Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

想象一下这样一个工厂车间：巨大的金属零件不是从块料中切割出来的，也不是通过模具铸造而成的，而是像一台由火焰和金属粉末组成的3D打印机一样，从无到有、逐层堆叠而成。这种被称为定向能量沉积（directed energy deposition）的过程，利用强力的激光熔化金属粉末流，在移动过程中将其熔合为固体形状。这项技术能够制造出用于飞机、汽车和医疗器械的复杂部件，甚至能现场修复损坏的零件。然而，该过程的本质特性使得检测变得异常困难。正在构建的金属通常处于高温、不平整且具有高度反射性的状态，它向传感器反射出的光线会产生闪烁，从而使传感器“失明”。如果产生缺陷——比如一个微小的孔洞、一层变形或一个薄弱点——可能会毁掉整个零件，而这可能耗费数千美元并需要数天的生产时间。为了防止这种情况，工程师们需要一种方法，能够在物体制造过程中清晰地观察它，在添加下一层金属之前，瞬间捕捉到其表面的完美三维图谱。

多年来，现有的测量这些闪亮、移动表面的工具要么速度太慢，要么功能过于有限。传统方法通常需要随时间拍摄一系列照片，但如果物体正在移动或快速改变形状，这是无法实现的。其他方法则难以应对金属的眩光，产生的图像充满了亮点并丢失数据。来自亚利桑那大学和西北大学的一个研究小组现在开发了一种新系统，解决了这些问题。他们创建了一个快速、全方位的3D相机设置，可以在瞬间从各个角度扫描金属零件，过滤掉令人目眩的反光，从而揭示表面的真实形状。他们的研究成果详述于最近的一项研究中，展示了一个能够以比人类发丝更细的精度测量复杂金属零件的系统，为确保高科技制造中的质量提供了一种新途径。

这个新系统的核心是围绕打印腔室布置的一种巧妙的相机与投影仪组合。研究人员并没有依赖单一的视角（这种视角往往会遗漏隐藏的角落或陡峭的墙壁），而是将四台相机和三台投影仪呈圆形布置在工作区域周围。这使得他们可以从每一侧同时看到整个物体。为了捕捉形状，投影仪将条纹状的光模式投射到金属表面。当这些条纹落在正在生长中的金属件那凹凸不平的表面上时，它们会发生弯曲和扭曲。相机记录下这些扭曲，计算机通过分析线条是如何变形的，来精确计算表面每一个点的高度或深度。这种技术被称为条纹投影轮廓术（fringe projection profilometry），是测量形状的一种标准方法，但研究人员必须针对金属打印的独特挑战对其进行改进。

最大的挑战在于眩光。金属表面，尤其是新鲜且炽热的金属表面，其作用就像镜子一样，将光线直接反射回相机镜头。这会产生饱和的亮点，冲刷掉细腻的条纹图案，导致无法测量这些区域。为了解决这个问题，团队在设备中加入了一层偏振滤光片。可以将偏振光想象成流经带有垂直栅栏的水流；如果你尝试让它通过第二道带有水平栅栏的栅栏，水流就会被阻挡。研究人员在投影仪前放置了一个强制光线以特定方向振动的滤波器，然后在每个相机前放置了一个匹配的滤波器，其方向与之一致以阻挡该方向。当光线撞击金属并直接反射时，它保持原始的振动方向，从而被相机的滤波器阻挡。然而，当光线在粗糙、哑光的金属表面发生散射时，其振动方向会发生改变。这种散射光可以穿过相机的滤波器，使系统能够看到金属真实的纹理，同时忽略刺眼的眩光。

为了使系统足够快以跟上打印过程，研究人员放弃了传统的通过一系列照片构建模型的方法。标准系统通常需要投射几种不同的图案并拍摄一系列照片来构建3D模型，这个过程耗时较长，且如果物体发生轻微移动，极易产生误差。相反，这个新系统使用了一种数学技术，仅凭一张照片即可计算出整个3D形状。通过分析单张图像中光条的频率，计算机可以瞬间确定表面每个点的深度。这意味着整个测量过程不到半秒钟，足以在打印步骤之间完成，而无需长时间停止机器。

团队在真实的金属打印机内部测试了他们的系统，测量了一个形状像气球狗的复杂部件和一个细长的墙壁。在气球狗的案例中，系统成功捕捉到了每一层增加时的实时高度，能够检测出小至700微米的变化。当他们将测量结果与一台高端工业显微镜的结果进行对比时，差异仅为64微米，这一精度水平证明了该系统可以可靠地追踪部件的生长。该系统还能分辨出精细的细节，例如激光在表面移动时留下的微小波纹，这表明它能够观察到制造过程中的微妙纹理。

或许最艰难的测试来自于那面薄墙，这是一个两个平行表面靠得非常近的结构。传统的3D扫描方法在处理此类形状时经常表现不佳，有时会因为软件无法识别两者之间的间隙，而将两面墙合并为一个单一的平面。然而，新系统使用了一种智能算法来整合来自四台相机的视图。它分析了每个点处表面的朝向，并为每个位置选择最佳视角，从而舍弃了冲突的数据。这使得它能够重建具有真实厚度的薄墙，保留了其他方法可能会丢失的精细几何结构。最终结果是一个完整的360度物体图谱，其精度在55微米以内。

这一成就标志着金属增材制造领域迈出了重要一步。通过将快速的单次成像相机技术与过滤眩光的方法相结合，研究人员创造了一个能够监控金属零件制造过程质量的工具。该系统不仅是在“看”物体，而且是在“清晰地看”物体，尽管存在着通常会掩盖真相的高温、运动和刺眼的反射。虽然目前的设置需要在打印层之间进行短暂的停顿以进行测量，但该系统的速度表明，未来的版本最终甚至可以在激光工作时实现实时监控。这种能力可以改变制造商制造关键部件的方式，使其能够在错误发生的瞬间即刻发现，从而确保最终产品每一层都趋于完美。