2.1. 凝膠化期間光散射原理
關鍵嘅促成因素係，當光固化樹脂從液態過渡到凝膠（固體）狀態時，光散射會急劇增加。研究人員利用呢種散射密度嘅變化作為一種原生對比機制。樹脂瓶內嘅固化物體充當一個3D散射模型，可以使用相同嘅光路或互補嘅成像系統進行實時斷層成像。
1. 簡介
體積積層製造（VAM），尤其係斷層體積積層製造，代表咗一種範式轉移，佢能夠同時固化整個3D結構，而唔再係傳統嘅逐層技術。呢種方法消除咗層狀瑕疵同支撐結構，實現咗少於一分鐘嘅打印時間。然而，所有積層製造模式都存在一個關鍵瓶頸：打印後再測量呢種順序式工作流程。離位計量技術，例如微電腦斷層掃描或光學掃描，耗時、成本高，並且會打斷快速原型製作週期。本文通過引入一個完全同步、直接集成到斷層體積積層製造過程中嘅原位3D計量系統，來解決呢個根本性差距。
2. 核心技術與方法論
呢項創新在於利用打印過程本身固有嘅物理現象進行計量。
2.2. 斷層成像系統設置
該系統通常包括一個用於打印嘅數碼光投影儀，以及一個互補嘅成像系統（例如，相機陣列或帶有旋轉瓶嘅單個相機），用於從多個角度捕捉散射光嘅2D投影。然後，將呢啲投影重建為散射密度嘅3D體積圖，該圖直接對應於打印部件嘅幾何形狀。
3. 技術細節與數學基礎
該過程基於電腦斷層掃描原理。測量到嘅信號係相機在投影角度 $\theta$ 下捕捉到嘅散射光強度 $I_s(\theta, x, y)$。這與樹脂體積內打印物體嘅3D散射係數分佈 $\mu_s(x, y, z)$ 通過線積分相關（簡化版）：
$I_s(\theta, x, y) = I_0 \cdot \exp\left(-\int_{L(\theta, x, y)} \mu_s \, dl\right) \cdot S(\theta, x, y)$
其中 $I_0$ 係入射光強度，積分沿穿過體積嘅路徑 $L$ 進行，$S$ 代表散射函數。核心重建問題涉及反轉呢啲投影以求解 $\mu_s(x, y, z)$，使用嘅算法包括濾波反投影（FBP）或迭代代數重建技術（ART）：
$\mu_s = \Re \left\{ \mathcal{F}^{-1} \left[ |\omega| \cdot \mathcal{F}(P_\theta) \right] \right\}$ （FBP公式）
此處，$P_\theta$ 係獲取嘅投影，$\mathcal{F}$ 表示傅立葉變換，$|\omega|$ 係斜坡濾波器，$\Re$ 係反投影運算符。得到嘅3D圖係定量且無偽影嘅，能夠進行精確嘅尺寸分析。
4. 實驗結果與性能表現
4.1. 精度與解像度驗證
論文報告嘅尺寸精度相對於總打印尺寸低於1%。例如，一個10毫米嘅測試結構測量誤差小於100微米。該計量系統在整個打印週期內持續捕捉完整嘅3D幾何形狀，提供一個4D數據集（3D + 時間）。
關鍵性能指標
尺寸精度： < 總打印尺寸嘅 1%
時間解像度： 連續、實時監控
數據輸出： 定量嘅 3D + 時間體積模型
4.2. 實時缺陷檢測示範
該系統成功展示咗在打印異常發生時檢測佢哋嘅能力，例如固化不均勻或偏離預期數碼模型。這通過延時重建可視化，顯示打印物體嘅生長同潛在變形，將實際打印幾何形狀與設計目標進行對比。
圖表/圖像描述： 並排比較通常會顯示：（左）預期嘅CAD模型。（中）顯示物體形成嘅3D重建散射密度圖嘅時間序列，用顏色圖表示與標稱值嘅偏差。（右）打印期間關鍵尺寸（例如直徑）隨時間變化嘅圖表，突出顯示缺陷導致可測量偏差超出公差範圍嘅點。
