Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

Imagine una planta de fabricación donde piezas metálicas masivas no se cortan de un bloque ni se funden en un molde, sino que se construyen desde la nada, capa por capa, como una impresora 3D hecha de fuego y polvo metálico. Este proceso, conocido como deposición de energía dirigida, utiliza un láser potente para derretir un flujo de polvo metálico, fusionándolo en una forma sólida a medida que se desplaza. Es una técnica capaz de crear componentes complejos para aviones, automóviles y dispositivos médicos, o incluso de reparar piezas rotas sobre la marcha. Sin embargo, la propia naturaleza de este proceso hace que sea difícil de inspeccionar. El metal que se está construyendo suele estar caliente, ser irregular y altamente reflectante, devolviendo luz hacia los sensores de una manera que los ciega. Si se forma un defecto —un pequeño agujero, una capa deformada o un punto débil— puede arruinar toda la pieza, que podría costar miles de dólares y tardar días en producirse. Para evitar esto, los ingenieros necesitan una forma de ver el objeto claramente mientras se está fabricando, capturando un mapa tridimensional perfecto de su superficie en un abrir y cerrar de ojos, antes de que se añada la siguiente capa de metal.

Durante años, las herramientas disponibles para medir estas superficies brillantes y en movimiento han sido demasiado lentas o limitadas. Los métodos tradicionales suelen requerir la toma de una serie de fotografías a lo largo del tiempo, lo cual es imposible si el objeto se mueve o cambia de forma rápidamente. Otros tienen dificultades con el resplandor del metal, produciendo imágenes llenas de puntos brillantes y datos faltantes. Un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona y la Universidad Northwestern ha desarrollado ahora un nuevo sistema que resuelve estos problemas. Han creado una configuración de cámara 3D rápida y versátil que puede escanear una pieza metálica desde todos los ángulos en un solo instante, filtrando los reflejos cegadores para revelar la verdadera forma de la superficie. Su trabajo, detallado en un estudio reciente, demuestra un sistema capaz de medir piezas metálicas complejas con una precisión más fina que el ancho de un cabello humano, ofreciendo una nueva forma de garantizar la calidad en la fabricación de alta tecnología.

El núcleo de este nuevo sistema es una ingeniosa disposición de cámaras y proyectores colocados alrededor de la cámara de impresión. En lugar de depender de un único punto de vista, que a menudo pierde esquinas ocultas o paredes empinadas, los investigadores posicionaron cuatro cámaras y tres proyectores en círculo alrededor del área de trabajo. Esto permite ver todo el objeto a la vez, desde todos los lados. Para capturar la forma, los proyectores proyectan un patrón de franjas de luz sobre la superficie metálica. Cuando estas franjas golpean la superficie irregular y rugosa de la pieza de metal en crecimiento, se doblan y se distorsionan. Las cámaras registran estas distorsiones, y una computadora utiliza la forma en que las líneas se deformaron para calcular exactamente qué tan alto o bajo es cada punto de la superficie. Esta técnica, conocida como profilometría de proyección de franjas, es una forma estándar de medir formas, pero los investigadores tuvieron que adaptarla para los desafíos únicos de la impresión de metal.

El mayor desafío fue el resplandor. Las superficies metálicas, especialmente cuando son frescas y calientes, actúan como espejos, reflejando la luz directamente hacia las lentes de las cámaras. Esto crea puntos brillantes y saturados que lavan los delicados patrones de franjas, haciendo imposible medir esas áreas. Para solucionar esto, el equipo añadió una capa de filtros polarizados a su equipo. Piense en la luz polarizada como un flujo de agua pasando a través de una cerca con listones verticales; si intenta pasar a través de una segunda cerca con listones horizontales, se bloquea. Los investigadores colocaron un filtro frente al proyector que obliga a la luz a vibrar en una dirección específica. Luego colocaron un filtro correspondiente frente a cada cámara, orientado para bloquear esa misma dirección. Cuando la luz golpea el metal y rebota directamente, mantiene su vibración original y es bloqueada por el filtro de la cámara. Sin embargo, la luz que se dispersa en las partes rugosas y mates de la superficie metálica se desordena, cambiando su dirección de vibración. Esta luz dispersa puede pasar a través del filtro de la cámara, permitiendo que el sistema vea la verdadera textura del metal mientras ignora el resplandor cegador.

Para que el sistema fuera lo suficientemente rápido como para seguir el ritmo del proceso de impresión, los investigadores se alejaron del método tradicional de tomar múltiples fotografías en secuencia. Los sistemas estándar a menudo necesitan proyectar varios patrones diferentes y tomar una serie de fotos para construir un modelo 3D, un proceso que toma demasiado tiempo y conlleva riesgos de errores si el objeto se mueve aunque sea ligeramente. En su lugar, este nuevo sistema utiliza una técnica matemática que le permite calcular toda la forma 3D a partir de una sola fotografía. Al analizar la frecuencia de las franjas de luz en esa única imagen, la computadora puede determinar instantáneamente la profundidad de cada punto de la superficie. Esto significa que toda la medición toma menos de medio segundo, lo suficientemente rápido como para realizarse entre los pasos del proceso de impresión sin detener la máquina por mucho tiempo.

El equipo probó su sistema dentro de una máquina de impresión de metal real, midiendo una pieza compleja con forma de perro de globo y una pared alta y delgada. En el caso del perro de globo, el sistema capturó con éxito la altura de cada nueva capa a medida que se añadía, detectando cambios tan pequeños como 700 micrómetros. Cuando compararon sus mediciones con las tomadas por un microscopio industrial de alta gama, la diferencia fue de solo 64 micrómetros, un nivel de precisión que demuestra que el sistema puede rastrear la formación de la pieza de manera confiable. El sistema también logró resolver detalles finos, como las pequeñas ondulaciones dejadas por el láser mientras se movía por la superficie, mostrando que puede ver las sutiles texturas del proceso de fabricación.

Quizás la prueba más difícil fue la de la pared delgada, una estructura donde dos superficies paralelas se encuentran muy cerca una de la otra. Los métodos de escaneo 3D convencionales suelen tener dificultades con tales formas, a veces fusionando las dos paredes en una sola superficie plana porque el software se confunde por la falta de espacio entre ellas. El nuevo sistema, sin embargo, utilizó un algoritmo inteligente para combinar las vistas de las cuatro cámaras. Analizó la dirección en la que la superficie miraba en cada punto y eligió la mejor vista para cada lugar, descartando los datos conflictivos. Esto le permitió reconstruir la pared delgada con su grosor real intacto, preservando la delicada geometría que otros métodos habrían perdido. El resultado final fue un mapa completo de 360 grados del objeto, preciso hasta 55 micrómetros en términos de precisión.

Este logro marca un paso significativo hacia adelante en el campo de la fabricación aditiva de metales. Al combinar una técnica de cámara de disparo único rápido con un método para filtrar el resplandor, los investigadores han creado una herramienta que puede monitorear la calidad de las piezas metálicas mientras se están construyendo. El sistema no solo ve el objeto; ve el objeto claramente, a pesar del calor, el movimiento y los reflejos cegadores que usualmente ocultan la verdad. Aunque la configuración actual requiere una breve pausa entre las capas de impresión para realizar la medición, la velocidad del sistema sugiere que las versiones futuras podrían eventualmente monitorear el proceso en tiempo real, incluso mientras el láser está activo. Esta capacidad podría transformar cómo los fabricantes construyen componentes críticos, permitiendo detectar errores en el momento en que ocurren y asegurando que el producto final sea perfecto, capa por capa.