基于计算机视觉的 3D 打印机反馈系统

不久前，3D 打印主要用于测试创意和构建模型。现在，它已被用于在医疗保健和制造业等领域制造真实的功能性产品。从牙科模型到机械零件，它已成为生产真实世界物品的一种实用可靠的方法。

随着越来越多的公司开始在日常工作中使用 3D 打印技术，一些挑战也变得越来越明显。有时，零件的结果并不完全正确，即使是对齐或材料流动方面的小问题也会影响最终结果。

计算机视觉可以帮助解决许多此类问题。作为人工智能的一个分支，计算机视觉可以让机器解读图像和视频。在 3D 打印设置中，计算机视觉可以在打印过程中监控每一层，及早发现异常模式或错误。它甚至可以让打印机自动做出反应，帮助保持打印质量，而无需持续的人工监督。

在本文中，我们将探讨计算机视觉如何使 3D 打印变得更加可靠，并通过实际案例来展示人工智能驱动的 3D 打印监控在行动中的影响。让我们开始吧！

什么是 3D 打印？ 

3D 打印是利用数字设计制作实物。打印技术最早开发于20 世纪 80 年代，近年来发展迅速。与在平面上涂抹油墨的普通打印不同，3D 打印使用塑料、树脂或金属等材料逐层制造物体。这种方法也称为增材制造。

典型的 3D 打印机有打印床、挤出机和喷嘴等关键部件。这些部件共同作用，使打印材料成型并形成最终输出。 

打印过程从数字3D 模型开始，通常使用专业软件创建。然后将模型切成薄层，打印机读取文件，一层一层地沉积材料，直到物体完成。

如今，医疗保健、汽车和航空航天等行业都在使用 3D 打印技术生产工具、零件和定制医疗设备。它还广泛应用于产品设计、原型制作和教育领域。

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实时 3D 打印质量控制的挑战

虽然 3D 打印是一个非常简单有趣的过程，但事情并不总是那么完美。大多数问题都发生在打印过程中或打印之后。如果没有正确的工具，这些问题很容易被忽略。当你试图生产更大规模的产品时，情况尤其如此。

以下是一些与实时 3D 打印质量控制相关的最常见挑战：

• 层错位： 打印机移动过程中的轻微偏移会导致图层堆叠不均匀。它还可能导致打印效果不佳或变形。
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• 翘曲：
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• 挤出不一致： 材料流动的开始和停止可能无法预测。
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• 人工识别零件： 打印后，工人通常需要手工对零件进行分类或贴标签。这一过程既耗时又可能导致混淆。
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• 扩展问题： 随着打印部件数量的增加，如果不实现自动化，跟踪和质量控制 就会变得更加困难。

计算机视觉在 3D 打印中的作用

计算机视觉在改进 3D 打印工作方面发挥着关键作用。它有助于监控每一层，及早发现缺陷，并在打印过程中进行调整。 

接下来，让我们来详细了解一下 Vision AI 如何在现实世界的 3D 打印应用中提高准确性、一致性和自动化程度。

快速成型制造中的自动缺陷检测

如果你看过 3D 打印机的操作视频，就会知道它是一层一层地制造物体的。这种逐层制造的方法赋予了 3D 打印的灵活性，但也意味着只要有一层不对，就可能出错。 

早期的一个小错误可能会影响成品部件的强度、精度或整体质量。这就是为什么越来越多的制造商开始采用计算机视觉技术来监控加工过程。

摄像头可以捕捉每一层新材料的图像。这些图像可即时检查是否存在翘曲、缝隙或材料缺失等缺陷。及早发现问题有助于避免印刷失败并减少浪费。许多系统使用经过训练的人工智能模型来检测形状或纹理的细微变化。如果发现异常，系统会立即提醒操作员。

以 Phase3D 为例。他们的原位监测系统利用结构光和计算机视觉技术，将每个印刷层与它应该呈现的样子进行比较。如果出现不匹配，系统会立即标记出来。

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通过将这些异常情况与已知的故障模式联系起来，操作员可以在打印完成之前采取措施。这对于航空航天和国防等对精度和可靠性要求极高的行业尤其重要。它还提高了可追溯性，支持更高效、可扩展的生产。

