Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

تخيل أرضية مصنع حيث لا تُقطع الأجزاء المعدنية الضخمة من كتلة أو تُصب في قالب، بل تُبنى من العدم، طبقة تلو الأخرى، مثل طابعة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من النار وغبار المعدن. هذه العملية، المعروفة باسم الترسيب بالطاقة الموجهة، تستخدم ليزرًا قويًا لصهر تيار من مسحوق المعدن، ودمجه في شكل صلب أثناء تحركه. إنها تقنية قادرة على إنشاء مكونات معقدة للطائرات، والسيارات، والأجهزة الطبية، أو حتى إصلاح الأجزاء المكسورة في مكانها. ومع ذلك، فإن طبيعة هذه العملية ذاتها تجعل فحصها أمرًا صعبًا. فالمعدن الذي يتم بناؤه غالبًا ما يكون ساخنًا، وغير مستوٍ، وعالي الانعكاس، مما يعيد الضوء إلى المستشعرات بطريقة تعميها. وإذا حدث عيب ما — ثقب صغير، أو طبقة مشوهة، أو نقطة ضعف — فقد يؤدي ذلك إلى إتلاف الجزء بأكمله، والذي قد يكلف آلاف الدولارات ويستغرق أيامًا لإنتاجه. ولمنع حدوث ذلك، يحتاج المهندسون إلى وسيلة لرؤية الجسم بوضوح أثناء تصنيعه، والتقاط خريطة ثلاثية الأبعاد مثالية لسطحه في لمح البصر، قبل إضافة الطبقة التالية من المعدن.

لسنوات، كانت الأدوات المتاحة لقياس هذه الأسطح اللامعة والمتحركة بطيئة للغاية أو محدودة. فالطرق التقليدية غالبًا ما تتطلب أخذ سلسلة من الصور بمرور الوقت، وهو أمر مستحيل إذا كان الجسم يتحرك أو يتغير شكله بسرعة. وتكافح طرق أخرى مع وهج المعدن، مما ينتج صورًا مليئة بالبقع الساطعة والبيانات المفقودة. وقد طور فريق من الباحثين من جامعة أريزونا وجامعة نورثويسترن نظامًا جديدًا يحل هذه المشكلات. فقد ابتكروا إعداد كاميرا ثلاثية الأبعاد سريعًا وشاملًا يمكنه مسح جزء معدني من جميع الزوايا في لحظة واحدة، مع تصفية الانعكاسات المبهرة للكشف عن الشكل الحقيقي للسطح. ويُظهر عملهم، المفصل في دراسة حديثة، نظامًا قادرًا على قياس الأجزاء المعدنية المعقدة بدقة أدق من عرض شعرة الإنسان، مما يوفر طريقة جديدة لضمان الجودة في التصني التصنيع عالي التقنية.

يكمن جوهر هذا النظام الجديد في ترتيب ذكي للكاميرات وأجهزة العرض الموضوعة حول غرفة الطباعة. فبدلاً من الاعتماد على وجهة نظر واحدة، والتي غالبًا ما تفقد الزوايا المخفية أو الجدران شديدة الانحدار، وضع الباحثون أربع كاميرات وثلاثة أجهزة عرض في دائرة حول منطقة العمل. وهذا يسمح لهم برؤية الجسم بأك ول من جميع الجوانب. ولتحديد الشكل، تسلط أجهزة العرض نمطًا من خطوط الضوء على السطح المعدني. وعندما تصطدم هذه الخطوط بالسطح غير المستوي والمتعرج للجزء المعدني المتنامي، فإنها تنحني وتتشوه. وتسجل الكاميرات هذه التشوهات، ويستخدم الكمبيوتر الطريقة التي انحرفت بها الخطوط لحساب مدى ارتفاع أو انخفاض كل نقطة على السطح بدقة. هذه التقنية، المعروفة باسم "قياس التشكيل بالمسقط الضوئي" (fringe projection profilometry)، هي طريقة قياسية لقياس الأشكال، لكن الباحثين اضطروا لتكييفها مع التحديات الفريدة لطباعة المعادن.

كان التحدي الأكبر هو الوهج. فالأسطح المعدنية، خاصة عندما تكون طازجة وساخنة، تعمل كالمرايا، حيث تعكس الضوء مباشرة إلى عدسات الكاميرا. وهذا يخلق بقعًا ساطعة ومشبعة تغسل أنماط الخطوط الدقيقة، مما يجعل قياس تلك المناطق مستحيلاً. ولحل هذه المشكلة، أضاف الفريق طبقة من المرشحات المستقطبة (polarized filters) إلى معداتهم. فكر في الضوء المستقطب مثل تيار من الماء يتدفق عبر سياج ذي شرائح رأسية؛ إذا حاولت تمريره عبر سياج ثانٍ ذي شرائح أفقية، فسيتم حظره. وضع الباحثون مرشحًا أمام جهاز العرض يجبر الضوء على الاهتزاز في اتجاه واحد محدد. ثم وضعوا مرشحًا مطابقًا أمام كل كاميرا، موجهًا لحظر ذلك الاتجاه نفسه. عندما يصطدم الضوء بالمعدن وينعكس مباشرة، فإنه يحتفظ باهتزازه الأصلي ويتم حظره بواسطة مرشح الكاميرا. ومع ذلك، فإن الضوء الذي يتشتت عن الأجزاء الخشنة والمطفأة من سطح المعدن يتغير اتجاه اهتزازه. ويمكن لهذا الضوء المتشتت أن يمر عبر مرشح الكروميرا، مما يسمح للنظام برؤية الملمس الحقيقي للمعدن مع تجاهل الوهج المبهر.

