用于认证三维零件的计算机辅助制造的方法和系统

摘要

一种用于认证由制造装置使用至少一种预定制造材料对三维零件进行的计算机辅助制造的方法，待制造三维零件由通过计算机辅助设计获得的三维模型定义并且以预定文件格式示出，制造装置被设计为被控制为根据三维模型和全局制造参数集来制造零件，方法包括以下步骤：‑根据三维零件的所述全局制造参数集的非空参数子集(SP’)的参数值生成(46)加密密钥(K’)，非空参数子集(SP’)包括制造装置的设计参数集(Pmac)中的至少一个参数，或者与制造方法有关的参数集(Pfab)中的至少一个参数，或者至少一种制造材料的特性参数集(Pmat)中的至少一个参数，‑通过应用利用所述生成的加密密钥(K’)初始化的预定水印检测算法来检测(48)三维模型中的水印，‑将所检测的水印与预期水印进行比较(52)，以及在比较结果为匹配的情况下，对三维零件的计算机辅助制造进行认证。

说明书

【技术领域】

本发明涉及用于三维零件计算机辅助制造的方法和认证系统。

本发明属于经由计算机辅助设计获得的三维模型的计算机辅助制造领域。

【背景技术】

在计算机辅助制造领域中，一方面存在增材制造(additive manufacturing)，例如3D打印，其在于通过沉积一种或多种预定材料的连续层来制造零件，另一方面存在减材制造(subtractive manufacturing)，其中通过从材料块去除材料来制造3D零件。

此外，计算机辅助制造包括物品的物理制造和所谓的虚拟制造，虚拟制造涉及生成物品的数字孪生(digital twin)。物品的数字孪生是计算机系统中模拟的对象，具有相同的形状和相同的物理属性，并且用于模拟阶段，例如，以在对象的实际物理制造之前测试对象的性能和鲁棒性属性，或者执行已制造零件或待制造零件本身或制造装置的预测性维护。虚拟制造尤其在工业原型设计阶段是有利的，在工业原型设计阶段中，虚拟制造使得可以通过避免制造多个昂贵的原型来降低制造成本。虚拟制造对于预测性维护的目的也是有利的，其中，使得可以预期故障或失效的发生，因此，可以预期对已制造零件或待制造零件本身或制造装置的维护干预的需要。

在所有这些情况下，根据制造方法，一方面在经由计算机辅助设计获得的并以预定文件格式表示的三维模型上执行计算机辅助制造，另一方面通过使用全局制造参数集来执行计算机辅助制造，该全局制造参数集包括与制造方法有关的参数集、与所使用的材料有关的参数集、以及用于制造零件的装置的设计参数集。

在增材制造，更具体地3D打印的情况下，制造方法涉及用于形成材料层的技术。例如，它可以是选择性激光熔化(SLM)，其中，激光束被导向先前沉积的粉末床，或者粉末的投射，或者定向能量沉积(DED)，其中，激光束被导向一股材料，以在材料被沉积时将其熔化。其它方法是已知的，并且本发明适用于它们的背景。对于这些方法中的每一种，必须设置相应的参数。

在鲁棒性方面，且更通常地，在与待制造零件的规格的符合性方面，全局制造参数集的参数值对已制造对象的最终属性有贡献。

与制造方法和制造装置的设计参数有关的参数的开发尤其需要合格操作者的介入，并且在某些应用中可能是漫长且昂贵的。

尤其是在使用计算机辅助制造方法的三维零件的工业生产领域中，能够验证给定零件的制造方法的真实性是重要的。

制造方法的真实性这里称为三维模型与全局参数集的至少非空子集的关联的真实性。

已知有各种方法用于在三维模型的描述文件中或在关联的数字图像中加水印，目的是使得可以监测3D模型的第三方的可能的盗版或非法盗用。然而，这样的方法仅用于认证所使用的3D模型，或者确保仅由已授权的制造机器访问3D模型。

