Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

एक ऐसे कारखाने के फर्श की कल्पना करें जहाँ विशाल धातु के पुर्जों को किसी ब्लॉक से काटा या सांचे में ढालकर नहीं बनाया जाता, बल्कि उन्हें शून्य से, परत दर परत बनाया जाता है, जैसे कि आग और धातु की धूल से बना एक 3D प्रिंटर हो। यह प्रक्रिया, जिसे 'डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन' (directed energy deposition) के रूप में जाना जाता है, एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके धातु के प्रवाह को पिघलाती है, जिससे वह चलते-चलते एक ठोस आकार में जुड़ जाता है। यह एक ऐसी तकनीक है जो हवाई जहाजों, कारों और चिकित्सा उपकरणों के जटिल घटकों को बनाने, या यहाँ तक कि टूटे हुए हिस्सों की मरम्मत करने में सक्षम है। हालाँकि, इस प्रक्रिया की प्रकृति ही इसे निरीक्षण करने के लिए कठिन बनाती है। बनने वाली धातु अक्सर गर्म, असमान और अत्यधिक परावर्तक होती है, जो सेंसरों की ओर इतनी तेज रोशनी फेंकती है कि वे अंधे हो जाते हैं। यदि कोई दोष उत्पन्न होता है—जैसे एक छोटा सा छेद, एक टेढ़ी-मेढ़ी परत, या एक कमजोर बिंदु—तो यह पूरे पुर्जे को खराब कर सकता है, जिसे बनाने में हजारों डॉलर लग सकते हैं और कई दिन का समय लग सकता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियरों को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जिससे वे वस्तु को बनते समय स्पष्ट रूप से देख सकें, और अगली धातु की परत जोड़ने से पहले उसकी सतह का एक सटीक तीन-आयामी (3D) मानचित्र पलक झपकते ही प्राप्त कर सकें।

वर्षों तक, इन चमकदार, चलती हुई सतहों को मापने के लिए उपलब्ध उपकरण या तो बहुत धीमे थे या बहुत सीमित थे। पारंपरिक तरीकों में अक्सर समय के साथ कई तस्वीरें लेने की आवश्यकता होती है, जो तब असंभव हो जाता है जब वस्तु तेजी से घूम रही हो या अपना आकार बदल रही हो। अन्य तरीके धातु की चमक से जूझते हैं, जिससे ऐसी छवियां बनती हैं जिनमें बहुत अधिक चमक (bright spots) होती है और डेटा गायब रहता है। एरिजोना विश्वविद्यालय और नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया सिस्टम विकसित किया है जो इन समस्याओं को हल करता है। उन्होंने एक तेज़, सर्वव्यापी 3D कैमरा सेटअप बनाया है जो एक ही क्षण में एक धातु के पुर्जे को हर कोण से स्कैन कर सकता है, और blinding (चकाचौंध करने वाली) परावर्तन को फ़िल्टर करके सतह के वास्तविक आकार को प्रकट कर सकता है। उनका कार्य, जो हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में विस्तृत है, एक ऐसे सिस्टम का प्रदर्शन करता है जो मानव बाल की चौड़ाई से भी सूक्ष्म सटीकता के साथ जटिल धातु के पुर्जों को मापने में सक्षम है, जो उच्च-तकनीकी विनिर्माण में गुणवत्ता सुनिश्चित करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

