Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

Immaginate un pavimento di fabbrica dove enormi parti metalliche non vengono tagliate da un blocco o fuse in uno stampo, ma costruite dal nulla, strato dopo strato, come una stampante 3D fatta di fuoco e polvere metallica. Questo processo, noto come deposizione a energia diretta, utilizza un laser potente per fondere un flusso di polvere metallica, fondendola in una forma solida mentre si muove. È una tecnica capace di creare componenti complessi per aeroplani, automobili e dispositivi medici, o persino di riparare parti rotte sul posto. Tuttavia, la natura stessa di questo processo rende difficile l'ispezione. Il metallo che viene costruito è spesso caldo, irregolare e altamente riflettente, emettendo luce che acceca i sensori. Se si forma un difetto — un piccolo foro, uno strato deformato o un punto debole — può rovinare l'intera parte, che potrebbe costare migliaus di dollari e richiedere giorni per essere prodotta. Per prevenire ciò, gli ingegneri hanno bisogno di un modo per vedere l'oggetto chiaramente mentre viene realizzato, catturando una mappa tridimensionale perfetta della sua superficie in un battito di ciglia, prima che venga aggiunto il successivo strato di metallo.

Per anni, gli strumenti disponibili per misurare queste superfici lucide e in movimento sono stati troppo lenti o troppo limitati. I metodi tradizionali spesso richiedono di scattare una serie di foto nel tempo, il che è impossibile se l'oggetto si muove o cambia forma rapidamente. Altri faticano con il riflesso del metallo, producendo immagini piene di punti luminosi e dati mancanti. Un team di ricercatori dell'Università dell'Arizona e della Northwestern University ha ora sviluppato un nuovo sistema che risolve questi problemi. Hanno creato una configurazione di telecamere 3D veloce e versatile che può scansionare una parte metallica da ogni angolazione in un singolo istante, filtrando i riflessi accecanti per rivelare la vera forma della superficie. Il loro lavoro, dettagliato in uno studio recente, dimostra un sistema capace di misurare parti metalliche complesse con una precisione più fine della larghezza di un capello umano, offrendo un nuovo modo per garantire la qualità nella produzione high-tech.

Il cuore di questo nuovo sistema è una disposizione intelligente di telecamere e proiettori posizionati attorno alla camera di stampa. Invece di affidarsi a un singolo punto di vista, che spesso perde angoli nascosti o pareti ripide, i ricercatori hanno posizionato quattro telecamere e tre proiettori in cerchio attorno all'area di lavoro. Ciò consente di vedere l'intero oggetto contemporaneamente, da ogni lato. Per catturare la forma, i proiettori proiettano un modello di strisce di luce sulla superficie metallica. Quando queste strisce colpiscono la superficie irregolare e rugosa della parte metallica in crescita, si piegano e si distorcono. Le telecamere registrano queste distorsioni e un computer usa il modo in cui le linee si sono deformate per calcolare esattamente quanto sia alto o basso ogni punto della superficie. Questa tecnica, nota come profilometria a proiezione di frange, è un modo standard per misurare le forme, ma i ricercatori hanno dovuto adattarla alle sfide uniche della stampa del metallo.

La sfida più grande era il bagliore. Le superfici metalliche, specialmente quando sono fresche e calde, agiscono come specchi, riflettendo la luce direttamente verso le lenti della telecamera. Questo crea punti luminosi e saturi che cancellano i delicati modelli a strisce, rendendo impossibile misurare quelle aree. Per risolvere il problema, il team ha aggiunto uno strato di filtri polarizzatori alla propria attrezzatura. Pensate alla luce polarizzata come a un flusso d'acqua che passa attraverso una recinzione con listelli verticali; se si tenta di farla passare attraverso una seconda recinzione con listelli orizzontali, viene bloccata. I ricercatori hanno posizionato un filtro davanti al proiettore che costringe la luce a vibrare in una direzione specifica. Hanno poi posizionato un filtro corrispondente davanti a ogni telecamera, orientato per bloccare quella stessa direzione. Quando la luce colpisce il metallo e rimbalza direttamente, mantiene la sua vibrazione originale e viene bloccata dal filtro della telecamera. Tuttavia, la luce che si diffonde sulle parti ruvide e opache del metallo viene rimescolata, cambiando la direzione della propria vibrazione. Questa luce diffusa può passare attraverso il filtro della telecamera, permettendo al sistema di vedere la vera texture del metallo ignorando il bagliore accecante.