【发明内容】

本发明的目的之一是提高三维零件的计算机辅助制造的安全性，特别是着眼于这种零件的工业制造。

为此，本发明提出了一种用于认证由制造装置使用至少一种预定制造材料对三维零件进行的计算机辅助制造的方法，所述待制造三维零件由通过计算机辅助设计获得的三维模型定义并且以预定文件格式示出，所述制造装置被设计为被控制为根据所述三维模型和全局制造参数集来制造所述零件。该方法包括以下步骤：

-根据所述三维零件的所述全局制造参数集的非空参数子集的参数值生成加密密钥(cryptographic key)，所述非空参数子集包括制造装置的设计参数集中的至少一个参数，或者与制造方法有关的参数集中的至少一个参数，或者至少一种制造材料的特性参数集中的至少一个参数，

-通过应用利用所生成的加密密钥初始化的预定水印检测算法来检测所述三维模型中的水印，

-将所检测的水印与预期水印进行比较，以及在比较结果为匹配的情况下，对所述三维零件的计算机辅助制造进行认证。

有利地，本发明的方法使得可以通过以链接方式验证定义零件的三维模型和全局参数集的非空子集来认证三维零件的计算机辅助制造，全局参数集包括制造装置的设计参数集的至少一个参数、和/或与制造方法有关的参数集的至少一个参数、和/或至少一种制造材料的特性参数集的至少一个参数。

根据本发明的三维零件计算机辅助制造认证方法可以独立地或以任何可接受的组合呈现以下特性中的一个或多个。

该方法还包括在比较结果为不匹配的情况下禁止所述三维零件的制造步骤。

非空参数子集在生成加密密钥之前被确定，并且包括与制造方法有关的所述参数集、以及制造装置的设计参数的预定子集和至少一种制造材料的特性参数的预定子集。

加密密钥的生成也取决于秘密密钥(secret key)。

该方法还包括提取与制造和所接收的三维模型关联的元数据的方法有关的所述参数集。

该方法进一步包括从制造装置的人机界面或外部控制装置接收所述制造装置设计参数集。

所检测的水印由N比特序列构成，N是非零正整数，该方法包括从存储器获得预期水印的步骤。

根据另一方面，本发明涉及一种插入数字水印的方法，该数字水印用于认证由制造装置使用至少一种预定制造材料对三维零件进行的计算机辅助制造，所述待制造三维零件由通过计算机辅助设计获得的三维模型定义，并以预定文件格式表示，所述制造装置被设计为被控制为根据所述三维模型制造所述零件，该方法包括获得待制造三维零件的三维模型的步骤。该数字水印插入方法包括以下步骤：

-确定所述待制造零件的全局制造参数集的非空子集，所述非空参数子集包括制造装置的设计参数子集的至少一个参数、或者与制造方法有关的参数集的至少一个参数、或者至少一种制造材料的特性参数子集的至少一个参数，

-根据所述非空参数子集中的参数值生成加密密钥，

-通过应用预定水印插入算法，根据所述加密密钥将由N比特序列形成的水印插入所述三维模型中，以获得所述待制造零件的已加水印的三维模型，其中，N为非零正整数。

根据本发明的用于三维计算机辅助制造认证的数字水印插入方法可以具有独立地或以任何可接受组合呈现的一个或多个以下特征。

加密密钥的生成也取决于秘密密钥。

非空参数子集包括制造装置的设计参数子集、与制造方法有关的参数集和至少一种制造材料的特性参数子集。

该方法包括存储与所述三维模型中插入的水印关联的水印数据。

该方法包括将与加水印的模型关联的所有制造参数以预定文件格式存储在文件中，所述制造参数集以元数据的形式存储。

根据另一方面，本发明涉及一种数字水印插入装置，用于对由制造装置使用至少一种预定制造材料对三维零件进行的计算机辅助制造的认证，所述待制造三维零件由通过计算机辅助设计获得的三维模型定义，并以预定文件格式表示，所述制造装置被设计为被控制为根据所述三维模型制造所述零件，所述装置包括被设计为接收待制造三维零件的三维模型的模块。该装置包括模块，这些模块被设计成：

