Не так давно трёхмерная печать преимущественно использовалась для прототипирования и создания моделей. В настоящее время она активно применяется для производства функциональных изделий в различных отраслях, таких как здравоохранение и промышленность. От стоматологических конструкций до механических деталей – эта технология превратилась в эффективный и надёжный способ производства реальных объектов.
С ростом числа компаний, интегрирующих 3D-печать в свои ежедневные операции, становятся более очевидными определенные проблемы. Неточности в геометрии деталей, даже незначительные отклонения в выравнивании или подаче материала, могут негативно сказаться на конечном результате.
Компьютерное зрение, являясь частью искусственного интеллекта, способно помочь решить многие из этих проблем. Оно позволяет машинам интерпретировать изображения и видео. В контексте 3D-печати компьютерное зрение может отслеживать каждый слой в процессе печати, выявляя аномалии и ошибки на ранних стадиях. Более того, оно может позволить принтерам реагировать автоматически, помогая поддерживать высокое качество печати без постоянного ручного вмешательства.
В данной статье мы рассмотрим, как компьютерное зрение повышает надёжность 3D-печати, и проанализируем реальные примеры, демонстрирующие влияние контроля 3D-печати с помощью искусственного интеллекта. Приступим!
Что такое 3D-печать?
Технология трёхмерной печати (3D-печати) или аддитивного производства позволяет создавать физические объекты по цифровым моделям. Возникнув в 1980-х годах, она претерпела значительное развитие в последние годы. В отличие от традиционной печати, где краска наносится на плоскую поверхность, 3D-печать создаёт объекты слой за слоем из материалов, таких как пластик, смола или металл.
Типичный 3D-принтер включает в себя печатную платформу, экструдер и сопло. Эти компоненты взаимодействуют для придания материалу желаемой формы и создания конечного продукта.
Процесс печати начинается с цифровой 3D-модели, созданной с помощью специализированного программного обеспечения. Эта модель затем разделяется на тонкие слои, и принтер считывает файл, нанося материал слой за слоем до завершения объекта.
В настоящее время 3D-печать находит широкое применение в таких отраслях, как здравоохранение, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, где она используется для производства инструментов, деталей и медицинских устройств по индивидуальному заказу. Кроме того, она активно применяется в дизайне продуктов, создании прототипов и образовательной сфере.
Рис. 1. Компоненты 3D-принтера.
Проблемы контроля качества 3D-печати в режиме реального времени
Несмотря на кажущуюся простоту технологии 3D-печати, процесс может сопряжен с определенными трудностями. Большинство проблем возникает непосредственно в ходе печати или сразу после ее завершения. Игнорирование этих проблем может привести к нежелательным последствиям, особенно при производстве продукции в больших объемах.
Наиболее распространенные проблемы контроля качества 3D-печати:
- Неправильное расположение слоев: Небольшие отклонения в движении печатающей головки могут вызвать неравномерное наложение слоев, что приводит к снижению прочности и деформации отпечатков.
- Искривление: Из-за неравномерного охлаждения края отпечатка могут скручиваться или отклеиваться от печатной платформы.
- Непоследовательная экструзия: Перебои в подаче материала могут привести к появлению пустот или тонких участков на поверхности готового изделия.
- Ручная идентификация деталей: После печати часто требуется ручная сортировка и маркировка деталей, что отнимает значительное время и может быть источником ошибок.
- Проблемы масштабирования: При увеличении объемов производства отслеживание и контроль качества становятся все более сложными без использования автоматизированных систем.
Решение этих проблем требует применения современных технологий контроля качества в режиме реального времени.
Роль компьютерного зрения в 3D-печати
Компьютерное зрение играет решающую роль в совершенствовании технологий 3D-печати. Его применение позволяет осуществлять контроль за каждым этапом печати, выявлять дефекты на начальных стадиях и производить корректировку отпечатков в процессе их создания.
В дальнейшем мы рассмотрим более подробно, каким образом технологии искусственного интеллекта способствуют повышению точности, согласованности и автоматизации в практических приложениях 3D-печати.
Автоматизированное обнаружение дефектов в аддитивном производстве
Как известно из видеоматериалов, 3D-принтеры создают объекты послойно. Такой метод, обеспечивающий гибкость печати, одновременно делает процесс уязвимым к ошибкам на любом из этапов. Неточность даже в одном слое может негативно сказаться на прочности, точности и общем качестве готового изделия.
В связи с этим производители всё чаще обращаются к технологиям компьютерного зрения для мониторинга процесса печати в режиме реального времени.
Камеры, установленные на принтере, фотографируют каждый новый слой. Полученные изображения мгновенно анализируются на предмет дефектов: искажений, зазоров или недостатка материала. Раннее выявление проблем позволяет избежать бракованных отпечатков и минимизировать количество отходов. Многие системы используют модели искусственного интеллекта, обученные распознавать даже незначительные изменения формы или текстуры. При обнаружении аномалий система немедленно уведомляет оператора.
В качестве примера можно привести компанию Phase3D. Их система on-site мониторинга, основанная на структурированном свете и компьютерном зрении, сравнивает каждый напечатанный слой с эталонной моделью. Любые расхождения немедленно фиксируются системой.
Рис. 2. Использование света и компьютерного зрения для контроля 3D-печати.
Сопоставляя выявленные отклонения с известными типами сбоев, операторы получают возможность предпринять предупредительные действия до завершения процесса печати.
Такой подход приобретает особую значимость в высокоточных отраслях, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность, где безупречность качества и безотказность продукции являются определяющими факторами.
Помимо этого, данная технология способствует улучшению прозрачности производственного процесса и созданию более эффективной и масштабируемой системы производства.