ولجعل النظام سريعًا بما يكفي لمواكبة عملية الطباعة، ابتعد الباحثون عن الطريقة التقليدية المتمثلة في أخذ عدة صور في تسلسل. فغالبًا ما تحتاج الأنظمة القياسية إلى عرض عدة أنماط مختلفة والتقاط سلسلة من الصور لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد، وهي عملية تستغرق وقتًا طويلاً وتخاطر بحدوث أخطاء إذا تحرك الجسم ولو قليلاً. وبدلاً من ذلك، يستخدم هذا النظام الجديد تقنية رياضية تسمة له حساب الشكل ثلاثي الأبعاد بالكامل من صورة واحدة فقط. ومن خلال تحليل تردد خطوط الضوء في تلك الصورة الواحدة، يمكن للكمبيوتر تحديد عمق كل نقطة على السطح فورًا. وهذا يعني أن عملية القياس بأكملها تستغرق أقل من نصف ثانية، وهو وقت سريع بما يكفي ليتم إجراؤه بين خطوات عملية الطباعة دون إيقاف الماكينة لفترة طويلة.

اختبر الفريق نظامهم داخل آلة طباعة معدنية حقيقية، حيث قاموا بقياس جزء معقد على شكل "كلب بالون" وجدار رفيع وطويل. وفي حالة كلب البالون، نجح النظام في التقاط ارتفاع كل طبقة جديدة تمت إضافتها، حيث اكتشف تغيرات تصل دقتها إلى 700 ميكرومتر. وعندما قارنوا قياساتهم بالقياسات المأخوذة بواسطة مجهر صناعي عالي الجودة، كان الفرق 64 ميكرومترًا فقط، وهو مستوى من الدقة يثبت أن النظام يمكنه تتبع نمو الجزء بشكل موثوق. كما تمكن النظام من تحديد التفاصيل الدقيقة، مثل التموجات الصغيرة التي يتركها الليزر أثناء تحركه عبر السطح، مما يظهر قدرته على رؤية الأنسجة الدقيقة لعملية التصنيع.

ربما كان الاختبار الأكثر صعوبة هو الجدار الرفيع، وهو هيكل يقف فيه سطحان متوازيان بالقرب من بعضهما البعض. غالبًا ما تكافح طرق المسح ثلاثي الأبعاد التقليدية مع مثل هذه الأشكال، حيث تقوم أحيانًا بدمج الجدارين في سطح واحد مسطح لأن البرامج ترتبك بسبب عدم وجود مساحة بينهما. ومع ذلك، استخدم النظام الجديد خوارزمية ذكية لدمج المشاهد من جميع الكاميرات الأربع. فقد حللت اتجاه السطح عند كل نقطة واختارت أفضل عرض لكل بقعة، مستبعدة البيانات المتضاربة. سمح هذا بإعادة بناء الجدار الرفيع بسمكه الحقيقي، والحفاظ على الهندسة الدقيقة التي كانت الطرق الأخرى ستفقدها. وكانت النتيجة النهائية عبارة عن خريطة كاملة بنسبة 360 درجة للشيء، بدقة تصل إلى 55 ميكرومترًا من حيث الدقة.

يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة للأمام في مجال التصنيع المضاف للمعادن. فمن خلال الجمع بين تقنية الكاميرا السريعة ذات اللقطة الواحدة وطريقة لتصفية الوهج، نجح الباحثون في ابتكار أداة يمكنها مراقبة جودة الأجزاء المعدنية أثناء بنائها. النظام لا يرى الجسم فحسب، بل يراه بوضوح، رغم الحرارة والحركة والانعكاسات المبهرة التي عادة ما تخفي الحقيقة. وبينما يتطلب الإعداد الحالي توقفًا قصيرًا بين طبقات الطباعة لأخذ القياس، فإن سرعة النظام تشير إلى أن النسخ المستقبلية يمكنها في النهاية مراقبة العملية في الوقت الفعلي، حتى أثناء عمل الليزر. وهذه القدرة يمكن أن تغير كيفية بناء المصنعين للمكونات الحيوية، مما يسمح لهم بالإمساك بالأخطاء في اللحظة التي تحدث فيها وضمان أن المنتج النهائي مثالي، طبقة تلو الأخرى.