种连续测量过程可能具有内置延迟时间以使得材料在测量之前能够在短时间内固化。例如，该延迟可以是2秒-5秒、30秒、或更长。另选地，该实施方式可以在没有相当长的延迟时间的情况下进行测量。其它实施方式可以在形成挤出物的时候测量挤出物而没有延迟时间。在决定何时进行测量时，本领域技术人员可以考虑测量技术。例如，如果使用触觉探头，本领域技术人员可以允许一些额外的固化时间。作为另一示例，如果使用非接触式探头或测量装置(例如，激光扫描仪)，本领域技术人员可能不需要太多的固化时间。

因此，如果不在这个点进行测量，则该过程循环回至步骤402以继续淀积附加的材料。相反地，如果要进行测量，则该过程继续至步骤404，在该步骤确定物体14/材料线的一个或更多个尺寸。可以在打印装置12挤出材料线、和/或在打印装置12暂停打印过程时进行该测量。在一些实施方式中，CMM 18获得所有主要露出的尺寸(例如，利用点云)，而在其它实施方式中，该过程仅获得有限数量的尺寸(例如，利用模拟扫描仪)。例如，除其它之外，CMM 18可以测量材料线的长度、其宽度、和/或至另一先前形成的材料线的距离。

该过程由此使用上述CMM器械中的一个来测量物体14的一些部分或所有部分的特征。如果预期材料在固化之前显示出几何形状变化(例如，在淀积后但在固化前收缩至某一程度)，则该步骤可以延迟，直到其完全或部分固化后为止。另选地，控制器36可以被配置成测量未固化的挤出物，其应该收缩已知的量。以这种方式，逻辑可以采取材料的预期收缩(例如，基于热膨胀系数和其它材料品质)来确定有效测量。另选地，如果系统10使用与生长物体14物理接触的模拟扫描仪进行测量，则可能最希望在测量之前等待物体14固化(例如，经由对流或环境冷却过程，或者应用在规定的波长下的固化灯)。

接下来，在步骤406，检查器38确定测量结果是否处于物体14的规定规格之内。换言之，检查器38确定所测量的尺寸是否处于规定尺寸范围内并且，如果不在规定尺寸范围内，则确定是否修改该过程。为此，检查器38访问存储器40内的CAD模型(或者，其它物体尺寸数据或规格)，以确定物体14的规定尺寸。例如，该CAD模型可以规定特定尺寸应当在第一尺寸与第二尺寸之间测量。在其它方面，如果利用白光传感器或类似技术，则该过程可以将点云或点云的一些部分与存储器40中的CAD模型的对应部分进行比较。因此，该规格之外的尺寸(即，偏离规定范围)表示打印过程中存在误差。

如果测量结果处于测量规格内(并且物体14未完全完成)，则该过程循环回至步骤400以继续挤出材料并且继续该循环。

然而，如果测量结果在测量规格之外，则控制器36确定针对正在制造的当前物体14误差是否可纠正(步骤408)。换言之，该过程确定在该过程的这个点的误差是否大到即使对过程流程进行改变也不足以使物体14具有可接受的偏差量。因此，如果控制器36确定物体14不可纠正，则该过程可以在步骤410简单地废弃物体14，并且结束该过程。另选地，尽管存在偏差，一些实施方式可以继续打印物体14。在这种情况下，该过程可以暂停测量步骤及其相关步骤。如下所述，控制器36可以相应地使用修改的参数来打印具有相同设计规格的额外物体14。

相反，如果可以改变制作过程来制作令人满意的物体14，则控制器36确定如何最好地偏离CAD文件指定的要求以在此时进行适当的改变(步骤412)。例如，控制器36可以逐渐改变/更改打印臂20的角度/轨迹和/或速度和/或加速度，以针对图2A的球的接下来的若干挤出，挤出给定线或下一线直到球侧达到了合适的半径。作为另一示例，控制器36可以更改线的尺寸(例如，延长下一线的长度以确保总长度在CAD文件的要求内)。作为又一示例，控制器36可以增加或减小其从其打印头32挤出材料的速度。

如果物体14利用单次挤出形成(即，连续挤出以制造整个物体14)，则控制器36可以利用修改后的参数来完成单次挤出，以制作出比打印装置12更接近设计规格的整体物体14，否则将在没有例示实施方式的情况下制作该物体。这类似于物体14通过多次挤出形成。例如，控制器36可以使打印机头32打印较薄的单次挤出的一个或更多个特定部分，或者以不同的方式打印整个特征的其余部分。实际上，在该过程的这一点上尚未打印出与最初指定的不同地打印的那些部分。当然，如果该过程在物体14完全由单次材料挤出形成之后测量该物体14，则该过程应该结束，因为不再有材料添加到增材过程。

