[論文レビュー] On-the-fly 3D metrology of volumetric additive manufacturing

Antony Orth, Kathleen L. Sampson+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2022

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光感受性樹脂のゲル化に伴う光散乱の変化を活用することで、同時に印刷と定量的な3次元形状再構成を可能にする、ボリュメトリック増加造形におけるリアルタイムでイン・サイトの3次元メトロロジー・システムを提示する。この手法は、物体寸法測定において1%未満の相対的精度を達成し、即時の欠険検出とプロセス補正を可能にする。

ABSTRACT

Additive manufacturing techniques are revolutionizing product development by enabling fast turnaround from design to fabrication. However, the throughput of the rapid prototyping pipeline remains constrained by print optimization, requiring multiple iterations of fabrication and ex-situ metrology. Despite the need for a suitable technology, robust in-situ shape measurement of an entire print is not currently available with any additive manufacturing modality. Here, we address this shortcoming by demonstrating fully simultaneous 3D metrology and printing. We exploit the dramatic increase in light scattering by a photoresin during gelation for real-time 3D imaging of prints during tomographic volumetric additive manufacturing. Tomographic imaging of the light scattering density in the build volume yields quantitative, artifact-free 3D + time models of cured objects that are accurate to below 1% of the size of the print. By integrating shape measurement into the printing process, our work paves the way for next-generation rapid prototyping with real-time defect detection and correction.

研究の動機と目的

• 反復的造形と印刷後における離反測定による迅速プロトタイピングのボトルネックを克服すること。
• ボリュメトリック増加造形中に、頑健でリアルタイムな3次元形状測定が不足している問題に対処すること。
• 樹脂のゲル化に伴う光散乱の変化を活用することで、印刷とフルフィールド3次元イメージングを同時に実現すること。
• 連続的な3次元モニタリングを通じて、即時のフィードバックと補正が可能な欠陥検出とプロセス補正が可能なシステムの開発

提案手法

• 造形プロセス中におけるビルドボリューム内での光散乱密度のトモグラフィー画像法を用いる。
• 光感受性樹脂のゲル化に伴う光散乱の著しい増加を、3次元イメージングの自然なコントラストメカニズムとして活用する。
• コンピュータトモグラフィー再構成技術を用いて、硬化物体の定量的3次元＋時間的モデルを生成する。
• リアルタイムで同期されたデータ取得を可能にするために、イメージングシステムをボリュメトリック増加造形装置に直接統合する。
• 各タイムステップにおける散乱密度の時間的変化に依存して、印刷中の物体の3次元幾何形状を再構成する。
• 印刷サイクルと画像取得を同期させることで、高い空間分解能と時間分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボリュメトリック増加造形中に印刷プロセスを中断せずに、リアルタイムでの3次元形状再構成が可能か？
• RQ2 ゲル化中の内在的散乱変化を用いたイン・サイトイメージングが、硬化物体の幾何形状をどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 即時のフィードバックと補正が可能なように、印刷中に寸法のずれや欠陥を検出できるか？
• RQ4 動的で時間的に変化する造形環境において、3次元メトロロジー・システムの達成可能な正確さと分解能はどの程度か？
• RQ5 外部のマーカーやキャリブレーションオブジェクトを必要とせずに、アーティファクトのない再構成をどのように保証するか？

主な発見

• 本システムは、印刷サイズと比較して1%未満の相対的正確さで3次元形状再構成を達成し、正確な寸法監視を可能にする。
• 本手法は、完全に同時進行の3次元イメージングと印刷を実現し、印刷後検査の必要性を排除する。
• リアルタイムモニタリングにより、造形中における幾何的ずれや潜在的欠陥の即時の検出が可能になる。
• ゲル化中の内在的散乱を用いることで、追加の材料やマーカーを必要とせず、十分なコントラストを提供する。
• 本技術は、アーティファクトのない3次元＋時間的モデルを生成し、信頼性の高い定量的測定を保証する。
• 本アプローチは、既存のトモグラフィー式ボリュメトリック増加造形システムと互換性があり、容易な統合が可能である。