Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

Stellen Sie sich eine Fabrikhalle vor, in der massive Metallteile nicht aus einem Block geschnitten oder in einer Form gegossen werden, sondern Schicht für Schicht aus dem Nichts aufgebaut werden, wie ein 3D-Drucker aus Feuer und Metallstaub. Dieser Prozess, bekannt als gerichtete Energiedeposition (Directed Energy Deposition), verwendet einen leistungsstarken Laser, um einen Strahl aus Metallpulver zu schmelzen und es zu einer festen Form zu verschmelzen, während er sich bewegt. Es ist eine Technik, die in der Lage ist, komplexe Komponenten für Flugzeuge, Autos und medizinische Geräte zu erstellen oder sogar defekte Teile direkt vor Ort zu reparieren. Doch die Natur dieses Prozesses selbst macht die Inspektion schwierig. Das Metall, das gerade aufgebaut wird, ist oft heiß, uneben und hochgradig reflektierend, was Licht in einer Weise zurückwirft, die Sensoren blendet. Wenn ein Defekt entsteht – ein winziges Loch, eine verzogene Schicht oder eine Schwachstelle – kann dies das gesamte Teil ruinieren, dessen Herstellung Tausende von Dollar kosten und Tage dauhen kann. Um dies zu verhindern, benötigen Ingenieure eine Möglichkeit, das Objekt klar zu sehen, während es hergestellt wird, um in einem Augenblick eine perfekte dreidimensionale Karte seiner Oberfläche zu erfassen, bevor die nächste Metalllage hinzugefügt wird.

Jahrelang waren die verfügbaren Werkzeuge, um diese glänzenden, sich bewegenden Oberflächen zu messen, zu langsam oder zu begrenzt. Traditionelle Methoden erfordern oft das Aufnehmen einer Serie von Bildern über einen Zeitraum hinweg, was unmöglich ist, wenn sich das Objekt schnell bewegt oder seine Form verändert. Andere haben Schwierigkeiten mit dem Glanz des Metalls und produzieren Bilder voller heller Flecken und fehlender Daten. Ein Team von Forschern der University of Arizona und der Northwestern University hat nun ein neues System entwickelt, das diese Probleme löst. Sie haben ein schnelles, allseitiges 3D-Kamerasystem geschaffen, das in einem einzigen Augenblick ein Metallteil aus jeder Perspektive scannen kann und dabei die blendenden Reflexionen herausfiltert, um die wahre Form der Oberfläche zu enthüllen. Ihre Arbeit, die in einer kürzlich veröffentlichten Studie detailliert beschrieben wird, zeigt ein System, das in der Lage ist, komplexe Metallteile mit einer Präzision zu messen, die feiner als die Breite eines menschlichen Haares ist, und bietet so einen neuen Weg, um die Qualität in der Hochtechnologiefertigung zu gewährleisten.

Der Kern dieses neuen Systems ist eine geschickte Anordnung von Kameras und Projektoren rund um die Druckkammer. Anstatt sich auf einen einzelnen Blickwinkel zu verlassen, der oft verborgene Ecken oder steile Wände übersieht, positionierten die Forscher vier Kameras und drei Projektoren in einem Kreis um den Arbeitsbereich. Dies ermöglicht es ihnen, das gesamte Objekt gleichzeitig aus jeder Seite zu sehen. Um die Form zu erfassen, werfen die Projektoren ein Muster aus Lichtstreifen auf die Metalloberfläche. Wenn diese Streifen auf die unebene, hügelige Oberfläche des wachsenden Metalls treffen, biegen und verzerren sie sich. Die Kameras zeichnen diese Verzerrungen auf, und ein Computer berechnet anhand der Art und Weise, wie die Linien deformiert wurden, exakt, wie hoch oder niedrig jeder Punkt auf der Oberfläche liegt. Diese Technik, bekannt als Streifenprojektions-Profilometrie (Fringe Projection Profilometry), ist eine Standardmethung zur Formmessung, aber die Forscher mussten sie für die besonderen Herausforderungen des Metalldrucks anpassen.

Die größte Herausforderung war der Blendeffekt. Metalloberflächen, insbesondere wenn sie frisch und heiß sind, wirken wie Spiegel, die das Licht direkt in die Kameralinsen reflektieren. Dies erzeugt helle, gesättigte Stellen, die die feinen Streifenmuster überlagern und unmöglich machen, diese Bereiche zu messen. Um dies zu beheben, fügte das Team eine Schicht aus Polarisationsfiltern zu ihrer Ausrüstung hinzu. Stellen Sie sich polarisiertes Licht wie einen Wasserstrom vor, der durch einen Zaun mit vertikalen Latten fließt; wenn man versucht, ihn durch einen zweiten Zaun mit horizontalen Latten fließen zu lassen, wird er blockiert. Die Forscher platzierten einen Filter vor den Projektor, der das Licht in eine bestimmte Richtung schwingen lässt. Dann platzierten sie einen passenden Filter vor jede Kamera, der genau diese Richtung blockiert. Wenn das Licht auf das Metall trifft und direkt zurückgeworfen wird, behält es seine ursprüngliche Schwingung bei und wird vom Filter der Kamera blockiert. Das Licht, das jedoch von den rauen, matten Teilen der Metalloberfläche gestreut wird, verändert seine Schwingungsrichtung. Dieses gestreute Licht kann durch den Filter der Kamera gelangen, was es dem System ermöglicht, die wahre Textur des Metalls zu sehen und gleichzeitig den blendenden Glanz zu ignorieren.