Per rendere il sistema abbastanza veloce da stare al passo con il processo di stampa, i ricercatori si sono allontanati dal metodo tradizionale di scattare più foto in sequenza. I sistemi standard spesso devono proiettare diversi modelli e scattare una serie di foto per costruire un modello 3D, un processo che richiede troppo tempo e rischia errori se l'oggetto si muove anche solo leggermente. Invece, questo nuovo sistema utilizza una tecnica matematica che permette di calcolare l'intera forma 3D da una singola fotografia. Analizzando la frequenza delle strisce di luce in quella singola immagine, il computer può determinare istantaneamente la profondità di ogni punto della superficie. Ciò significa che l'intera misurazione richiede meno di mezzo secondo, abbastanza velocemente da poter essere eseguita tra le fasi del processo di stampa senza fermare la macchina per molto tempo.

Il team ha testato il proprio sistema all'interno di una vera macchina di stampa metallica, misurando una parte complessa a forma di cane gonfiabile e una parete alta e sottile. Nel caso del cane gonfiabile, il sistema ha catturato con successo l'altezza di ogni nuovo strato mentre veniva aggiunto, rilevando cambiamenti piccoli quanto 700 micrometri. Quando hanno confrontato le loro misurazioni con quelle effettuate da un microscopio industriale di alta gamma, la differenza era di soli 64 micrometri, un livello di precisione che dimostra come il sistema possa tracciare in modo affidabile la crescita della parte. Il sistema è anche riuscito a risolvere dettagli fini, come le minuscole increspature lasciate dal laser mentre si muoveva sulla superficie, mostrando che può vedere le sottili texture del processo di produzione.

Forse il test più difficile è stato quello con la parete sottile, una struttura dove due superfici parallele stanno molto vicine tra loro. I metodi di scansione 3D convenzionali spesso faticano con tali forme, talvolta fondendo le due pareti in una singola superficie piatta perché il software si confonde per la mancanza di spazio tra di esse. Il nuovo sistema, invece, ha utilizzato un algoritmo intelligente per combinare le viste di tutte e quattro le telecamere. Ha analizzato la direzione in cui la superficie era rivolta in ogni punto e ha scelto la visuale migliore per ogni punto, scartando i dati contrastanti. Ciò ha permesso di ricostruire la parete sottile con il suo vero spessore intatto, preservando la delicata geometria che altri metodi avrebbero perso. Il risultato finale è stata una mappa completa a 360 gradi dell'oggetto, accurata entro 55 micrometri in termini di precisione.

Questo traguardo rappresenta un passo avanti significativo nel campo della produzione additiva metallica. Combinando una tecnica di telecamera a scatto singolo veloce con un metodo per filtrare il bagliore, i ricercatori hanno creato uno strumento in grado di monitorare la qualità delle parti metalliche mentre vengono costruite. Il sistema non si limita a vedere l'oggetto; vede l'oggetto chiaramente, nonostante il calore, il movimento e i riflessi accecanti che di solito ne nascondono la verità. Sebbene l'attuale configurazione richieda una breve pausa tra gli strati di stampa per effettuare la misurazione, la velocità del sistema suggerisce che versioni future potrebbero eventualmente monitorare il processo in tempo reale, anche mentre il laser è attivo. Questa capacità potrebbe trasformare il modo in cui i produttori costruiscono componenti critici, permettendo di cogliere gli errori nel momento stesso in cui si verificano e garantendo che il prodotto finale sia perfetto, strato dopo strato.