Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

Stel je een fabrieksvloer voor waar massieve metalen onderdelen niet uit een blok worden gesneden of in een mal worden gegoten, maar worden opgebouwd uit het niets, laag voor laag, als een 3D-printer gemaakt van vuur en metaalstof. Dit proces, bekend als directed energy deposition, gebruikt een krachtige laser om een stroom metaalpoeder te smelten, waardoor het wordt samengesmolten tot een solide vorm terwijl het beweegt. Het is een techniek die in staat is om complexe componenten voor vliegtuigen, auto's en medische hulpmiddelen te maken, of zelfs om kapotte onderdelen ter plaatse te repareren. Echter, de aard van dit proces zelf maakt inspectie moeilijk. Het metaal dat wordt opgebouwd is vaak heet, ongelijkmatig en hoog reflecterend, waardoor er licht terugflitst naar sensoren op een manier die hen verblindt. Als er een defect ontstaat – een minuscuul gaatje, een vervormde laag of een zwak punt – kan dit het hele onderdeel ruïneren, wat duizenden dollars kan kosten en dagen kan duren om te produceren. Om dit te voorkomen, hebben ingenieurs een manier nodig om het object duidelijk te kunnen zien terwijl het wordt gemaakt, door in een oogwenk een perfect driedimensionaal kaart van het oppervlak vast te leggen, voordat de volgende metaallag wordt toegevoegd.

Jarenlang waren de beschikbare instrumenten om deze glimmende, bewegende oppervlakken te meten te traag of te beperkt. Traditionele methoden vereisen vaak het maken van een reeks foto's over een bepaalde tijd, wat onmogelijk is als het object snel beweegt of van vorm verandert. Anderen worstelen met de schittering van het metaal, wat leidt tot beelden vol heldere vlekken en ontbrekende gegevens. Een team onderzoekers van de University of Arizona en Northwestern University heeft nu een nieuw systeem ontwikkeld dat deze problemen oplost. Ze hebben een snelle, veelzijdige 3D-cameraopstelling gecreëerd die een metalen onderdeel vanuit elke hoek in één enkel moment kan scannen, waarbij de verblindende reflecties wegfiltert om de werkelijke vorm van het oppervlak te onthullen. Hun werk, dat gedetailleerd is in een recente studie, demonstreert een systeem dat in staat is om complexe metalen onderdelen te meten met een precisie die fijner is dan de breedte van een menselijk haar, wat een nieuwe manier biedt om de kwaliteit in hoogwaardige productie te waarborgen.

De kern van dit nieuwe systeem is een slimme opstelling van camera's en projectoren rond de printkamer. In plaats van te vertrouwen op één enkel gezichtspunt, dat vaak verborgen hoeken of steile wanden mist, hebben de onderzoekers vier camera's en drie projectoren in een cirkel rond het werkgebied geplaatst. Dit stelt hen in staat om het hele object in één keer te zien, van alle kanten. Om de vorm vast te leggen, projecteren de projectoren een patroon van lichtstrepen op het metalen oppervlak. Wanneer deze strepen het ongelijkmatige, bobbelige oppervlak van het groeiende metaal raken, buigen en vervormen ze. De camera's registreren deze vervormingen, en een computer gebruikt de manier waarop de lijnen zijn verbogen om exact te berekenen hoe hoog of laag elk punt op het oppervlak is. Deze techniek, bekend als fringe projection profilometry, is een standaardmethode om vormen te meten, maar de onderzoekers moesten deze aanpassen aan de unieke uitdagingen van het printen van metaal.

De grootste uitdaging was de schittering. Metaaloppervlakken, vooral wanneer ze vers en heet zijn, werken als spiegels en reflecteren het licht rechtstreeks terug in de cameralenzen. Dit creëert heldere, verzadigde plekken die de delicate strepenpatronen wegwassen, waardoor het onmogelijk wordt om die gebieden te meten. Om dit op te lossen, voegde het team een laag polarisatiefilters toe aan hun apparatuur. Denk bij gepolariseerd licht aan een waterstroom die door een hek met verticale latten stroomt; als je probeert er door een tweede hek met horizontale latten te gaan, wordt de stroom geblokkeerd. De onderzoekers plaatsten een filter voor de projector die het licht dwingt om in één specifieke richting te trillen. Vervolgens plaatsten ze een bijpassend filter voor elke camera, georiënteerd om diezelfde richting te blokkeren. Wanneer het licht het metaal raakt en direct terugkaatst, behoudt het zijn oorspronkelijke trilling en wordt het geblokkeerd door het filter van de camera. Echter, het licht dat van de ruwe, matte delen van het metalen oppervlak afkaatst, wordt verstrooid en verandert van trillingsrichting. Dit verstrooide licht kan door het filter van de camera passeren, waardoor het systeem de ware textuur van het metaal kan zien terwijl de verblindende schittering wordt genegeerd.

