[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文提出了一种用于体积增材制造的实时、原位3D计量系统，通过利用光敏树脂凝胶化过程中光散射的变化，实现打印与定量3D形状重建的同步进行。该方法在物体尺寸测量中实现了亚1%的相对精度，从而能够实现即时缺陷检测与工艺校正。

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.

研究动机与目标

• 为克服快速原型制造中因迭代制造和后期离线检测导致的瓶颈问题。
• 解决体积增材制造过程中缺乏稳健、实时3D形状测量的难题。
• 通过利用树脂凝胶化过程中光散射的变化，实现同时打印与全视野3D成像。
• 通过持续的3D监控，开发一种能够实现即时缺陷检测与工艺校正的系统。

提出的方法

• 在打印过程中对构建体积内的光散射密度进行层析成像。
• 利用光敏树脂凝胶化过程中光散射的显著增加作为3D成像的天然对比机制。
• 采用计算机断层扫描重建技术，生成固化物体的定量3D + 时间模型。
• 将成像系统直接集成到体积增材制造装置中，实现实时、同步的数据采集。
• 依赖散射密度的时间演化，在每个时间步长重建打印物体的3D几何形状。
• 通过将成像采集与打印周期同步，实现高空间和时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不中断打印过程的情况下，实现实时3D形状重建？
• RQ2 利用内在散射变化的原位成像，能否以足够高的精度测量固化物体的几何形状？
• RQ3 该系统能否在打印过程中检测到尺寸偏差或缺陷，并实现即时反馈与校正？
• RQ4 在动态、时变的打印环境中，该3D计量系统的可实现精度与分辨率如何？
• RQ5 该方法如何确保无伪影重建，而无需依赖外部标记或标定物体？

主要发现

• 与打印尺寸相比，该系统实现了亚1%相对精度的3D形状重建，从而实现精确的尺寸监控。
• 该方法实现了完全同步的3D成像与打印，消除了对后期检查的需求。
• 实时监控使得在制造过程中能够即时检测几何偏差与潜在缺陷。
• 利用凝胶化过程中的内在散射可提供足够的对比度，实现断层扫描重建，而无需额外材料或标记。
• 该技术可生成无伪影的固化物体3D + 时间模型，确保测量的可靠性和定量性。
• 该方法与现有层析成像体积增材制造系统兼容，可实现简便集成。