在最近發(fā)表在《增材制造》雜志上的一篇文章中，研究人員討論了動(dòng)態(tài)體積增材制造的 3D 計(jì)量。

研究：體積增材制造的動(dòng)態(tài) 3D 計(jì)量。圖片來源：MarinaGrigorivna

背景

體積增材制造 (VAM) 的最新進(jìn)展改變了增材制造 (AM) 的范式。斷層 VAM 是目前應(yīng)用最廣泛的 VAM 方法。重要的是，VAM 工藝消除了數(shù)字光處理 (DLP) 和立體光刻 (SLA) 中耗時(shí)的剝離重涂階段，打印時(shí)間不到一分鐘。雖然 VAM 提高了 AM 的速度，但快速打印計(jì)量和檢查的必要性仍然是所有 AM 模式的主要障礙。

最近關(guān)于使用光學(xué) 3D 掃描來評(píng)估層沉積之間的打印幾何形狀的 AM 系統(tǒng)的報(bào)道很少。這些技術(shù)要么僅對(duì)選擇的圖層進(jìn)行采樣，要么假定打印非常類似于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)文件。目前還沒有設(shè)備可以在打印期間或之后準(zhǔn)確評(píng)估完整對(duì)象的幾何形狀。

表面輪廓測(cè)量允許對(duì)局部表面形貌進(jìn)行高分辨率攝影，但僅限于相對(duì)平坦的區(qū)域，與平均值的偏差很小。

關(guān)于研究

在這項(xiàng)研究中，作者展示了完全同步的 3D 計(jì)量和打印。對(duì)于斷層體積增材制造過程中打印件的實(shí)時(shí) 3D 成像，光樹脂的顯著增加用于凝膠化過程中的光散射。一種通用方法應(yīng)用于斷層掃描，其中旋轉(zhuǎn)構(gòu)建體積允許同時(shí)進(jìn)行斷層劑量投影和斷層成像。這種成像方法被稱為“光學(xué)散射斷層掃描”(OST)。

該團(tuán)隊(duì)展示了一種光學(xué)成像技術(shù)，用于對(duì) AM 中的固化進(jìn)行實(shí)時(shí) 3D 映射。為了區(qū)分打印體積的固化和未固化部分，在光散射中使用了樹脂的顯著上升。通過在暗場(chǎng)配置中監(jiān)測(cè)構(gòu)建體積內(nèi)的光散射強(qiáng)度來獲取打印的高對(duì)比度投影圖像。

在 OST 中，從打印體積中掃描側(cè)向散射光并形成物體每一層的正弦圖，并允許進(jìn)行斷層重建。展示了一種光聚合增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許對(duì)整個(gè)印刷品進(jìn)行定量重建，并在整個(gè)印刷過程中現(xiàn)場(chǎng)展示。

研究人員為在提議的打印機(jī)幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)施 OST 奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。顯示了復(fù)雜斷層照片的 4D(3D + 時(shí)間)成像，并將 OST 成像結(jié)果與參考打印幾何形狀進(jìn)行了比較。

觀察構(gòu)建體積中的光散射密度的斷層成像產(chǎn)生了固化物品的無偽影和定量 3D + 時(shí)間模型，其精確到打印尺寸的 1% 以下。實(shí)驗(yàn) OST 派生的 3D 模型和參考幾何圖形的尺寸精度和均方根誤差 (RMSE) 等于或小于 OST 體素尺寸 (0.155mm)，或約為打印尺寸的 1% 或更少。

斷層采樣和重采樣技術(shù)類似于非折射率匹配斷層打印系統(tǒng)的投影步驟中使用的技術(shù)，能夠?qū)Υ蛴∑績(jī)?nèi)的散射密度進(jìn)行 3D 重建。雖然基于紋影的技術(shù)適用于完美折射率匹配的系統(tǒng)，但空氣/樣品瓶界面處的嚴(yán)重折射使得它們難以在非折射率匹配系統(tǒng)中使用。

OST 成像通過向操作員提供關(guān)鍵的打印進(jìn)度反饋，使斷層打印機(jī)更易于使用。人們發(fā)現(xiàn)，使用 OST 成像系統(tǒng)極大地提高了在各種打印幾何形狀和樹脂上獲得成功打印參數(shù)的能力。

結(jié)論總之，本研究介紹了 OST 成像模式，它允許對(duì)斷層 VAM 過程進(jìn)行實(shí)時(shí) 3D 成像。作為一種光學(xué)對(duì)比機(jī)制，OST 利用了由液體單體和固體聚合物之間的微尺度折射率差異引起的散射。瑞利散射理論捕捉到了 OST 散射信號(hào)對(duì)折射率失配的近似依賴性。

凝膠化過程中散射光的暗場(chǎng)成像是計(jì)量方法的一個(gè)重要方面。這種光學(xué)配置被證明在斷層 VAM 中很有用，但它也可以用于其他 AM 方法。DLP 或 SLA 打印的每一層的暗場(chǎng)散射可以從構(gòu)建體積下方成像，從而產(chǎn)生實(shí)際固化打印的高對(duì)比度逐層照片。OST 的加入將斷層掃描 VAM 與其他 3D 打印系統(tǒng)區(qū)分開來，允許用戶在打印過程中查看和量化打印。

作者強(qiáng)調(diào)，所提出的方法通過在打印過程中包含形狀測(cè)量，為具有實(shí)時(shí)故障識(shí)別和糾正功能的下一代快速原型制作奠定了基礎(chǔ)。

他們還認(rèn)為，易于使用的時(shí)空計(jì)量(例如 OST 提供的)對(duì)于提高斷層 VAM 的保真度以及使其更容易被最終用戶訪問至關(guān)重要。