-确定所述待制造零件的全局制造参数集的非空子集，所述非空参数子集包括制造装置的设计参数子集的至少一个参数、或者与制造方法有关的参数集的至少一个参数、或者至少一种制造材料的特性参数子集的至少一个参数，

-根据所述非空参数子集中的参数值生成加密密钥，

-通过应用预定水印插入算法，根据所述加密密钥将由N比特序列形成的水印插入所述三维模型中，以获得所述待制造零件的已加水印的三维模型，其中，N为非零正整数。

根据另一方面，本发明涉及一种用于由制造装置使用至少一种预定制造材料对三维零件进行的计算机辅助制造的认证系统，所述待制造三维零件由通过计算机辅助设计获得的三维模型定义并且以预定文件格式表示，该系统包括被设计为控制所述制造装置以根据所述三维模型和全局制造参数集来制造所述零件的装置。该系统包括模块，这些模块被设计为：

-根据所述三维零件的所述全局制造参数集的非空参数子集的参数值生成加密密钥，所述非空参数子集包括制造装置的设计参数集中的至少一个参数、或者与制造方法有关的参数集中的至少一个参数、或者至少一种制造材料的特性参数集中的至少一个参数，

-通过应用利用所生成的加密密钥初始化的预定水印检测算法来检测所述三维模型中的水印，

-将所检测的水印与预期水印进行比较，并且在比较结果为匹配的情况下对所述三维零件的计算机辅助制造进行认证。

根据一个实施方式，该系统包括适于在比较结果为不匹配的情况下禁止所述三维零件的制造步骤的模块。

【附图说明】

参考附图，本发明的其它特性和优点将从下面给出的说明书中显现，说明书是作为指示而非限制，在附图中：

图1示意性地例示了根据本发明的一个实施方式的三维零件的计算机辅助制造方法的主要步骤；

图2是根据一个实施方式的插入水印的主要步骤的框图；

图3是计算机辅助制造的认证中的主要步骤的框图；

图4示意性地例示了根据一个实施方式的三维零件计算机辅助制造认证系统。

【具体实施方式】

将在通过3D打印使用预定材料增材制造三维零件的情况下更具体地详细描述本发明。

然而，如已经解释的，本发明也可应用于真实3D零件的数字孪生的虚拟计算机辅助制造，例如用于原型设计或预测性维护目的。

本发明还适用于计算机辅助减材制造的情况。

图1例示了本发明所应用的三维零件的计算机辅助生产方法1中所涉及的主要步骤。在具体情况下，该方法涉及零件的3D打印，例如工业零件或预期用于消费者市场的零件。

该方法包括计算机辅助设计(CAD)的第一步骤2，其通常使用专用于计算机辅助设计的软件来实现，这使得可以获得以预定格式表示的待制造零件的模型。

设计由第一执行者执行，例如设计办公室或工业家。

例如，使用所谓的3D CAD类型(计算机辅助设计)格式，该格式表示待制造3D零件的三维几何形状。通常，待制造零件具有复杂的形状，以几何形状，诸如线、弧、B样条曲线表示。设计步骤2接收作为输入的、与待制造零件有关的初始规格C，包括物理、热和机械性能。例如，这些规格包括零件的期望形状、质量、电阻、使用的温度范围。

此外，我们在步骤2的输入处具有一些制造参数：制造装置，例如将用于制造的3D打印机的类型、以及打印方法的特性和材料的参数。这些参数的值从初始规格C或从一个或多个外部数据库获得。