Om het systeem snel genoeg te maken om het printproces bij te houden, stapten de onderzoekers af van de traditionele methode waarbij een reeks foto's in een sequentie wordt genomen. Standaard systemen moeten vaak verschillende patronen projecteren en een reeks foto's maken om een 3D-model op te bouwen, een proces dat te lang duurt en risico op fouten met zich meebrengt als het object zelfs maar een klein beetje beweegt. In plaats daarvan gebruikt dit nieuwe systeem een wiskundige techniek waarmee het de volledige 3D-vorm kan berekenen vanuit slechts één enkele foto. Door de frequentie van de lichtstrepen in die ene afbeelding te analyseren, kan de computer onmiddellijk de diepte van elk punt op het oppervlak bepalen. Dit betekent dat de gehele meting minder dan een halve seconde duurt, snel genoeg om tussen de stappen van het printproces door te worden uitgevoerd zonder de machine langdurig te stoppen.

Het team testte hun systeem binnen een echte metaalprintmachine, waarbij ze een complex onderdeel in de vorm van een ballonhond en een hoge, dunne wand maten. In het geval van de ballonhond legde het systeem er succesvol de hoogte van elke nieuwe laag vast terwijl deze werd toegevoegd, waarbij veranderingen zo klein als 700 micrometer werden gedetecteerd. Wanneer ze hun metingen vergeleken met die van een hoogwaardige industriële microscoop, was het verschil slechts 64 micrometer, een nauwkeurigheidsniveau dat bewijst dat het systeem de groei van het onderdeel betrouwbaar kan volgen. Het systeem was ook in staat om fijne details te onderscheiden, zoals de minuscule rimpelingen die de laser achterlaat terwijl deze over het oppervlak beweegt, wat aantoont dat het de subtiele texturen van het productieproces kan waarnemen.

Misschien wel de moeilijkste test was die met de dunne wand, een structuur waarbij twee parallelle oppervlakken zeer dicht bij elkaar staan. Conventionele 3D-scansystemen hebben vaak moeite met dergelijke vormen en voegen de twee wanden soms samen tot één plat oppervlak omdat de software in de war raakt door het gebrek aan ruimte tussen hen. Het nieuwe systeem gebruikte echter een slim algoritme om de beelden van alle vier de camera's te combineren. Het analyseerde de richting waarin het oppervlak op elk punt gericht was en koos de beste weergave voor elke plek, waarbij conflicterende gegevens werden weggegooid. Dit stelde het systeem in staat om de dunne wand met de ware dikte te reconstrueren, waarbij de delicate geometrie die andere methoden verloren zouden hebben, behouden bleef. Het eindresultaat was een volledige, 360-graden kaart van het object, accuraat tot op 55 micrometer in termen van precisie.

Deze prestatie markeert een belangrijke stap voorwaarts in het vakgebied van de metaal-additieve productie. Door een snelle 'single-shot' cameratechniek te combineren met een methode om schittering te filteren, hebben de onderzoekers een instrument gecreëerd dat de kwaliteit van metalen onderdelen kan monitoren terwijl ze worden opgebouwd. Het systeem ziet het object niet alleen; het ziet het object duidelijk, ondanks de hitte, de beweging en de verblindende reflecties die normaal gesproken de waarheid verbergen. Hoewel de huidige opstelling een korte pauze tussen de printlagen vereist om de meting te verrichten, suggereert de snelheid van het systeem dat toekomstige versies uiteindelijk het proces in realtime kunnen monitoren, zelfs terwijl de laser actief is. Deze capaciteit zou de manier waarop fabrikanten kritieke componenten bouwen kunnen transformeren, waardoor zij fouten op het moment dat ze ontstaan kunnen detecteren en garanderen dat het eindproduct, laag voor laag, perfect is.