इस नए सिस्टम का मूल आधार काम करने वाले क्षेत्र के चारों ओर रखा गया कैमरों और प्रोजेक्टरों की एक चतुर व्यवस्था है। केवल एक दृष्टिकोण (viewpoint) पर निर्भर रहने के बजाय, जो अक्सर छिपे हुए कोनों या खड़ी दीवारों को देखने से चूक जाता है, शोधकर्ताओं ने कार्य क्षेत्र के चारों ओर एक घेरे में चार कैमरे और तीन प्रोजेक्टर लगाए। यह उन्हें एक ही समय में, हर तरफ से, पूरी वस्तु को देखने की अनुमति देता है। आकार को कैप्चर करने के लिए, प्रोजेक्टर धातु की सतह पर प्रकाश की धारियों (stripes) का एक पैटर्न चमकाते हैं। जब ये धारियाँ बढ़ते हुए धातु के ऊबड़-खाबड़ हिस्से से टकराती हैं, तो वे मुड़ जाती हैं और विकृत हो जाती हैं। कैमरे इन विकृतियों को रिकॉर्ड करते हैं, और कंप्यूटर इस बात का उपयोग करके कि रेखाएं कैसे मुड़ी हैं, यह गणना करता है कि सतह का प्रत्येक बिंदु ठीक कितना ऊंचा या नीचा है। यह तकनीक, जिसे 'फ्रिंज प्रोजेक्शन प्रोफाइलोमेट्री' (fringe projection-profilometry) कहा जाता है, आकारों को मापने का एक मानक तरीका है, लेकिन शोधकर्ताओं को इसे धातु प्रिंटिंग की अनूठी चुनौतियों के लिए अनुकूलित करना पड़ा था।

सबसे बड़ी चुनौती चमक (glare) थी। धातु की सतहें, विशेष रूप से जब वे ताजी और गर्म होती हैं, दर्पण की तरह काम करती हैं, जो प्रकाश को सीधे कैमरा लेंसों की ओर परावर्तित करती हैं। यह चमकदार, संतृप्त (saturated) धब्बे पैदा करता है जो नाजुक स्ट्राइप पैटर्न को धुंधला कर देते हैं, जिससे उन क्षेत्रों को मापना असंभव हो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने अपने उपकरणों में ध्रुवीकृत फिल्टर (polarized filters) की एक परत जोड़ी। ध्रुवीकृत प्रकाश को एक ऊर्ध्वाधर स्लैट्स (vertical slats) वाली बाड़ के माध्यम से बहते पानी की धारा की तरह समझें; यदि आप इसे क्षैतिज स्लैट्स वाली दूसरी बाड़ से गुजरने की कोशिश करते हैं, तो यह रुक जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रोजेक्टर के सामने एक फिल्टर लगाया जो प्रकाश को एक विशिष्ट दिशा में कंपन करने के लिए मजबूर करता है। फिर उन्होंने प्रत्येक कैमरे के सामने एक समान फिल्टर लगाया, जो उसी दिशा को ब्लॉक करने के लिए उन्मुख (oriented) था। जब प्रकाश धातु से टकराता है और वापस उछलता है, तो वह अपना मूल कंपन बनाए रखता है और कैमरे के फिल्टर द्वारा ब्लॉक हो जाता है। हालाँकि, जो प्रकाश धातु की खुरदरी, मैट सतह से बिखरता है, वह अपने कंपन की दिशा बदल देता है। यह बिखरा हुआ प्रकाश कैमरे के फिल्टर से गुजर सकता है, जिससे सिस्टम को चकाचौंध करने वाली चमक को अनदेखा करते हुए धातु की वास्तविक बनावट देखने की अनुमति मिलती है।

सिस्टम को प्रिंटिंग प्रक्रिया के साथ तालमेल बिठाने के लिए पर्याप्त तेज़ बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक क्रम में कई तस्वीरें लेने के पारंपरिक तरीके को छोड़ दिया। मानक प्रणालियों को अक्सर एक 3D मॉडल बनाने के लिए कई अलग-अलग पैटर्न प्रोजेक्ट करने और फोटो की एक श्रृंखला लेने की आवश्यकता होती है, जो एक बहुत लंबी प्रक्रिया है और यदि वस्तु थोड़ी भी हिल जाए तो त्रुटियों का जोखिम होता है। इसके बजाय, यह नया सिस्टम एक गणितीय तकनीक का उपयोग करता है जो इसे केवल एक एकल तस्वीर से संपूर्ण 3D आकार की गणना करने की अनुमति देता है। केवल एक छवि में प्रकाश की धारियों की आवृत्ति (frequency) का विश्लेषण करके, कंप्यूटर तुरंत सतह के प्रत्येक बिंदु की गहराई निर्धारित कर सकता है। इसका मतलब है कि पूरी माप आधे सेकंड से भी कम समय में पूरी हो जाती है, जो मशीन को बिना रोके प्रिंटिंग प्रक्रिया के बीच में की जा सकती है।