在设计步骤2结束时，获得选定格式的文件，该文件包括待制造3D零件的初始Mod_init模型。

初始模型Mod_init被提供作为预处理该初始模型的步骤6的输入，其包括本发明特定的最后水印插入操作。

例如，初始Mod_init模型被存储在非易失性的、计算机可读的电子记录介质上，该电子记录介质被供给给实施预处理的步骤6的装置。

根据一个变型例，初始Mod_init模型被存储在文件中，并根据所选择的通信协议经由通信网络被发送到实施预处理的步骤6的装置。

预处理步骤6由第二执行者实施，例如方法办公室(methods office)，其可以不同于第一执行者，并且为了插入水印，使用可信的第三方用于计算机辅助制造。该可信的第三方确保秘密的共享，如下面更详细描述的，并提供用于根据共享秘密计算加密密钥K和K'的算法，如下面描述的。

步骤6包括在插入水印之前，将初始模型Mod_init变换成最终模型和一组元数据的操作。

除了作为经典CAD模型的初始Mod_init模型之外，该操作还将制造方法的P

制造方法的P

制造材料的特性参数的P

例如，在步骤6期间，材料的尺寸(颗粒尺寸)或形状参数是已知的，因此属于P

P

例如，激光束的温度参数在步骤6中也应当是已知的，并且因此，属于P

与制造方法有关的P

当然，P

此外，参数集P

最终模型是3D模型，其描述了待制造零件的几何形状，但是采用了所谓的交换格式，不同于初始模型的格式，诸如IGES(初始图形交换规格)、STEP(产品模型数据交换标准)、STL(立体光刻)或AMF(增材制造文件格式)。

在一个实施方式中，在该最终模型中，根据从全局制造参数集考虑的一些参数，非常轻微地修改零件的几何形状。

由转换操作产生的元数据包括P

预处理步骤6以根据全局制造参数集的非空子集在3D模型中插入该模型中的水印以获得待制造3D零件的已加水印的模型Mod_WM的操作结束。下面将参照图2详细描述插入操作的详细实施方式。

在一个实施方式中，已加水印的模型存储在给定格式文件中，并且关联的P

方法1还包括由计算机辅助制造装置，例如3D打印机，实施的制造步骤8。

在3D零件的制造材料的情况下，制造商，方法中的第三执行者接收要使用的材料4和P

制造装置还例如经由其包括的人机接口或从外部控制装置接收完整设计参数集P

在3D零件的数字孪生的虚拟制造的情况下，与上述唯一不同在于，制造商不接收材料4，而仅接收P

为了确保制造和生产具有说明书中提供的特征的3D零件的安全性，制造步骤根据本发明实施认证，该认证实施插入在已加水印模型Mod_WM中的水印的检测。

实际上，问题是确保制造不受3D模型本身或制造参数已被恶意修改或未被恶意修改的情况的影响。

下面参考图3详细描述认证的实施方式。

制造步骤8由制造商与对预处理步骤有贡献的可信的第三方合作来执行，更具体地说，通过执行水印插入操作来执行。

在整个制造方法未认证的情况下，计划禁止3D零件或其数字孪生的打印，即，不触发它。那么，有利地，确保了制造安全性，防止了可能导致制造装置故障的设计参数的任何使用。此外，有利地，通过避免生产潜在有缺陷的零件，或者将资源委托给非法或不适当地用于生产这些零件或装置的预测性维护，使得可以降低成本。

作为一种变型例，不中断生产，但是所制造的零件不被认可，因为它们不对应于为满足初始规格而提供的制造条件。

制造方法1可选地包括后处理步骤10，其包括例如3D零件的精加工操作，例如通过铣削、喷砂、抛光、电抛光、热处理、表面处理、去除支撑，由此进行3D零件的测试操作。该后处理步骤根据现有技术中已知的方法执行。

最后，该方法包括向最终接受者供给12零件，最终接受者例如应用与初始规格一致的测试。

应当注意，在虚拟制造的情况下，零件的供给12例如是待制造3D零件的数字孪生对执行测试和/或预测性维护的软件应用的供给。

还设想执行3D零件的硬件制造和关联的虚拟制造这两者，以便模拟实际使用的3D硬件零件的数字孪生的使用和执行预测性维护。

图2是在上述预处理步骤6中插入水印的一个实施方式的框图。

在一个实施方式中，水印插入由程序代码可执行指令模块执行，该程序代码可执行指令模块由可编程电子装置实现。优选地，水印插入模块在安全存储器和处理器中存储和执行，例如存在于智能卡中。

