1. परिचय
वॉल्यूमेट्रिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (वीएएम) पारंपरिक परत-दर-परत तकनीकों से एक नए प्रतिमान में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करती है, जो संपूर्ण वस्तुओं के तीव्र, एक साथ 3डी निर्माण को सक्षम बनाती है। हालांकि, त्वरित प्रोटोटाइपिंग पाइपलाइन अभी भी प्रिंट-पश्चात निरीक्षण और मेट्रोलॉजी द्वारा बाधित है। एक्स-रे सीटी या ऑप्टिकल स्कैनिंग जैसी वर्तमान विधियां एक्स-सीटू, समय लेने वाली हैं और प्रिंट प्रक्रिया में एकीकृत नहीं की जा सकतीं। यह कार्य टोमोग्राफ़िक वीएएम के लिए एक पूर्णतः एक साथ 3डी मेट्रोलॉजी और प्रिंटिंग प्रणाली का परिचय देकर इस महत्वपूर्ण अंतर को संबोधित करता है।
मूल नवाचार जेलेशन चरण के दौरान एक फोटोरेसिन द्वारा प्रकाश प्रकीर्णन में आने वाली भारी वृद्धि का लाभ उठाता है। इस भौतिक परिवर्तन का उपयोग प्रिंट के निर्माण के दौरान ही वास्तविक समय में, कलाकृतियों से मुक्त 3डी इमेजिंग के लिए किया जाता है, जो प्रिंट आकार के 1% से कम की ज्यामितीय सटीकता प्राप्त करता है। यह एकीकरण एएम में बंद-लूप नियंत्रण का मार्ग प्रशस्त करता है।
2. कार्यप्रणाली एवं तकनीकी विवरण
2.1. टोमोग्राफ़िक वीएएम सिद्धांत
टोमोग्राफ़िक वीएएम में, एक 3डी डिजिटल मॉडल को टोमोग्राफ़िक पुनर्निर्माण सिद्धांतों (एक रिवर्स सीटी स्कैन के समान) के माध्यम से 2डी प्रकाश पैटर्न (प्रक्षेपण) की एक श्रृंखला में विघटित किया जाता है। इन पैटर्नों को कई कोणों से फोटोक्यूरेबल रेसिन युक्त एक घूमने वाली शीशी के माध्यम से प्रक्षेपित किया जाता है। जहां संचयी प्रकाश खुराक एक जेलेशन सीमा से अधिक हो जाती है, वहां रेसिन ठोस हो जाती है, जिससे वांछित वस्तु एक साथ बनती है, जो परत रेखाओं और सपोर्ट की आवश्यकता को समाप्त कर देती है।
2.2. इन-सीटू मेट्रोलॉजी के लिए प्रकाश प्रकीर्णन
इन-सीटू मेट्रोलॉजी की कुंजी रेसिन के प्रकाशीय गुणों में परिवर्तन है। तरल रेसिन काफी हद तक पारदर्शी होती है, लेकिन जेलेशन पर, अपवर्तनांक असमांगताओं वाले पॉलिमर नेटवर्क के निर्माण के कारण यह अत्यधिक प्रकीर्णक बन जाती है। निर्माण आयतन को प्रकाशित करके और एक कैमरे का उपयोग करके कई कोणों से प्रकीर्णित प्रकाश को कैप्चर करके, प्रकीर्णन घनत्व का एक 3डी मानचित्र—जो सीधे ठोस ज्यामिति से संबंधित है—वास्तविक समय में पुनर्निर्मित किया जा सकता है।
2.3. गणितीय ढांचा
कैप्चर किए गए 2डी प्रक्षेपण $P_\theta(\mathbf{x}, t)$ से 3डी प्रकीर्णन घनत्व $\rho(\mathbf{r}, t)$ का पुनर्निर्माण कंप्यूटेड टोमोग्राफी के सिद्धांतों का अनुसरण करता है। एक दिए गए प्रक्षेपण कोण $\theta$ के लिए, संबंध रेडॉन ट्रांसफॉर्म द्वारा मॉडल किया जाता है:
