В последнее время 3D-печать перестала быть лишь инструментом для прототипирования и стала активно применяться для производства функциональных изделий в различных отраслях, таких как здравоохранение и промышленность. От стоматологических моделей до механических деталей – 3D-печать продемонстрировала свою эффективность и надежность в создании реальных объектов.
Несмотря на растущую популярность этой технологии, ее применение сопряжено с некоторыми сложностями. Даже незначительные отклонения в выравнивании или подаче материала могут привести к дефектам конечного изделия.
Компьютерное зрение, являющееся одним из направлений искусственного интеллекта, способно анализировать изображения и видеопотоки. В контексте 3D-печати оно может осуществлять мониторинг каждого слоя в процессе печати, выявляя аномалии или ошибки на ранних стадиях. Более того, компьютерное зрение позволяет принтерам автоматически реагировать на выявленные проблемы, что способствует поддержанию стабильного качества печати без постоянного вмешательства человека.
В данной статье мы рассмотрим, как применение компьютерного зрения повышает надежность 3D-печати, и приведем реальные примеры, иллюстрирующие эффективность мониторинга 3D-печати с помощью искусственного интеллекта.
Что такое 3D-печать?
Трехмерная печать представляет собой передовую технологию производства физических объектов на основе цифровых моделей. Разработанная в 1980-х годах, она претерпела значительное развитие в последние годы. В отличие от традиционной печати, которая предполагает нанесение чернил на плоскую поверхность, трехмерная печать создаёт объекты слой за слоем с использованием материалов, таких как пластик, смола или металл. Этот метод также известен как аддитивное производство.
Типичный 3D-принтер состоит из основных компонентов: печатной формы, экструдера и сопла. Эти элементы функционируют в унисон, придавая материалу нужную форму и создавая конечный продукт.
Процесс печати начинается с цифровой трехмерной модели, обычно создаваемой с помощью специализированного программного обеспечения. Модель делится на тонкие слои, после чего принтер, считывая файл, наносит материал послойно до полного завершения объекта.
В настоящее время трехмерная печать находит широкое применение в различных отраслях, таких как здравоохранение, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность. Она используется для производства инструментов, деталей и медицинских устройств. Кроме того, она активно применяется в проектировании изделий, создании прототипов и образовательных целях.
Рис. 1. Компоненты 3D-принтера.
Проблемы контроля качества 3D-печати в режиме реального времени
Несмотря на кажущуюся простоту и доступность 3D-печати, процесс этот не всегда протекает без происшествий. Значительная часть проблем возникает непосредственно во время печати или вскоре после её завершения. Выявление и устранение этих проблем без использования адекватных инструментов может оказаться затруднительным, особенно при производстве продукции в больших объёмах.
Ниже перечислены наиболее распространенные проблемы, связанные с контролем качества 3D-печати в режиме реального времени:
- Неправильное расположение слоёв: Незначительные отклонения в движении печатающей головки могут привести к неравномерной укладке слоёв, что в свою очередь может вызвать ослабление конструкции или её деформацию.
- Искривление: Из-за неравномерного охлаждения во время печати края отпечатка могут скручиваться или отрываться от печатной платформы.
- Непоследовательная экструзия: Перебои в подаче материала, проявляющиеся в виде внезапных включений и выключений потока, приводят к образованию пустот или тонких участков в готовом изделии.
- Ручная идентификация деталей: После завершения печати рабочим часто приходится вручную сортировать и маркировать детали, что является трудоёмким и потенциально ошибочным процессом.
- Проблемы масштабирования: С ростом объёма производства отслеживание и контроль качества становятся всё более сложными без внедрения автоматизированных систем.
Роль компьютерного зрения в 3D-печати
Компьютерное зрение занимает центральное место в оптимизации процессов трёхмерной печати. Оно обеспечивает контроль каждого слоя печати, позволяя выявлять дефекты на начальных стадиях и осуществлять корректировку отпечатков в процессе их создания.
В дальнейшем мы рассмотрим, каким образом искусственный интеллект Vision AI способствует повышению точности, согласованности и автоматизации в практических приложениях трёхмерной печати.
Автоматизированное обнаружение дефектов в аддитивном производстве
Как известно из наблюдения за работой 3D-принтеров, объекты создаются послойно. Такой послойный метод печати, обеспечивающий гибкость, одновременно делает процесс уязвимым к ошибкам: дефект на одном слое может негативно сказаться на прочности, точности и общем качестве готового изделия.
В связи с этим производители всё чаще прибегают к использованию компьютерного зрения для контроля качества печати в режиме реального времени.
Камеры, установленные на принтере, фотографируют каждый новый слой. Полученные изображения мгновенно анализируются на предмет дефектов, таких как искажения, зазоры или недостаток материала. Раннее выявление проблем позволяет избежать брака и минимизировать отходы.
Многие системы используют модели машинного обучения, обученные распознавать даже незначительные изменения формы или текстуры. В случае обнаружения отклонений система немедленно уведомляет оператора.
Например, компания Phase3D разработала систему мониторинга, которая использует структурированное освещение и компьютерное зрение для сравнения каждого отпечатанного слоя с эталонным. При обнаружении расхождений система фиксирует их в режиме реального времени.
Рис. 2. Использование света и компьютерного зрения для мониторинга 3D-печати.
Связывая эти аномалии с известными шаблонами отказов, операторы могут принять меры еще до завершения печати. Это особенно важно в таких отраслях, как аэрокосмическая и оборонная, где точность и надежность имеют решающее значение. Это также улучшает отслеживаемость и способствует повышению эффективности и масштабируемости производства.