在参考图2描述的这个实施方式中，水印的插入包括第一步骤20，接收待制造零件的最终3D模型，该模型是从初始3D模型的所有预处理操作中产生的，除了插入水印之外。

步骤20之后是步骤22，确定全局制造参数集的至少一个非空SP子集。

在作为预处理6的一部分的该步骤中，由与制造方法有关的P

确定步骤22确定预处理参数集的非空SP子集。

在一个实施方式中，非空SP子集由P

优选地，非空SP子集由P

根据一个变型例，非空SP子集仅由P

根据另一个变型例，非空SP子集由P

该方法还包括获得加密密钥K

根据一个变型例，加密密钥是K

然后，在步骤26中，通过应用由秘密密钥K

例如，首先，散列函数(hash function)应用于所选子集的参数的级联值集，以获得散列。任何已知的散列函数，诸如MD5(消息摘要5)、SHA-1或SHA-256(安全散列算法1或256)、RIPEMD-160(RACE完整性原语评估消息摘要160)或Whirlpool都可以在这里应用。然后，使用对称加密算法和加密密钥K

作为变型例，加密密钥K被计算为具有密钥的消息指纹的认证码，或HMAC(密钥散列消息认证码)，即，通过使用加密散列函数结合K

在生成加密密钥K的步骤26之后是将水印插入最终3D模型的步骤28，水印的插入取决于加密密钥K。

例如，在一个实施方式中，水印由N比特序列{w

例如，所使用的水印插入方法是在X.Feng等人的文章“Digital Watermark of3DCAD Product Model”中描述的方法，该文章公开在2015年第9号International Journalof Security and Its Applications的第9卷中。此方法包括修改对3D模型进行定义的几何实体的某些坐标，同时保留零件的最终几何形状。

根据一个实施方式，坐标被修改的点被随机选择，随机路径函数由加密密钥K初始化。

根据一个变型例，在形成所插入的水印的该N比特序列{w

当然，这是水印插入的示例性实施方式。有许多已知的所谓盲法，即，其中，水印可从已加水印模型检测，而不需要使用初始3D模型。可以使用任何已知的将水印插入到这种类型的3D模型中的方法。有利地，计算得的加密密钥K可以在插入水印时用作加密风险。

由此，获得了已加水印模型Mod_WM。要注意的是，当使用上述水印插入方法时，其中存储3D模型的文件的元数据不因水印插入而改变。

该方法还包括步骤30，在水印是预定的情况下，存储水印数据F，例如形成水印的N比特序列{w

根据一个实施方式，水印数据F由可信的第三方存储，例如存储在文件中。另选地，水印数据也被插入到内部存储3D模型的文件的元数据中。

在水印使用加密密钥K随机生成的情况下，省略存储步骤30。

图3是由制造装置的控制计算机实施的制造方法、认证方法的主要步骤的框图，典型地是3D打印。

认证方法在该制造阶段中包括第一步骤40，用于接收包括用于由制造装置制造3D零件的代码指令的3D模型。

例如，该3D模型作为如上所述的包括元数据的互换格式文件被接收。

合法文件是具有经由如上参考图2所述的方法插入的水印的文件。

该方法还包括接收全局参数集并确定非空SP'参数子集的步骤42。

全局参数集包括例如通过从所接收的文件的元数据提取这些参数而获得的与制造方法有关的P

材料的P

制造装置设计P

非空子集SP'的确定步骤42包括从参数集P

由此，如果来自步骤22的非空参数子集SP由参数P

在不修改已加水印的模型Mod_WM的情况下，并且如果为水印插入选择的参数的非空SP子集的同源接收参数的非空SP'子集的值等于用于水印插入的那些值，则用于其插入的水印数据等于制造阶段期间从已加水印的模型提取的水印的那些值。