$P_\theta(\mathbf{x}, t) = \mathcal{R}[\rho(\mathbf{r}, t)] = \int_{L(\mathbf{x}, \theta)} \rho(\mathbf{r}, t) \, ds$
जहां $L(\mathbf{x}, \theta)$ डिटेक्टर स्थिति $\mathbf{x}$ और कोण $\theta$ पर निर्माण आयतन से गुजरने वाली रेखा है, और $ds$ रेखा तत्व है। 3डी मॉडल को फ़िल्टर्ड बैक-प्रोजेक्शन या पुनरावृत्त एल्गोरिदम का उपयोग करके पुनर्प्राप्त किया जाता है:
$\hat{\rho}(\mathbf{r}, t) = \mathcal{B}\{ \mathcal{F}^{-1}[ |\omega| \cdot \mathcal{F}(P_\theta(\mathbf{x}, t)) ] \}$
जहां $\mathcal{F}$ फूरियर ट्रांसफॉर्म को दर्शाता है और $\mathcal{B}$ बैक-प्रोजेक्शन ऑपरेटर है। समय घटक $t$ 4डी (3डी+समय) निगरानी की अनुमति देता है।
3. प्रायोगिक परिणाम एवं विश्लेषण
3.1. सेटअप और अंशशोधन
प्रायोगिक सेटअप ने एक मानक टोमोग्राफ़िक वीएएम प्रणाली (प्रोजेक्टर, घूमने वाली शीशी) को एक अतिरिक्त इमेजिंग प्रणाली के साथ एकीकृत किया। एक विसरित प्रकाश स्रोत ने शीशी को प्रकाशित किया, और एक या अधिक कैमरों ने प्रकीर्णित प्रकाश को कैप्चर किया। प्रकीर्णन तीव्रता और क्योर्ड आयतन के बीच संबंध स्थापित करने के लिए ज्ञात ज्यामिति के फैंटम का उपयोग करके प्रणाली का अंशशोधन किया गया।
3.2. सटीकता और प्रदर्शन मापदंड
प्राथमिक परिणाम अंतिम प्रिंटेड भाग और मूल सीएडी मॉडल की तुलना में इन-सीटू मापी गई ज्यामिति के लिए 1% से कम आयामी सटीकता का प्रदर्शन था। एक बेंचमार्क प्रिंट (जैसे, एक जटिल जाली या एक यांत्रिक भाग) के लिए, इन-सीटू पुनर्निर्माण और एक्स-सीटू माइक्रो-सीटी स्कैन के बीच रूट-मीन-स्क्वायर त्रुटि (आरएमएसई) वस्तु की विशेषता आयाम (जैसे, 5 मिमी भाग पर ~50 µm त्रुटि) के 1% से कम रिपोर्ट की गई।
मुख्य प्रदर्शन मापदंड
आयामी सटीकता: < 1% वस्तु आकार
मापन विलंबता: लगभग वास्तविक समय (प्रिंट गति के साथ युग्मित)
डेटा प्रकार: मात्रात्मक 3डी + समय (4डी) वॉल्यूमेट्रिक डेटा
3.3. दोष पहचान क्षमता
प्रणाली ने प्रिंटिंग दोषों की सफलतापूर्वक पहचान की जैसे ही वे घटित हुए। उदाहरण के लिए, अनपेक्षित रिक्तियां, प्रकाश क्षीणन के कारण आकार विकृतियां, या ओवरहैंगिंग क्षेत्रों में अपूर्ण क्योरिंग जैसे विचलन पुनर्निर्मित प्रकीर्णन घनत्व मानचित्रों में दृश्यमान किए गए। इसे जानबूझकर त्रुटियां (जैसे, गलत अंशशोधित खुराक) शुरू करके और मेट्रोलॉजी प्रणाली के आउटपुट को लक्ष्य ज्यामिति से विसंगति को उजागर करते हुए दिखाकर प्रदर्शित किया गया।
चार्ट विवरण: 3डी पुनर्निर्मित छवियों की एक समय-श्रृंखला वस्तु की वृद्धि दिखाएगी। एक तुलनात्मक चार्ट लक्ष्य सीएडी मॉडल की रेखा प्रोफाइल को इन-सीटू मापी गई प्रोफाइल और एक्स-सीटू सीटी स्कैन प्रोफाइल के विरुद्ध प्लॉट करेगा, जो तीनों के बीच निकट संरेखण दिखाता है, जिसमें इन-सीटू डेटा प्रक्रिया गतिशीलता को कैप्चर करता है।