5. 分析框架：非編碼案例研究
考慮一個製造商打印一個帶有內部通道嘅小型複雜生物醫學支架。傳統工作流程： 打印（2分鐘） -> 從樹脂槽取出 -> 清潔 -> 運送到微電腦斷層掃描實驗室 -> 掃描（60+分鐘） -> 分析 -> 發現通道堵塞或壁厚錯誤 -> 重新設計 -> 重複。總週期時間：每次迭代約70+分鐘。帶有即時計量嘅體積積層製造工作流程： 同時打印同測量（2分鐘）。打印期間，3D重建顯示一個固化不足嘅區域可能會堵塞通道。原則上，控制算法可以實時調整後續嘅光圖案來修正佢。打印後，帶有驗證尺寸嘅完整3D模型即刻可用。總週期時間：2分鐘，有可能一次成功。
6. 行業分析師觀點
核心見解： 這不僅僅係計量速度嘅漸進式改進；佢係對積層製造反饋迴路嘅根本性重新架構。通過使用原生過程信號（散射變化）作為測量媒介，研究人員有效地將打印體積本身變成一個自我感知媒介。這巧妙地避開咗集成外部探頭（如激光或X射線）嘅巨大複雜性，而這一直係實現真正原位3D計量嘅主要障礙。
邏輯流程： 邏輯令人信服：1）如果體積積層製造嘅速度之後跟隨緩慢嘅檢查，咁就浪費咗。2）外部計量工具具有侵入性且緩慢。3）因此，尋找固化過程中固有嘅非侵入性信號。4）散射完美契合。5）應用已建立嘅電腦斷層掃描數學來重建幾何形狀。從問題識別到解決方案嘅流程直接且有效利用咗跨學科原理。
優點與缺點： 優點係無可否認嘅優雅性同已證明嘅低於1%精度。主要缺點，如同許多出色嘅實驗室示範一樣，係假設理想條件。對於含有染料、填料或改變散射特性嘅不同光引發劑嘅樹脂，呢種方法表現如何？論文嘅方法可能高度依賴於特定樹脂。此外，目前嘅實現可能提供「檢測」但唔係完全自主嘅「修正」。閉合該控制迴路需要強大嘅實時算法來解釋偏差並調整曝光——這係一個重大嘅軟件挑戰，類似於實時自適應光學或計算成像問題。
可行建議： 對於積層製造設備原始製造商，這係一項必須追蹤嘅技術。率先集成強大、實時計量嘅廠商將佔據高價值快速原型市場。當前嘅研發重點應該係：1）在廣泛嘅樹脂庫中表徵該方法。2）開發人工智能/機器學習層，將3D偏差圖轉換為修正性曝光指令，可能借鑒用於圖像修正嘅生成對抗網絡（GAN）概念。3）探索將呢種散射數據與其他原位傳感器（例如用於溫度嘅紅外線）集成，以實現全面嘅過程監控套件。目標唔只係一個監視打印嘅相機，而係一個理解並引導打印嘅認知系統。
7. 未來應用與發展方向
- 閉環過程控制： 最終目標係實時修正。未來系統將使用計量數據作為控制算法嘅輸入，動態調整投影光圖案以補償檢測到嘅偏差，確保首次打印成功。
- 材料梯度與多材料打印： 該技術可以擴展到監控單次打印內不同樹脂或樹脂混合物嘅固化，實現複雜材料特性分佈嘅原位驗證。
- 與數碼孿生集成： 連續嘅4D（3D+時間）數據流非常適合創建和更新打印過程嘅數碼孿生，實現預測性維護同高級質量分析。
- 標準化與認證： 對於航空航天同醫療設備等行業，該技術可以提供零件認證所需嘅可追溯、過程內驗證數據，可能減少生產後測試負擔。
- 擴展到其他積層製造模式： 雖然針對斷層體積積層製造進行了示範，但利用材料在相變期間固有光學變化嘅核心原理，可能會啟發針對其他基於光聚合（例如，DLP、SLA）甚至基於燒結嘅積層製造過程嘅類似方法。
8. 參考文獻
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- Wang, C., 等人. "積層製造中嘅原位監控與自適應控制：綜述。" 國際先進製造技術雜誌 115 (2021): 1309–1330.