Компьютерное зрение для обнаружения ошибок в работе 3D-принтера
Помимо точной настройки уровней печати, существенное значение для конечного качества изделия имеет также поток печатного материала. Несоответствие количества материала – как избыток, так и недостаток – или его неточное нанесение могут привести к ряду проблем.
Среди наиболее частых дефектов 3D-печати можно выделить *стрингерство* (образование тонких нитей материала между элементами), *расслаивание* (недостаточное сцепление слоев) и *недоэкструзию* (недостаточное количество нанесенного материала). Эти проблемы могут снизить прочность изделия или привести к его полной негодности.
Модели компьютерного зрения способны решать эту проблему путем мониторинга каждого слоя в режиме реального времени. С помощью камер и датчиков отслеживается процесс нанесения материала, фиксируются изменения формы, расхода или текстуры поверхности по мере их возникновения. Простые системы способны обнаруживать проблемы на ранних стадиях, а более продвинутые модели могут корректировать параметры печати, такие как скорость или расход, для устранения дефектов в процессе печати.
Изучение струйной обработки с контролем зрения
В данной статье описывается инновационная система 3D-печати, разработанная специалистами из MIT, Inkbit и ETH Zurich.
Система использует четыре высокоскоростные камеры и два лазера для непрерывного сканирования поверхности печати. 16000 сопел наносят смолу, а система сравнивает каждый слой с цифровым дизайном и вносит коррективы в режиме реального времени. Данный процесс носит название “струйная печать под контролем зрения”.
Рис 3. Сканирование поверхности отпечатка в режиме реального времени.
Для создания сложных внутренних каналов используется воск, который расплавляется после завершения печати. Система уже была успешно применена для создания функциональных объектов, таких как роботизированная рука с мягкими пальцами и жесткими частями, а также шестиногий робот, способный ходить и манипулировать предметами.
В отличие от традиционных систем 3D-печати, которые лишь обнаруживают ошибки, данная система осуществляет их коррекцию в процессе печати, что обеспечивает более высокую точность и надежность при высокоскоростной печати.
Оптимизация процесса 3D-печати с помощью искусственного интеллекта
В условиях массового производства деталей с помощью 3D-печати, особенно на крупных предприятиях и в центрах обслуживания, возникает необходимость в эффективной идентификации, сортировке и обработке значительного количества изготовленных объектов. Ручное выполнение этих задач может быть трудоёмким и привести к ошибкам.
Компьютерное зрение предоставляет решение для автоматизации данного этапа. Используя камеры и технологии геометрического сопоставления, системы, подобные AM-Vision, способны быстро и точно идентифицировать и классифицировать напечатанные детали, сравнивая их с соответствующими CAD-моделями. Благодаря этому, время, необходимое для сортировки деталей, сокращается до нескольких секунд.
Рис. 4. Применение компьютерного зрения для распознавания и сортировки 3D-деталей.
Внедрение автоматических систем после печати оптимизирует производственный процесс, снижает потребность в ручном труде и минимизирует риск ошибок при сортировке и упаковке. Дополнительные функции некоторых систем включают группировку деталей для последующих этапов обработки, таких как отверждение, очистка или сборка, что способствует повышению эффективности и согласованности всего производственного цикла.
Новые тенденции в мониторинге 3D-печати с помощью искусственного интеллекта
По мере углубления интеграции искусственного интеллекта (ИИ) с технологией 3D-печати, наблюдается значительное преобразование производственных процессов. Ниже представлены ключевые тенденции, демонстрирующие растущее влияние ИИ в этой области:
- Автоматизация производства: Фабрики переходят к полностью автоматизированным циклам производства, минимизируя необходимость ручного вмешательства. Комбинация ИИ, компьютерного зрения и робототехники позволяет эффективно выполнять задачи контроля качества, сортировки и отслеживания деталей, что делает круглосуточное производство более осуществимым.
- Рост рынка 3D-печати: Прогнозируется стремительный рост глобального рынка 3D-печати, который достигнет 134,58 миллиардов долларов к 2034 году. Этот прогноз обусловлен совершенствованием автоматизации и инструментов Vision AI.
- Предиктивное обслуживание: Системы технического зрения способны отслеживать работу принтера в режиме реального времени, выявляя признаки износа или потенциальных поломок до наступления сбоев. Данная функция обеспечивает бесперебойную работу производства и минимизирует количество непредвиденных ремонтов.
- Удаленный мониторинг и управление: Системы камер на базе ИИ позволяют операторам удаленно контролировать процесс печати и получать уведомления о состоянии производства из любого местоположения. Это повышает гибкость производственных процессов и оптимизирует время реагирования.
Выводы
Компьютерное зрение представляет собой мощный инструмент, способный оптимизировать каждый этап процесса аддитивного производства. Оно позволяет выявлять дефекты на начальных стадиях, осуществлять мониторинг отпечатков в режиме реального времени и вносить коррективы в ходе печати. Внедрение этой технологии способствует повышению качества изготовленных деталей, минимизации количества бракованной продукции и оптимизации производственных затрат.
В условиях растущей интеграции интеллектуальных технологий на промышленных предприятиях компьютерное зрение предоставляет командам более эффективный контроль над процессом и содействует масштабированию производства. Отрасли, такие как аэрокосмическая, медицинская и производство товаров народного потребления, уже активно используют эти инструменты для обеспечения соответствия строгим стандартам качества и производительности.
Сочетание искусственного интеллекта с визуальной обратной связью в режиме реального времени делает 3D-печать более предсказуемой, эффективной и автоматизированной, что открывает путь к более интеллектуальному производству.
