[논문 리뷰] On-the-fly 3D metrology of volumetric additive manufacturing

Antony Orth, Kathleen L. Sampson외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 07.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 적층 제조 중 광경화 수지의 경화 과정에서 발생하는 빛 산산이 산란되는 변화를 활용하여 실시간으로 현장에서 3차원 거시측정을 수행하는 시스템을 제안한다. 이 방법은 물체 치수 측정에서 1% 미만의 상대 정확도를 달성하여 즉각적인 결함 탐지 및 공정 보정이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반복적인 제작 및 후처리 시점 외부 측정으로 인한 빠른 프로토타이핑의 한계를 극복하기 위해.
• 적층 제조 과정 중에 안정적이고 실시간으로 3차원 형상 측정이 이루어지지 않는 문제를 해결하기 위해.
• 수지 경화 과정 중 산산이 산란되는 변화를 활용하여 동시에 인쇄와 전장 3차원 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 지속적인 3차원 모니터링을 통해 즉각적인 결함 탐지 및 공정 보정이 가능한 시스템을 개발하기 위해.

제안 방법

• 인쇄 과정 중 빌드 볼륨 내부의 빛 산산이 산란 밀도를 단층 영상 촬영 기법으로 분석한다.
• 광경화 수지의 경화 과정에서 발생하는 빛 산산이 산란의 급격한 증가를 3차원 영상 촬영을 위한 천연 대trast 메커니즘으로 활용한다.
• 컴퓨터 단층 촬영 재구성 기법을 사용하여 경화된 물체의 정량적 3차원 + 시간 모델을 생성한다.
• 실시간으로 동기화된 데이터 수집을 위해 영상 촬영 시스템을 적층 제조 장치에 직접 통합한다.
• 산산이 산란 밀도의 시간적 변화를 기반으로 각 시간 단계에서 인쇄된 물체의 3차원 기하학적 형상을 재구성한다.
• 인쇄 주기와 영상 촬영을 동기화시켜 고공간 해상도와 고시간 해상도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적층 제조 과정 중에 인쇄를 중단하지 않고도 실시간 3차원 형상 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 경화 중 물체의 기하학적 형상을 내재된 산산이 산란 변화를 이용해 현장에서 측정할 경우 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 인쇄 중에 치수 이탈이나 결함을 탐지하여 즉각적인 피드백과 보정을 제공할 수 있는가?
• RQ4 동적인 시간 변화가 일어나는 인쇄 환경에서 3차원 거시측정 시스템의 달성 가능한 정확도와 해상도는 어느 정도인가?
• RQ5 외부 마커나 校정 물체를 요구하지 않으면서도 잡음 없는 재구성을 보장하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 프린팅 크기 대비 1% 미만의 상대 정확도로 3차원 형상 재구성을 달성하여 정밀한 치수 모니터링이 가능하다.
• 이 방법은 완전히 동시에 3차원 영상 촬영과 인쇄를 수행할 수 있어 후처리 점검이 불필요하다.
• 실시간 모니터링을 통해 제작 과정 중 기하학적 이탈 및 잠재적 결함을 즉각 탐지할 수 있다.
• 경화 과정 중 내재된 산산이 산란을 활용함으로써 추가 물질이나 마커 없이도 충분한 대비를 확보할 수 있다.
• 이 기법은 경화된 물체에 대해 잡음 없는 3차원 + 시간 모델을 생성하여 신뢰할 수 있고 정량적인 측정을 보장한다.
• 이 방법은 기존의 단층 촬영 기반 적층 제조 시스템과 호환되어 간편한 통합이 가능하다.