Компьютерное зрение для обнаружения ошибок в работе 3D-принтера
Помимо точной пространственной ориентации слоев, немаловажную роль в достижении высокого качества 3D-печати играет оптимизация подачи материала. Несоответствие количества подаваемого материала – как избыток, так и недостаток – а также его неточное размещение могут привести к ряду проблем.
Среди наиболее распространенных дефектов печати можно выделить струнчатость, характеризующуюся образованием тонких нитей материала между деталями; расслаивание, возникающее из-за ненадлежащего сцепления слоев; и недостаточную экструзию, при которой материал подаётся в недостаточном объёме. Данные проблемы могут привести к снижению прочности изделия или его полной непригодности.
Системы компьютерного зрения предлагают эффективное решение для контроля качества печати. Они осуществляют мониторинг каждого слоя в режиме реального времени, используя камеры и датчики для отслеживания подачи материала. Системы регистрируют изменения формы, расхода и текстуры поверхности по мере их возникновения. Базовые системы способны обнаружить проблемы на ранней стадии, а более продвинутые – корректировать параметры печати (скорость, расход) в процессе работы, тем самым устраняя выявленные дефекты.
Исследование струйной обработки с контролем зрения
Например, система, разработанная исследователями из MIT, Inkbit и ETH Zurich, использует четыре высокоскоростные камеры и два лазера для постоянного сканирования поверхности печати. По мере того как 16 000 сопел наносят смолу, система сравнивает каждый слой с цифровым дизайном и при необходимости мгновенно вносит коррективы – этот процесс известен как струйная печать с контролем зрения.
Рис. 3. Сканирование поверхности отпечатка в режиме реального времени.
Система 3D-печати с использованием воска:
Данная система 3D-печати включает воск в качестве вспомогательного материала, который после завершения печати расплавляется, создавая сложные внутренние каналы в готовом изделии. Технология уже была успешно применена для создания полностью функциональных объектов, таких как роботизированная рука с мягкими пальцами и жёсткими элементами, а также шестиногий робот, способный к locomotion and manipulation of objects.
В отличие от более простых систем, которые лишь обнаруживают ошибки, данная система исправляет их в режиме реального времени, что делает её более надёжной для высокоскоростной и высокоточной печати.
Оптимизация процессов 3D-печати с помощью компьютерного зрения:
Массовое производство деталей с использованием 3D-печати, особенно на крупных предприятиях или в центрах обслуживания 3D-печати, часто приводит к необходимости идентификации, сортировки и обработки тысяч объектов. Ручное выполнение этих задач может быть чрезвычайно трудоёмким и привести к ошибкам.
Компьютерное зрение предлагает автоматизированный подход к решению этой проблемы. Системы, подобные AM-Vision, используют камеры и технологии геометрического сопоставления для быстрого и точного распознавания и классификации напечатанных объектов. Сравнивая каждый объект с его CAD-моделью, система может идентифицировать и сортировать детали всего за несколько секунд.
Рис. 4. Применение компьютерного зрения для распознавания и сортировки 3D-деталей.
Автоматизация задач после печати ускоряет рабочие процессы, сокращает ручной труд и минимизирует риск ошибок при сортировке и упаковке. Помимо идентификации, некоторые системы могут группировать детали для дополнительных этапов, таких как отверждение, очистка или сборка, что еще больше повышает эффективность и согласованность производственного процесса.
Новые тенденции в мониторинге 3D-печати с помощью искусственного интеллекта
По мере интеграции искусственного интеллекта с технологией 3D-печати, наблюдается существенное преобразование в сфере промышленного производства. Ниже приведены ключевые тенденции, демонстрирующие возрастающее влияние этой интеграции:
- Производство без участия человека: Фабрики переходят к полной автоматизации производственных процессов, минимизируя необходимость человеческого вмешательства. Искусственный интеллект, компьютерное зрение и робототехника берут на себя функции контроля качества, сортировки и отслеживания деталей, что делает круглосуточное производство более реальным.
- Экспансия рынка: Прогнозируется, что к 2034 году объем мирового рынка 3D-печати достигнет 134,58 млрд долларов. Этот рост обусловлен усовершенствованием автоматизированных систем и инструментов Vision AI.
- Прогнозное обслуживание: Системы технического зрения способны отслеживать работу принтера в течение длительного периода и выявлять признаки износа или неисправностей до возникновения сбоев. Это обеспечивает непрерывность производственных процессов и сокращает количество непредвиденных ремонтов.
- Дистанционный мониторинг и управление: Системы камер, основанные на искусственном интеллекте, позволяют операторам контролировать ход печати и получать уведомления в режиме реального времени из любого местоположения. Данная функция обеспечивает гибкость производства и ускоряет реакцию на возникающие ситуации.
Выводы
Компьютерное зрение способно оптимизировать все этапы процесса аддитивного производства. Благодаря способности обнаруживать дефекты на начальном этапе, осуществлять мониторинг печати в режиме реального времени и выполнять корректировки в ходе процесса, данная технология приводит к повышению качества изделий, минимизации брака и снижению производственных затрат.
В условиях всё возрастающей интеграции “умных” технологий на промышленных предприятиях, компьютерное зрение предоставляет командам более эффективный контроль и способствует масштабированию производства. От aerospace до healthcare и consumer goods – отрасли, стремящиеся соответствовать высоким стандартам качества и производительности, уже активно внедряют эти инструменты.
Объединение искусственного интеллекта с визуальной обратной связью в режиме реального времени делает 3D-печать более предсказуемой, эффективной и автоматизированной, тем самым открывая путь к более интеллектуальному производству.