Um das System schnell genug zu machen, um mit dem Druckprozess Schritt zu halten, wandten die Forscher von der traditionellen Methode ab, eine Sequenz mehrerer Bilder aufzunehmen. Standardmäßige Systeme benötigen oft die Projektion mehrerer verschiedener Muster und die Aufnahme einer Serie von Fotos, um ein 3D-Modell zu erstellen – ein Prozess, der zu lange dauert und Fehler riskiert, falls sich das Objekt auch nur leicht bewegt. Stattdessen nutzt dieses neue System eine mathematische Technik, die es ermöglicht, die gesamte 3D-Form aus nur einer einzigen Fotografie zu berechnen. Durch die Analyse der Frequenz der Lichtstreifen in diesem Einzelbild kann der Computer augenblicklich die Tiefe jedes Punktes auf der Oberfläche bestimmen. Das bedeutet, dass die gesamte Messung weniger als eine halbe Sekunde dauert, was schnell genug ist, um zwischen den Druckschritten durchgeführt zu werden, ohne die Maschine für längere Zeit anzuhalten.

Das Team testete sein System in einer echten Metall-Druckmaschine und maß ein komplexes Teil in Form eines Ballonhundes sowie eine hohe, dünne Wand. Im Fall des Ballonhundes erfasste das System erfolgreich die Höhe jeder neuen Schicht, während sie hinzugefügt wurde, und detektierte Veränderungen von nur 700 Mikrometern. Beim Vergleich ihrer Messungen mit denen eines hochwertigen industriellen Mikroskops betrug die Differenz lediglich 64 Mikrometer – ein Genauigkeitsniveau, das beweist, dass das System das Wachstum des Teils zuverlässig verfolgen kann. Das System war zudem in der Lage, feine Details aufzulösen, wie etwa die winzigen Wellen, die der Laser hinterlässt, während er über die Oberfläche fährt, was zeigt, dass es die subtilen Texturen des Fertigungsprozesses wahrnehmen kann.

Der vielleicht schwierigste Test war die dünne Wand, eine Struktur, bei der zwei parallele Oberflächen sehr nah beieinander stehen. Konventionelle 3D-Scannermethoden haben oft Schwierigkeiten mit solchen Formen und führen manchmal dazu, dass die beiden Wände zu einer einzigen flachen Oberfläche verschmelzen, weil die Software durch den geringen Platz dazwischen verwirrt wird. Das neue System nutzte jedoch einen intelligenten Algorithmus, um die Ansichten aller vier Kameras zu kombinieren. Es analysierte die Richtung, in die die Oberfläche an jedem Punkt zeigte, und wählte die beste Ansicht für jeden Punkt aus, wobei widersprüchliche Daten verworfen wurden. Dies ermöglichte es, die dünne Wand mit ihrer tatsächlichen Dicke zu rekonstruieren und die delikate Geometrie zu bewahren, die andere Methoden verloren hätten. Das Endergebnis war eine vollständige 360-Grad-Karte des Objekts, die hinsichtlich der Präzision auf 55 Mikrometer genau war.

Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der metallischen additiven Fertigung dar. Durch die Kombination einer schnellen Single-Shot-Kameratechnik mit einer Methode zur Filterung von Blendeffekten haben die Forscher ein Werkzeug geschaffen, das die Qualität von Metallteilen während ihres Aufbaus überwachen kann. Das System sieht das Objekt nicht nur; es sieht das Objekt klar, trotz der Hitze, der Bewegung und der blendenden Reflexionen, die normalerweise die Wahrheit verbergen. Während der aktuelle Aufbau eine kurze Pause zwischen den Druckschichten erfordert, um die Messung vorzunehmen, deutet die Geschwindigkeit des Systems darauf hin, dass zukünftige Versionen den Prozess schließlich in Echtzeit überwachen könnten, selbst während der Laser aktiv ist. Diese Fähigkeit könnte die Art und Weise, wie Hersteller kritische Komponenten bauen, transformieren, indem sie es ermöglicht, Fehler in dem Moment zu erkennen, in dem sie auftreten, und so sicherzustellen, dass das Endprodukt Schicht für Schicht perfekt ist.