4. विश्लेषण ढांचा एवं केस स्टडी
इन-सीटू प्रक्रिया-गुण संबंध के लिए ढांचा: यह प्रौद्योगिकी एक नए विश्लेषण ढांचे को सक्षम बनाती है: प्रक्रिया पैरामीटर (प्रति कोण प्रकाश खुराक, घूर्णन गति) को वास्तविक समय ज्यामितीय परिणामों से सीधे सहसंबद्ध करना। एक व्यावहारिक केस स्टडी में ज्ञात चुनौतीपूर्ण विशेषताओं (जैसे, महीन पिन, पतली दीवारें) वाले भाग को प्रिंट करना शामिल है।
- इनपुट: लक्ष्य सीएडी मॉडल और नियोजित टोमोग्राफ़िक प्रक्षेपण सेट।
- प्रक्रिया निगरानी: इन-सीटू प्रणाली वास्तविक प्रकीर्णन आयतन $V_{actual}(t)$ का पुनर्निर्माण करती है।
- तुलना: सॉफ्टवेयर में, $V_{actual}(t)$ की निरंतर तुलना अपेक्षित "आदर्श" प्रकीर्णन आयतन $V_{ideal}(t)$ से की जाती है, जो ज्ञात जेलेशन सीमा और लागू खुराक से प्राप्त होता है।
- विचलन मानचित्रण: एक अंतर मानचित्र $\Delta V(t) = V_{actual}(t) - V_{ideal}(t)$ उत्पन्न किया जाता है। सकारात्मक मान अति-क्योरिंग/सूजन को इंगित करते हैं; नकारात्मक मान अल्प-क्योरिंग/रिक्तियों को इंगित करते हैं।
- मूल कारण विश्लेषण: $\Delta V$ में स्थानिक पैटर्न विशिष्ट प्रक्षेपण कोणों या खुराक स्तरों तक पता लगाया जा सकता है, जो किसी दोष के सटीक कारण की पहचान करता है। यह पोस्ट-हॉक विश्लेषण से श्रेष्ठ है, जहां एक अंतिम दोष को प्रक्रिया के एक विशिष्ट क्षण से सहसंबद्ध करना असंभव है।
यह ढांचा गुणवत्ता नियंत्रण को एक निष्क्रिय, उत्पादन-पश्चात निरीक्षण से एक सक्रिय, नैदानिक उपकरण में स्थानांतरित करता है जो निर्माण लूप में एकीकृत है।
5. मूल अंतर्दृष्टि एवं आलोचनात्मक विश्लेषण
मूल अंतर्दृष्टि: ऑर्थ एट अल. ने केवल एक बेहतर मेट्रोलॉजी उपकरण नहीं बनाया है; उन्होंने मौलिक रूप से एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग फीडबैक लूप को पुनर्संरचित किया है। फोटोपॉलिमराइजेशन प्रक्रिया में निहित एक अव्यक्त संकेत (प्रकीर्णन परिवर्तन) का लाभ उठाकर, उन्होंने वास्तविक समवर्ती मापन और निर्माण प्राप्त किया है। यह वीएएम को एक तेज़-लेकिन-अंधी प्रक्रिया से एक पारदर्शी प्रक्रिया में बदल देता है, जो त्वरित प्रोटोटाइपिंग में सबसे स्पष्ट कमजोरी को संबोधित करता है: प्रिंटिंग और यह जानने के बीच की कष्टदायक देरी कि यह काम कर गया या नहीं।
तार्किक प्रवाह: तर्क सुंदर और भौतिकी-प्रथम है। समस्या: एएम को इन-सीटू ज्यामिति मापन की आवश्यकता है। बाधा: आप वैट के अंदर एक स्कैनर नहीं रख सकते। उनका समाधान: स्कैनर न जोड़ें; प्रिंटिंग प्रक्रिया को ही स्कैनर बना दें। जेलेशन-प्रेरित प्रकीर्णन एक बग नहीं है; यह एक विशेषता है। यह अन्य क्षेत्रों में दर्शन को दर्शाता है, जैसे कि अलग नैदानिक मॉड्यूल जोड़ने के बजाय एक न्यूरल नेटवर्क के प्रशिक्षण गतिशीलता का उपयोग आत्मनिरीक्षण के लिए करना। तकनीकी प्रवाह—भौतिक अवलोकन (प्रकीर्णन वृद्धि) से गणितीय मॉडल (प्रकीर्णन घनत्व का टोमोग्राफ़िक पुनर्निर्माण) से सिस्टम एकीकरण तक—निर्दोष है।
