ساخت افزودنی حجمی (VAM)، به ویژه نوع توموگرافیک آن، با امکان پخت همزمان کل ساختارهای سهبعدی، نشاندهنده تغییری بنیادین نسبت به تکنیکهای سنتی لایهبهلایه است. این رویکرد، آثار لایهای و سازههای نگهدارنده را حذف کرده و زمان چاپ را به زیر یک دقیقه میرساند. با این حال، یک گلوگاه حیاتی در تمام روشهای ساخت افزودنی باقی مانده است: ماهیت ترتیبی گردش کار «چاپ-سپس-اندازهگیری». تکنیکهای اندازهگیری خارج از محل مانند میکرو-سیتی یا اسکن نوری، زمانبر، پرهزینه بوده و چرخههای نمونهسازی سریع را مختل میکنند. این مقاله با معرفی یک سیستم اندازهگیری سهبعدی کاملاً همزمان و درونمحیطی که مستقیماً در فرآیند توموگرافیک VAM ادغام شده است، به این شکاف بنیادین میپردازد.
نوآوری در بهرهگیری از یک پدیده فیزیکی ذاتی در خود فرآیند چاپ برای اندازهگیری نهفته است.
عامل کلیدی، افزایش چشمگیر پراکندگی نور است که هنگام گذار رزین فتوکور از حالت مایع به ژل (جامد) رخ میدهد. محققان از این تغییر در چگالی پراکندگی به عنوان یک مکانیسم کنتراست ذاتی استفاده میکنند. شیء در حال پخت درون ویال رزین، به عنوان یک فانتوم پراکندهکننده سهبعدی عمل میکند که میتواند بهطور همزمان و با استفاده از همان مسیر نوری یا یک سیستم تصویربرداری مکمل، به صورت توموگرافیک تصویربرداری شود.
این سیستم معمولاً شامل یک پروژکتور نور دیجیتال برای چاپ و یک سیستم تصویربرداری مکمل (مانند یک آرایه دوربین یا یک دوربین تکحسگر همراه با چرخش ویال) برای ثبت برآمدهای دوبعدی نور پراکنده از زوایای متعدد است. این برآمدها سپس به یک نقشه حجمی سهبعدی از چگالی پراکندگی بازسازی میشوند که مستقیماً با هندسه قطعه چاپ شده مطابقت دارد.
این فرآیند بر اصول توموگرافی کامپیوتری استوار است. سیگنال اندازهگیری شده، شدت نور پراکنده $I_s(\theta, x, y)$ است که توسط یک دوربین در زاویه برآمد $\theta$ ثبت میشود. این سیگنال از طریق یک انتگرال خطی (به صورت سادهشده) به توزیع ضریب پراکندگی سهبعدی $\mu_s(x, y, z)$ شیء چاپ شده درون حجم رزین مرتبط است:
$I_s(\theta, x, y) = I_0 \cdot \exp\left(-\int_{L(\theta, x, y)} \mu_s \, dl\right) \cdot S(\theta, x, y)$
که در آن $I_0$ شدت نور فرودی است، انتگرال در طول مسیر $L$ از میان حجم گرفته میشود و $S$ تابع پراکندگی را نشان میدهد. مسئله اصلی بازسازی، شامل معکوس کردن این برآمدها برای حل $\mu_s(x, y, z)$ با استفاده از الگوریتمهایی مانند فیلترشده پسبرآمد (FBP) یا تکنیک بازسازی جبری تکراری (ART) است:
$\mu_s = \Re \left\{ \mathcal{F}^{-1} \left[ |\omega| \cdot \mathcal{F}(P_\theta) \right] \right\}$ (فرمولبندی FBP)
در اینجا، $P_\theta$ برآمدهای اخذ شده هستند، $\mathcal{F}$ تبدیل فوریه را نشان میدهد، $|\omega|$ فیلتر شیب است و $\Re$ عملگر پسبرآمد است. نقشه سهبعدی حاصل، کمی و عاری از آرتیفکت است و امکان تحلیل ابعادی دقیق را فراهم میکند.
مقاله دقت ابعادی زیر ۱٪ نسبت به اندازه کل چاپ را گزارش میدهد. به عنوان مثال، یک ساختار آزمایشی ۱۰ میلیمتری با خطای کمتر از ۱۰۰ میکرومتر اندازهگیری شد. سیستم اندازهگیری، هندسه کامل سهبعدی را به طور پیوسته در طول چرخه چاپ ثبت میکند و یک مجموعه داده چهاربعدی (سهبعدی + زمان) ارائه میدهد.
دقت ابعادی: < ۱٪ از اندازه کل چاپ
وضوح زمانی: نظارت پیوسته و در لحظه
خروجی داده: مدل حجمی کمی سهبعدی + زمان
این سیستم با موفقیت توانایی تشخیص ناهنجاریهای چاپ در لحظه وقوع، مانند پخت ناهمگن یا انحراف از مدل دیجیتال مورد نظر را نشان داد. این امر از طریق بازسازیهای زمانگذر که رشد و تغییر شکل بالقوه شیء چاپ شده را نشان میدهند و هندسه چاپ شده را با هدف طراحی شده مقایسه میکنند، قابل مشاهده است.