टीम ने एक वास्तविक धातु प्रिंटिंग मशीन के भीतर अपने सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें एक गुब्बारे वाले कुत्ते (balloon dog) के आकार का एक जटिल हिस्सा और एक लंबी, पतली दीवार को मापा गया। गुब्बारे वाले कुत्ते के मामले में, सिस्टम ने प्रत्येक नई परत के जुड़ने के साथ सफलतापूर्वक उसकी ऊंचाई को कैप्चर किया, जिससे 700 माइक्रोमीटर जितने छोटे बदलावों का पता चला। जब उन्होंने अपने मापों की तुलना एक उच्च-स्तरीय औद्योगिक सूक्ष्मदर्शी (microscope) से की, तो अंतर केवल 64 माइक्रोमीटर था, जो एक ऐसा स्तर की सटीकता है जो सिद्ध करती है कि सिस्टम विश्वसनीय रूप से पुर्जे के विकास को ट्रैक कर सकता है। सिस्टम सूक्ष्म विवरणों को भी हल करने में सक्षम रहा, जैसे कि सतह पर चलते समय लेजर द्वारा छोड़ी गई छोटी लहरें, जो यह दर्शाता है कि यह विनिर्माण प्रक्रिया की सूक्ष्म बनावट को देख सकता है।

शायद सबसे कठिन परीक्षण एक पतली दीवार के साथ आया, जो एक ऐसी संरचना है जहाँ दो समानांतर सतहें एक-दूसरे के बहुत करीब खड़ी होती हैं। पारंपरिक 3D स्कैनिंग विधियाँ अक्सर ऐसी आकृतियों के साथ संघर्ष करती हैं, कभी-कभी दो दीवारों को एक ही सपाट सतह के रूप में मिला देती हैं क्योंकि सॉफ्टवेयर उनके बीच स्थान की कमी के कारण भ्रमित हो जाता है। हालाँकि, नए सिस्टम ने सभी चार कैमरों के दृश्यों को संयोजित करने के लिए एक स्मार्ट एल्गोरिदम का उपयोग किया। इसने हर बिंदु पर सतह किस दिशा में देख रही है, इसका विश्लेषण किया और प्रत्येक स्थान के लिए सबसे अच्छे दृश्य को चुना, तथा विरोधाभासी डेटा को हटा दिया। इसने पतली दीवार को उसकी वास्तविक मोटाई के साथ पुनर्निर्मित करने की अनुमति दी, जिससे वह नाजुक ज्यामिति सुरक्षित रही जिसे अन्य विधियाँ खो देतीं। अंतिम परिणाम एक पूर्ण, 360-डिग्री मानचित्र था, जो 55 माइक्रोमीटर की सटीकता के भीतर था।

यह उपलब्धि धातु एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति है। एक तेज़, सिंगल-शॉट कैमरा तकनीक के साथ चमक को फ़िल्टर करने के तरीके को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो धातु के पुर्जों के बनते समय उनकी गुणवत्ता की निगरानी कर सकता है। यह सिस्टम केवल वस्तु को देखता नहीं है; यह वस्तु को स्पष्ट रूप से देखता है, गर्मी, गति और उस चकाचौंध भरी चमक के बावजूद जो आमतौर पर सच्चाई को छिपा देती है। हालाँकि वर्तमान सेटअप को माप लेने के लिए प्रिंटिंग परतों के बीच एक संक्षिप्त विराम की आवश्यकता होती है, सिस्टम की गति यह सुझाव देती है कि भविष्य के संस्करण अंततः वास्तविक समय में, यहाँ तक कि लेजर सक्रिय होने के दौरान भी, प्रक्रिया की निगरानी कर सकते हैं। यह क्षमता निर्माताओं के काम करने के तरीके को बदल सकती है, जिससे उन्हें त्रुटियों को होते ही पकड़ने और यह सुनिश्चित करने में मदद मिलेगी कि अंतिम उत्पाद, परत दर परत, एकदम सटीक हो।