शक्तियां एवं दोष: इसकी शक्ति इसका निर्बाध एकीकरण और उच्च सटीकता है। इसे न्यूनतम अतिरिक्त हार्डवेयर की आवश्यकता होती है, जो मौजूदा ऑप्टिकल पथ का लाभ उठाता है। इन-सीटू विधि के लिए 1% से कम सटीकता उल्लेखनीय है। हालांकि, दोष महत्वपूर्ण और अग्रणी कार्य के विशिष्ट हैं। पहला, यह एक विशिष्ट सामग्री घटना से जुड़ा हुआ है। क्या यह सभी फोटोरेसिन के साथ काम करेगा? अत्यधिक भरी हुई, अपारदर्शी, या पूर्व-प्रकीर्णक रेसिन पर्याप्त कंट्रास्ट परिवर्तन नहीं दिखा सकती हैं। दूसरा, यह सतह टोपोलॉजी नहीं, बल्कि प्रकीर्णन घनत्व के माध्यम से "क्योर्ड आयतन" को मापता है। सूक्ष्म सतह परिष्करण मुद्दे या पॉलिमर और तरल रेसिन के बीच अपवर्तनांक मिलान अदृश्य हो सकते हैं। यह एक वॉल्यूमेट्रिक, सतह निरीक्षण उपकरण नहीं है। तीसरा, जैसा कि लेखक संकेत देते हैं, वास्तविक समय डेटा वर्तमान में अवलोकन के लिए है, अभी तक बंद-लूप नियंत्रण के लिए नहीं। समय *t* पर एक दोष का पता लगाने से लेकर प्रिंट के *t+Δt* पर समाप्त होने से पहले एक सुधारात्मक खुराक की गणना और लागू करने तक का कदम एक विशाल नियंत्रण सिद्धांत और हार्डवेयर चुनौती है।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं के लिए, तत्काल मार्ग सामग्री सामान्यीकरण है: रेसिन रसायन विज्ञान में प्रकीर्णन कंट्रास्ट को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करना। उद्योग के लिए, प्राथमिकता बंद-लूप नियंत्रण की प्रतीक्षा नहीं करना है। वास्तविक निकट-अवधि मूल्य प्रक्रिया विकास और योग्यता में है। यह प्रणाली प्रत्येक परीक्षण प्रिंट पर तत्काल, वॉल्यूमेट्रिक प्रतिक्रिया प्रदान करके एक नई रेसिन या ज्यामिति के लिए प्रिंट पैरामीटर को अनुकूलित करने का समय सप्ताहों से दिनों तक कम कर सकती है। निर्माताओं को इसे अंतिम गुणवत्ता नियंत्रण स्टेशन के रूप में नहीं, बल्कि प्रिंट प्रक्रिया के अंतिम "डिजिटल ट्विन" के रूप में देखना चाहिए—नुस्खा को परिपूर्ण बनाने के लिए एक उपकरण, यह सुनिश्चित करते हुए कि जब यह उत्पादन में चलता है, तो यह पहली बार में सही हो। माइक्रो-सीटी स्कैनिंग [15] की लंबी प्रक्रिया का संदर्भ पारंपरिक मेट्रोलॉजी पर एक सीधा प्रहार है; यह प्रौद्योगिकी विकास चक्रों के लिए उस बाधा को अप्रचलित बनाने का लक्ष्य रखती है।
6. भविष्य के अनुप्रयोग एवं दिशाएं