与其它实施方式一样，除了在挤出过程期间测量材料线/物体14之外，CMM 18还可以在打印过程期间调节/修改材料线/物体14的打印参数。控制器36或其它逻辑也可以修改/改变CAD模型中指定的打印参数，以及用于在其它制作运行中打印额外物体14的下层打印过程。具体地，除其它之外，控制器36可以使用机器学习技术来制作规定规格内的后续类似物体14。例如，如果检查器38识别出当前配置制作物体14的特定线三毫米太宽，则步骤412可以改变下层逻辑34和/或操作参数以使打印机头32改变1)其规定路径、2)要沉积的材料的量或成分、3)淀积特定材料的时间，4)等，以在形成物体14的后续特征或后续物体14时减小挤出的宽度。因此，该过程可以使用更新的打印参数和更新的下层过程来形成另一物体14。

使用该反馈回路，例示实施方式因此在制作过程中较早地检测制作缺陷-而不是在制造数个、数百个、或数千个物体14之后。这可以显著地减少制作物体14的净时间，并且节省处理规格事项中的许多的成本。因此，除了其它之外，图4的过程适用于使用多种材料特征形成的物体14(即，在暂停或不连续材料线之后打印头32在一个或更多个顶点之间多次通过)或由单次材料挤出形成的物体14(即，打印头32的单次通过形成顶点和线)。

在完成该过程之后，例示实施方式可以使用修改后的CAD规格信息形成额外物体14。由图4的过程捕获和减轻的误差可能是错误的制造假设的结果，或者是可能在相似的打印设备12之间变化的打印设备12的特定要求的结果。因此，使用同一打印装置，例示实施方式可以以更有效的方式使用修改后的CAD规格/打印参数来打印多个额外物体14。尽管进行了这种优化，但是物体14的后续运行仍然可以以图4中描述的方式进行测量，以进一步优化物体制作过程。一些实施方式可能需要一定数量的物体打印运行以制作具有最小变化的多个额外物体14，并且可能在打印过程中无需进一步测量。

例示实施方式可以使用模块化技术来实现系统10。例如，系统10可以包括可拆卸的打印机头20和可拆卸的CMM测量器械26(例如，可拆卸的探头)。这样，系统10可以适应于手头的任务。例如，如上所述，测量头可以被配置成容纳不同类型的测量器械，诸如模拟触觉探头或激光探头。每种探头类型都可以使用常规技术(诸如咬合配合以及其它附接技术)进行拆卸。

因此，与发明人已知的现有技术挤出打印方法不同，例示实施方式允许即时改变，这提高了打印物体14更接近其规格的可能性。此外，逻辑保留这些变化以在随后的打印运行中制作更接近期望规格的额外物体14。

本发明的各种实施方式可以至少部分地采用常规的计算机编程语言来实现。例如，一些实施方式可以采用过程化编程语言(例如，“C”)，或者采用面向物体编程语言(例如，“C++”)来实现。本发明的其它实施方式可以被实现为预编程硬件部件(例如，专用集成电路、FPGA以及数字信号处理器)或其它相关组件。

在另选实施方式中，所公开的设备和方法(例如，参见上述各种流程图)可被实现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这种实现可以包括在诸如计算机可读介质(例如，软盘、CD-ROM、ROM，或固定盘)的有形非暂时介质上固定的一系列计算机指令。该系列计算机指令可以体现本文先前关于系统描述的全部或部分功能。

本领域技术人员应当清楚，这种计算机指令可以采用许多编程语言来编写，以与许多计算机架构或操作系统一起使用。而且，这种指令可以存储在存储器装置中，如半导体、磁性、光学或其它存储装置，并且可以利用诸如光学、红外、微波或其它传输技术的任何通信技术进行传送。

除其它方式之外，这种计算机程序产品可以作为附带印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)的可移除存储介质分发，利用计算机系统预先加载(例如，预先加载在系统ROM或固定盘上)，或者通过网络(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板分布。当然，本发明的一些实施方式可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的另一些实施方式被全部实现为硬件，或全部实现为软件。

尽管上述讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但应当明白，在不脱离本发明的真实范围的情况下，本领域技术人员可以进行将实现本发明的一些优点的各种修改。

Claims (26)

1.一种通过挤出材料来制作三维物体的方法，所述方法包括：

使用具有可移动部分的增材挤出打印装置，通过所述增材挤出打印装置的所述可移动部分形成至少一条材料线(“材料线”)，挤出是根据具有所述物体的规格的标称模型而进行的；

在开始挤出所述材料线之后，使用坐标测量机测量所述材料线的至少一个尺寸；

使用与所述坐标测量机在工作上联接的检查器，通过将所述至少一个尺寸与所述物体的所述标称模型的至少一个物体规格进行比较来检查所述材料线的至少一个尺寸的尺寸精度；以及

根据检查所述至少一个测量尺寸的尺寸精度，改变由所述增材挤出打印装置的所述可移动部分进行的所述材料线的随后挤出，该改变包括控制所述增材挤出打印装置来改变所述材料线的挤出参数，