用于 3D 打印机错误检测的计算机视觉

除了精确对齐各层之外，打印材料的流动对 3D 打印部件的最终质量也有很大影响。如果沉积的材料过多或过少，或者没有准确地沉积在应该沉积的地方，就会导致一系列问题。

与三维打印有关的一些常见问题包括：串连，即材料在部件之间形成细丝；分层，即各层不能正确粘合；挤出不足，即铺设的材料不足。这些问题会削弱部件的强度或导致其完全失效。

计算机视觉模型通过实时观察每一层来帮助解决这个问题。摄像头和传感器跟踪材料的放置方式，捕捉形状、流动性或表面纹理的变化。基本系统可以及早发现问题，而更先进的系统则可以通过调整速度或流速等设置，在印刷过程中解决问题。

探索视觉控制喷射

例如，麻省理工学院、Inkbit 和苏黎世联邦理工学院的研究人员开发的系统使用四台高速摄像机和两台激光器不断扫描打印表面。当 16000 个喷嘴沉积树脂时，系统会将每一层与数字设计进行比较，并在需要时立即进行修正，这一过程被称为视觉控制喷射。

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该系统还使用蜡作为支撑材料，打印后可将其融化，留下复杂的内部通道。该系统已被用于打印全功能物体，如具有柔软手指和坚硬部件的机器人手，或可以行走和抓取物体的六足机器人。与只检测错误的简单系统不同，这种系统可以即时纠正错误，使其在高速、高精度打印方面更加可靠。

利用人工智能优化 3D 打印流程

有时，一个批次要打印成千上万个零件，特别是在大型制造或 3D 打印服务中心。打印完成后，需要对这些部件进行识别、分类和处理，如果手工操作，不仅耗时，还容易造成混淆。

计算机视觉通过快速准确地识别和分类零件，帮助实现这一阶段的自动化。例如，AM-Vision 系统使用摄像头和几何匹配技术，将每个打印对象与其 CAD 模型进行比较。该系统可在短短几秒钟内完成零件的识别和分类。

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印刷后任务自动化可加快工作流程，减少人工劳动，并最大限度地降低分类和包装过程中出现错误的风险。除识别外，一些系统还能对部件进行分组，以便进行固化、清洁或组装等其他步骤，从而进一步提高生产流程的效率和一致性。

Vision AI 驱动的 3D 打印监控的新趋势

随着视觉人工智能与 3D 打印的进一步融合，它正在推动制造业运作方式的重大变革。以下是一些凸显其日益增长的影响的主要趋势：

• 熄灯制造: 工厂正朝着几乎不需要人工干预的全自动操作方向发展。人工智能、计算机视觉和机器人技术可以处理检测、分类和零件跟踪等任务，使全天候生产变得更加可行。
  
  
• 市场快速增长： 全球3D 打印市场预计到 2034 年将达到 1345.8 亿美元。这一增长与自动化和 Vision AI 工具的改进息息相关。
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• 预测性维护：视觉系统可以长期跟踪打印机性能，并在磨损或故障导致停机之前发现其迹象。这样可以保持生产顺利进行，减少意外维修。
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• 远程监控：人工智能驱动的摄像系统可让操作员随时随地跟踪印刷进度并接收警报。它支持灵活的生产和更短的响应时间。

主要收获

计算机视觉可帮助改进 3D 打印流程的每个阶段。它可以及早发现错误，实时监控打印，并支持过程中的调整。这些功能可提高零件质量，减少故障，降低生产成本。

随着智能技术在工厂中越来越普遍，计算机视觉技术为团队提供了更好的控制能力，并帮助他们更高效地扩展。 航空航天、医疗保健和消费品等行业已经依赖这些工具来满足严格的质量和性能标准。

通过将人工智能与实时视觉反馈相结合，3D 打印变得更加一致、高效和自动化，为实现更智能的制造铺平了道路。

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