Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

Imagine uma fábrica onde peças metálicas massivas não são cortadas de um bloco ou fundidas em um molde, mas construídas do nada, camada por camada, como uma impressora 3D feita de fogo e pó de metal. Esse processo, conhecido como deposição de energia direcionada, utiliza um laser poderoso para derreter um fluxo de pó metálico, fundindo-o em uma forma sólida conforme ele se move. É uma técnica capaz de criar componentes complexos para aviões, carros e dispositivos médicos, ou até mesmo reparar peças quebradas no local. No entanto, a própria natureza desse processo torna a inspeção difícil. O metal que está sendo construído é frequentemente quente, irregular e altamente reflexivo, refletindo luz de volta para os sensores de uma forma que os cega. Se um defeito se formar — um pequeno furo, uma camada deformada ou um ponto fraco — ele pode arruinar a peça inteira, que pode custar milhares de dólares e levar dias para ser produzida. Para evitar isso, os engenheiros precisam de uma maneira de ver o objeto claramente enquanto ele está sendo feito, capturando um mapa tridimensional perfeito de sua superfície num piscar de olhos, antes que a próxima camada de metal seja adicionada.

Por anos, as ferramentas disponíveis para medir essas superfícies brilhantes e em movimento foram muito lentas ou limitadas. Os métodos tradicionais muitas vezes exigem a captura de uma série de fotos ao longo do tempo, o que é impossível se o objeto estiver se movendo ou mudando de forma rapidamente. Outros lutam contra o brilho do metal, produzindo imagens cheias de pontos brilhantes e dados ausentes. Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Arizona e da Universidade Northwestern desenvolveu agora um novo sistema que resolve esses problemas. Eles criaram uma configuração de câmera 3D rápida e versátil que pode escanear uma peça de metal de todos os ângulos em um único instante, filtrando os reflexos cegantes para revelar a verdadeira forma da superfície. O trabalho deles, detalhado em um estudo recente, demonstra um sistema capaz de medir peças de metal complexas com uma precisão mais fina que a largura de um fio de cabelo humano, oferecendo uma nova maneira de garantir a qualidade na manufatura de alta tecnologia.

O núcleo deste novo sistema é um arranjo inteligente de câmeras e projetores colocados ao redor da câmara de impressão. Em vez de depender de um único ponto de vista, que frequentemente perde cantos escondidos ou paredes íngremes, os pesquisadores posicionaram quatro câmeras e três projetores em um círculo ao redor da área de trabalho. Isso permite que eles vejam o objeto inteiro de uma só vez, de todos os lados. Para capturar a forma, os projetores projetam um padrão de listras de luz sobre a superfície metálica. Quando essas listras atingem a superfície irregular e acidentada da peça de metal em crescimento, elas se dobram e se distorcem. As câmeras registram essas distorções, e um computador usa a maneira como as linhas foram deformadas para calcular exatamente quão alto ou baixo cada ponto da superfície está. Esta técnica, conhecida como profilometria de projeção de franjas, é uma forma padrão de medir formas, mas os pesquisadores tiveram que adaptá-la para os desafios únicos da impressão de metal.

O maior desafio era o brilho. Superfícies metálicas, especialmente quando estão frescas e quentes, agem como espelhos, refletindo a luz diretamente de volta para as lentes das câmeras. Isso cria pontos brilhantes e saturados que apagam os padrões de listras delicados, tornando impossível medir essas áreas. Para corrigir isso, a equipe adicionou uma camada de filtros polarizadores ao seu equipamento. Pense na luz polarizada como um fluxo de água passando por uma cerca com ripas verticais; se você tentar passá-la por uma segunda cerca com ripas horizontais, ela será bloqueada. Os pesquisadores colocaram um filtro à frente do projetor que força a luz a vibrar em uma direção específica. Eles então colocaram um filtro correspondente à frente de cada câmera, orientado para bloquear essa mesma direção. Quando a luz atinge o metal e rebate diretamente, ela mantém sua vibração original e é bloqueada pelo filtro da câmera. No entanto, a luz que se espalha pelas partes ásperas e foscas da superfície metálica é desordenada, mudando sua direção de vibração. Essa luz espalhada pode passar pelo filtro da câmera, permitindo que o sistema veja a verdadeira textura do metal enquanto ignora o brilho cegante.

Para tornar o sistema rápido o suficiente para acompanhar o processo de impressão, os pesquisadores se afastaram do método tradicional de tirar várias fotos em sequência. Sistemas padrão geralmente precisam projetar vários padrões diferentes e tirar uma série de fotos para construir um modelo 3D, um processo que leva muito tempo e corre o risco de erros se o objeto se mover minimamente. Em vez disso, este novo sistema usa uma técnica matemática que permite calcular toda a forma 3D a partir de apenas uma única fotografia. Ao analisar a frequência das listras de luz naquela única imagem, o computador pode determinar instantaneamente a profundidade de cada ponto da superfície. Isso significa que toda a medição leva menos de meio segundo, rápido o suficiente para ser realizado entre as etapas do processo de impressão sem interromper a máquina por muito tempo.

A equipe testou seu sistema dentro de uma máquina de impressão de metal real, medindo uma peça complexa em formato de um cachorro de balão e uma parede alta e fina. No caso do cachorro de balão, o sistema capturou com sucesso a altura de cada nova camada conforme ela era adicionada, detectando mudanças tão pequenas quanto 700 micrômetros. Quando compararam suas medições com as feitas por um microscópio industrial de alto nível, a diferença foi de apenas 64 micrômetros, um nível de precisão que prova que o sistema pode rastrear o crescimento da peça de forma confiável. O sistema também conseguiu resolver detalhes finos, como as pequenas ondulações deixadas pelo laser conforme ele se movia pela superfície, mostrando que pode ver as texturas sutis do processo de fabricação.

Talvez o teste mais difícil tenha sido com a parede fina, uma estrutura onde duas superfícies paralelas estão muito próximas uma da outra. Métodos convencionais de escaneamento 3D frequentemente lutam com tais formas, às vezes fundindo as duas paredes em uma única superfície plana porque o software fica confuso pela falta de espaço entre elas. O novo sistema, no entanto, utilizou um algoritmo inteligente para combinar as visões de todas as quatro câmeras. Ele analisou a direção para a qual a superfície estava voltada em cada ponto e escolheu a melhor visão para cada lugar, descartando os dados conflitantes. Isso permitiu que reconstruíssem a parede fina com sua espessura real intacta, preservando a geometria delicada que outros métodos teriam perdido. O resultado final foi um mapa completo de 360 graus do objeto, preciso até 55 micrômetros em termos de precisão.

Esta conquista marca um passo significativo no campo da manufatura aditiva de metal. Ao combinar uma técnica de câmera de disparo único rápido com um método para filtrar o brilho, os pesquisadores criaram uma ferramenta que pode monitorar a qualidade de peças metálicas enquanto elas estão sendo construídas. O sistema não apenas vê o objeto; ele vê o objeto claramente, apesar do calor, do movimento e dos reflexos cegantes que normalmente escondem a verdade. Embora a configuração atual exija uma breve pausa entre as camadas de impressão para realizar a medição, a velocidade do sistema sugere que versões futuras poderiam eventualmente monitorar o processo em tempo real, mesmo enquanto o laser está ativo. Essa capacidade poderia transformar a forma como os fabricantes constroem componentes críticos, permitindo que detectem erros no momento em que ocorrem e garantindo que o produto final seja perfeito, camada por camada.