所述挤出参数包括所述可移动部分的轨迹、所述可移动部分的速度、所述材料从所述可移动部分挤出的速度、以及所述材料线的至少一个尺寸中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坐标测量机具有包括结构化白光、光纤探头、激光扫描仪和/或模拟扫描仪中的至少一个的测量器械。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增材挤出打印装置包括3D打印机。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述改变包括当所述至少一个测量尺寸产生超过规定阈值的误差时改变所述材料线的后续挤出。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体包括多个顶点和连接这些顶点的多条线。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坐标测量机包括测量所述物体的测量器械，所述测量器械在功能上独立于所述增材挤出打印装置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述坐标测量机和测量器械共享基部。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增材挤出打印装置被配置成将所述材料线挤出在通过先前的挤出形成的另一材料线上。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料线不是直的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料线包括在增材挤出打印过程中材料被迫通过挤出模具而形成的挤出输出。

11.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

更新所述标称模型的所述规格以包括所述材料线的改变后的挤出参数；以及

使用更新后的规格制作多个额外物体。

12.一种用于通过挤出材料来制作三维物体的系统，所述系统包括：

具有可移动部分的增材挤出打印装置，所述可移动部分被配置成形成至少一条材料线(“材料线”)，所述增材挤出打印装置被配置成根据具有所述物体的规格的标称模型进行挤出；

坐标测量机，所述坐标测量机被配置成在所述增材挤出打印装置开始挤出所述材料线之后，测量所述材料线的至少一个尺寸；

与所述坐标测量机在工作上联接的检查器，所述检查器被配置成通过将所述至少一个尺寸与所述物体的所述标称模型的至少一个物体规格进行比较来检查所述材料线的至少一个尺寸的尺寸精度，

所述检查器被配置成根据所述线的所述至少一个测量尺寸的尺寸精度，改变由所述增材挤出打印装置的所述可移动部分进行的所述材料线的随后挤出；所述检查器被配置成通过控制所述增材挤出打印装置以改变所述材料线的挤出参数，来改变所述线的随后挤出，

所述挤出参数包括所述可移动部分的轨迹、所述可移动部分的速度、所述材料从所述可移动部分挤出的速度、以及所述材料线的至少一个尺寸中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述坐标测量机具有包括结构化白光、光纤探头、激光扫描仪和/或模拟扫描仪中的至少一个的测量器械。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述增材挤出打印装置包括3D打印机。

15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述检查器被配置成当所述至少一个测量尺寸产生超过规定阈值的误差时改变所述材料线的后续挤出。

16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述物体包括多个顶点和连接这些顶点的多条线。

17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述坐标测量机包括测量所述物体的测量器械，所述测量器械在功能上独立于所述增材挤出打印装置。

18.根据权利要求12所述的系统，该系统还包括基部，所述基部对于所述增材挤出打印装置和所述坐标测量机二者可用。

19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述材料线不是直的。

20.根据权利要求12所述的系统，其中，所述材料线包括在增材挤出打印过程中材料被迫通过挤出模具而形成的挤出输出。

21.一种用于通过挤出材料来制作三维物体的在计算机系统上使用的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括具有计算机可读程序代码的有形非暂时性计算机可用介质，所述计算机可读程序代码包括：

用于使用具有可移动部分的增材挤出打印装置，通过所述增材挤出打印装置的所述可移动部分形成至少一条材料线(“材料线”)的程序代码，挤出是根据具有所述物体的规格的标称模型而进行的；

用于在开始挤出所述材料线之后，使用坐标测量机测量所述材料线的至少一个尺寸的程序代码；

用于使用与所述坐标测量机在工作上联接的检查器，通过将所述至少一个尺寸与所述物体的所述标称模型的至少一个物体规格进行比较来检查所述材料线的至少一个尺寸的尺寸精度的程序代码；以及

用于根据所述至少一个测量尺寸的尺寸精度改变由所述增材挤出打印装置的所述可移动部分进行的所述材料线的随后挤出的程序代码；用于进行所述改变的程序代码还包括控制所述增材挤出打印装置来改变所述材料线的挤出参数，

所述挤出参数包括所述可移动部分的轨迹、所述可移动部分的速度、所述材料从所述可移动部分挤出的速度、以及所述材料线的至少一个尺寸中的至少一个。

22.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，用于进行所述改变的程序代码被配置成当所述至少一个测量尺寸产生超过规定阈值的误差时改变所述材料线的后续挤出。

23.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，所述物体包括多个顶点和连接这些顶点的多条线。

24.根据权利要求21所述的计算机程序产品，该计算机程序产品还包括用于控制所述增材挤出打印装置将所述材料线挤出在通过先前的挤出形成的另一材料线上的程序代码。

25.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，所述材料线不是直的。

26.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，所述材料线包括在增材挤出打印过程中材料被迫通过挤出模具而形成的挤出输出。