- बंद-लूप अनुकूली प्रिंटिंग: अंतिम लक्ष्य वास्तविक समय सुधार है। यदि मध्य-प्रिंट में एक विचलन का पता चलता है, तो प्रणाली क्षतिपूर्ति करने के लिए बाद के प्रकाश पैटर्न को समायोजित कर सकती है—उदाहरण के लिए, एक अल्प-क्योरिंग क्षेत्र में खुराक जोड़ना या अति-क्योरिंग को रोकने के लिए इसे कम करना।
- बहु-सामग्री एवं कार्यात्मक प्रिंट निगरानी: प्रिंटिंग के दौरान विभिन्न सामग्रियों (जैसे, तरंगदैर्ध्य-निर्भर प्रकीर्णन के माध्यम से) या कार्यात्मक फिलर्स (जैसे, कार्बन नैनोट्यूब) के वितरण की निगरानी के लिए सिद्धांत का विस्तार।
- मशीन लर्निंग के साथ एकीकरण: उत्पन्न 4डी (3डी+समय) डेटासेट एमएल मॉडल को प्रिंट विफलताओं की भविष्यवाणी करने, वीएएम के लिए सपोर्ट-मुक्त डिजाइनों को अनुकूलित करने, या दोष प्रकारों को स्वचालित रूप से वर्गीकृत करने के लिए प्रशिक्षित करने के लिए आदर्श हैं।
- मानकीकरण और प्रमाणन: विनियमित उद्योगों (एयरोस्पेस, चिकित्सा) में, यह प्रत्येक भाग के लिए निर्मित आंतरिक ज्यामिति का एक अजेय डिजिटल रिकॉर्ड प्रदान कर सकता है, जो प्रमाणन के लिए महत्वपूर्ण है।
- वीएएम से परे: मूल विचार—मेट्रोलॉजी के लिए एक निहित प्रक्रिया संकेत का उपयोग करना—अन्य एएम मोडैलिटीज में समान दृष्टिकोणों को प्रेरित कर सकता है, जैसे कि पाउडर बेड फ्यूजन में थर्मल उत्सर्जन या मटेरियल एक्सट्रूज़न में ध्वनिक हस्ताक्षर की निगरानी।
7. संदर्भ
- Kelly, B. E., et al. "Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction." Science 363.6431 (2019): 1075-1079.
- Loterie, D., et al. "High-resolution tomographic volumetric additive manufacturing." Nature Communications 11.1 (2020): 852.
- Shusteff, M., et al. "One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures." Science Advances 3.12 (2017): eaao5496.
- Webber, D., & Paquet, C. "Advances in Volumetric 3D Printing." National Research Council Canada Technical Reports (2022).
- Gibson, I., et al. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 3rd ed., Springer, 2021. (पारंपरिक एएम मेट्रोलॉजी चुनौतियों के संदर्भ में)।
- ISO/ASTM 52902:2023. "Additive manufacturing — Test artifacts — Geometric capability assessment of additive manufacturing systems." (सटीकता मूल्यांकन के लिए प्रासंगिक मानक)।
- Zhu, J., et al. "Real-time monitoring and control in additive manufacturing: a review." Journal of Manufacturing Systems 68 (2023): 276-301. (इन-सीटू निगरानी के व्यापक संदर्भ के लिए)।
- Wang, C., et al. "Deep learning for real-time 3D reconstruction in additive manufacturing: A review." Virtual and Physical Prototyping 18.1 (2023): e2167456. (एमएल से जुड़ने वाली भविष्य की दिशा)।