认证方法包括获得用于插入水印的密钥K

从可信的第三方获得秘密密钥。

例如，秘密密钥被存储在例如由可信的第三方提供的安全装置上，诸如安全智能卡。

然后在步骤46中，通过将与步骤26中使用的相同算法，即，由秘密密钥K

在水印检测步骤48中，应用与水印插入步骤28中应用于水印的水印插入方法有关的检测方法，使用加密密钥K'从所接收的水印模板检测或提取水印F'，。类似于插入期间使用加密密钥K，使用加密密钥K’。

例如，使用加密密钥K’来确定其坐标应该通过插入水印而改变的点。

另选地，加密密钥K’用于生成预期水印数据。

在检测步骤48结束时，从已加水印的模型提取N个二进制值(0或1)序列。

在步骤50中获得期望的F水印数据。期望的水印数据是预处理初始模板的步骤6中插入到真实文件中的水印数据，该初始模板在插入水印的步骤30中被存储。

例如，它们基于所接收的水印模型的唯一标识符应方法办公室的请求而获得，或者由方法办公室随其提供。

因此，在一个实施方式中，在步骤50中，通过请求存储器来获得水印数据F，其中，已经由方法办公室将水印数据F存储在该存储器中，或者将水印数据F存储在可移动介质上，其中，已经由可移动介质将水印数据F与水印模型一起提供。

在比较步骤52中，将该F水印数据与从所接收的文件中提取的F水印数据进行比较。

在步骤52中比较结果为不匹配的情况下，推断整个制造方法未被认证。出于安全原因，则可以禁止，即，不触发，在步骤54中制造3D零件的步骤。

在比较结果为匹配的情况下，证实制造方法的真实性，并因此授权零件的制造(步骤56)。

图4示意性地例示了根据一个实施方式的3D零件制造认证系统。

系统60包括水印插入器62和3D零件制造子系统64，这两者都连接到通信网络66。

插入装置62是可编程电子装置，例如，计算机，或者是以可编程逻辑部件的形式生产的电子装置，诸如FPGA(现场可编程门阵列)，或者是ASIC(专用集成电路)类型的专用集成电路的形式。装置62通常集成到用于准备方法办公室的生产的装置(未示出)中。

插入装置62具体包括中央计算单元68或CPU，包括一个或多个电子处理器，当装置62通电时，能够执行计算机程序指令。

装置62还包括被设计成存储信息的电子存储单元70，特别是寄存器。具体地，存储能够实施根据本发明的方法的可执行代码指令。

装置62包括控制接口72，其使得可以更新参数和从操作者接收命令，以及通信模块74，其使得可以根据给定的通信协议经由网络66接收和传送数据。上述装置62的各种功能块经由通信总线连接。

装置62被设计成在表示待制造3D零件的初始模型的文件中实施水印的插入，使得可以获得具有水印76的文件。

文件76在通信网络66上或通过电子非易失性数据存储介质被传输到形成制造子系统64的一部分的水印认证装置80。

装置80还适于控制用于制造3D零件的装置82，例如3D打印机。

装置80是可编程电子装置，例如计算机，或者以可编程逻辑部件的形式生产的电子装置，诸如FPGA(现场可编程门阵列)，或者以集成电路的形式，专用ASIC(专用集成电路)类型。

装置80具体包括中央计算单元84或CPU，包括一个或多个电子处理器，当装置80通电时，能够执行计算机程序指令。

装置80还包括适于存储信息的电子存储单元86，特别是寄存器。具体地，存储能够实施根据本发明的认证方法的可执行代码指令。

装置80包括控制接口88，其使得可以更新参数和从操作者接收命令，以及通信模块90，其使得可以根据给定的通信协议经由网络66接收和传送数据。上述装置80的各种功能块经由通信总线连接。