توضیح نمودار/شکل: یک مقایسه جانبی معمولاً موارد زیر را نشان میدهد: (چپ) مدل CAD مورد نظر. (مرکز) یک سری زمانی از نقشههای چگالی پراکندگی بازسازی شده سهبعدی که شکلگیری شیء را نشان میدهند، با یک نقشه رنگی که انحراف از مقدار اسمی را نشان میدهد. (راست) نموداری از یک بعد حیاتی (مانند قطر) در مقابل زمان در طول چاپ، که نقطهای را که یک نقص باعث انحراف قابل اندازهگیری خارج از حدود تلرانس میشود، برجسته میکند.
یک سازنده را در نظر بگیرید که یک داربست زیستپزشکی کوچک و پیچیده با کانالهای داخلی را چاپ میکند. گردش کار سنتی: چاپ (۲ دقیقه) -> خارج کردن از مخزن -> تمیز کردن -> انتقال به آزمایشگاه میکرو-سیتی -> اسکن (۶۰+ دقیقه) -> تحلیل -> کشف انسداد کانال یا خطای ضخامت دیواره -> بازطراحی -> تکرار. زمان کل چرخه: حدود ۷۰+ دقیقه در هر تکرار. گردش کار VAM با اندازهگیری همزمان: چاپ و اندازهگیری به طور همزمان (۲ دقیقه). در طول چاپ، بازسازی سهبعدی منطقهای از پخت ناکافی را نشان میدهد که در حال تهدید برای مسدود کردن یک کانال است. یک الگوریتم کنترل، در اصل، میتواند الگوهای نوری بعدی را در لحظه برای تصحیح آن تنظیم کند. پس از چاپ، یک مدل سهبعدی کامل با ابعاد تأیید شده بلافاصله در دسترس است. زمان کل چرخه: ۲ دقیقه، با پتانسیل موفقیت در اولین تلاش.
بینش هستهای: این فقط یک بهبود تدریجی در سرعت اندازهگیری نیست؛ بلکه یک بازمعماری بنیادین در حلقه بازخورد ساخت افزودنی است. با استفاده از یک سیگنال فرآیند ذاتی (تغییر پراکندگی) به عنوان رسانه اندازهگیری، محققان به طور مؤثری حجم چاپ را به یک رسانه خود-حسگر تبدیل کردهاند. این کار به زیبایی پیچیدگی عظیم ادغام پروبهای خارجی مانند لیزر یا پرتوهای ایکس را دور میزند، که مانع اصلی برای اندازهگیری سهبعدی واقعی درونمحیطی بوده است.
جریان منطقی: منطق قانعکننده است: ۱) سرعت VAM اگر با بازرسی کند دنبال شود، هدر میرود. ۲) ابزارهای اندازهگیری خارجی تهاجمی و کند هستند. ۳) بنابراین، یک سیگنال غیرتهاجمی ذاتی در پخت بیابید. ۴) پراکندگی کاملاً مناسب است. ۵) ریاضیات ثابتشده CT را برای بازسازی هندسه اعمال کنید. جریان از شناسایی مسئله تا راهحل مستقیم است و به طور مؤثری از اصول میانرشتهای بهره میبرد.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت، زیبایی انکارناپذیر و دقت ثابتشده زیر ۱٪ است. ضعف اصلی، همانند بسیاری از نمایشهای درخشان آزمایشگاهی، فرض شرایط ایدهآل است. این روش با رزینهای حاوی رنگدانه، پرکننده یا آغازگرهای نوری مختلف که خواص پراکندگی را تغییر میدهند، چگونه عمل میکند؟ رویکرد مقاله ممکن است بسیار خاص به رزین باشد. علاوه بر این، پیادهسازی فعلی احتمالاً «تشخیص» را فراهم میکند اما «تصحیح» کاملاً خودمختار را نه. بستن آن حلقه کنترل نیازمند الگوریتمهای قوی در لحظه برای تفسیر انحرافات و تنظیم نوردهی است - یک چالش نرمافزاری قابل توجه مشابه مشکلات اپتیک تطبیقی در لحظه یا تصویربرداری محاسباتی.
بینشهای عملی: برای سازندگان اصلی ماشینآلات ساخت افزودنی، این یک فناوری ضروری برای پیگیری است. پیشگام اولی که اندازهگیری قوی و در لحظه را ادغام کند، بازار نمونهسازی سریع با ارزش بالا را در اختیار خواهد داشت. تمرکز فوری تحقیق و توسعه باید بر موارد زیر باشد: ۱) مشخصهیابی این روش در یک کتابخانه گسترده از رزینها. ۲) توسعه لایه هوش مصنوعی/یادگیری ماشین که نقشههای انحراف سهبعدی را به دستورالعملهای نوردهی اصلاحی ترجمه میکند، با احتمال بهرهگیری از مفاهیم شبکههای مولد تخاصمی (GANs) که برای تصحیح تصویر استفاده میشوند. ۳) بررسی ادغام این دادههای پراکندگی با سایر حسگرهای درونمحیطی (مانند مادون قرمز برای دما) برای یک مجموعه نظارت جامع فرآیند. هدف فقط یک دوربین که چاپ را تماشا میکند نیست، بلکه یک سیستم شناختی است که آن را درک کرده و هدایت میکند.