eng
Выпуск #1/2020
В. Л. Минаев, Г. Н. Вишняков, А. Д. Иванов, Г. Г. Левин
Методы контроля геометрических параметров и внутренних напряжений изделий аддитивных технологий
Методы контроля геометрических параметров и внутренних напряжений изделий аддитивных технологий
Просмотры: 3115
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.42.54
Созданию измерительных систем для аддитивных процессов препятствует проблема отсутствия систем диагностики и контроля изготавливаемых изделий. Качество деталей, полученных методами аддитивных технологий, сильно варьируется из-за неадекватных допусков размеров, шероховатости поверхности, а также дефектов и наличия полей механических напряжений. Это приводит к тому, что малейшие отклонения внешних условий, возникающие в процессе изготовления, могут вызвать несоответствие конечного изделия по форме или свойствам. Измерительная система должна иметь потенциальную возможность быть встроенной в единый производственный комплекс. Это связано с тем, что результат измерений геометрических параметров конкретных изделий необходимо сравнить с математической моделью, разработанной в CAD-системе, а измерения дефектов, скрытых напряжений, структуры изделий должны быть переданы в CAE-систему для принятия решения о годности изделия или разработки алгоритма и технологии его дальнейшей обработки. Для контроля параметров изделий аддитивных технологий предложена система на базе методов структурированного света и шерографии.
Созданию измерительных систем для аддитивных процессов препятствует проблема отсутствия систем диагностики и контроля изготавливаемых изделий. Качество деталей, полученных методами аддитивных технологий, сильно варьируется из-за неадекватных допусков размеров, шероховатости поверхности, а также дефектов и наличия полей механических напряжений. Это приводит к тому, что малейшие отклонения внешних условий, возникающие в процессе изготовления, могут вызвать несоответствие конечного изделия по форме или свойствам. Измерительная система должна иметь потенциальную возможность быть встроенной в единый производственный комплекс. Это связано с тем, что результат измерений геометрических параметров конкретных изделий необходимо сравнить с математической моделью, разработанной в CAD-системе, а измерения дефектов, скрытых напряжений, структуры изделий должны быть переданы в CAE-систему для принятия решения о годности изделия или разработки алгоритма и технологии его дальнейшей обработки. Для контроля параметров изделий аддитивных технологий предложена система на базе методов структурированного света и шерографии.
Теги: additive technologies parameters control shearography аддитивные технологии контроль параметров шерография
Методы контроля геометрических параметров и внутренних напряжений изделий аддитивных технологий
В. Л. Минаев, Г. Н. Вишняков, А. Д. Иванов, Г. Г. Левин
ФГУП «ВНИИ оптико-физических измерений»,
Москва, Россия
Статья получена: 20.12.2019
Статья принята к публикации: 14.01.2020
ВВЕДЕНИЕ
Цифровые технологии, развитие которых определяет современное состояние страны, включает в себя, как одно из основных звеньев, аддитивные технологии, обеспечивающие развитие промышленных производств нового поколения и модернизацию традиционных отраслей промышленности. Технология «трехмерной печати» (3D) начала развиваться в конце 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems, которая разработала в 1986 году первый аппарат – Stereolithography Apparatus.
Первые лазерные машины – стереолитографические (SLA) и затем порошковые (SLS‑машины) – отличались очень высокой стоимостью, выбор материалов был достаточно узкий, до середины 90-х годов они использовались главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. В дальнейшем после широкого распространения цифровых технологий в области проектирования, моделирования и механообработки 3D‑технологии начали бурно развиваться.
Для 3D‑технологий в настоящее время рекомендованы два основных термина со словом «аддитивные» – Additive Fabrication (AF) и Additive Manufacturing (AM), при этом большинство склоняется к последнему. Мировой рынок аддитивных технологий с 2010 по 2015 год прирастал в среднем на 27% в год и достиг объема в 5,1 млрд долларов, из которых примерно 40% приходится на оборудование и материалы, а 60% – на инжиниринговые услуги (разработка математических моделей, технологий и синтез деталей).
При разработке технологии послойного синтеза используются компьютерные технологии для моделирования и производства изделий – системы CAD (Computer-Aided Design), CAM (Computer-Aided Manufacturing). В последние годы в автоматизированные системы включают и CAE (Computer-Aided Engineering) – системы, предназначенные для оценки поведения реального изделия в условиях эксплуатации методами математического моделирования при помощи расчетных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов) для того, чтобы оценить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Технологии CAD / CAM / CAE имеют наиболее широкое и существенное влияние на ускорение инноваций, сокращение и снижение стоимости разработок новых продуктов, и, как следствие, повышение конкурентоспособности.
Все изделия, создаваемые по аддитивным технологиям, обязательно используют CAD / CAM / CAE системы. Они включают в себя синтез деталей сложных технических систем, включая разработку 3D‑моделей, конструирование поддержек, технологий синтеза (мощность излучения, стратегия сканирования, скорость и шаг сканирования и др.). При этом учитывается процесс формирования структурно-фазового состояния металлических, керамических и полимерных материалов нового поколения в процессе аддитивных технологий с последующей термической и баротермической обработкой деталей ответственного назначения.
Основной проблемой, которая препятствует широкому внедрению аддитивных технологий, является отсутствие систем диагностики и контроля изготавливаемых изделий. Качество деталей, полученных методами аддитивных технологий, сильно варьируется из-за неадекватных допусков размеров, шероховатости поверхности, а также дефектов, тем самым ограничивая широкое применение этих технологий. Эта изменчивость может быть сведена к минимуму за счет управления процессом, но нет адекватных измерительных процессов, доступных сегодня. Это приводит к тому, что малейшие отклонения внешних условий, возникающие в процессе изготовления, обуславливают несоответствия конечного изделия по форме или свойствам.
Чрезвычайно важно также осуществлять контроль деталей, формируемых с использованием аддитивных технологий, на наличие дефектов. В силу особенностей физических процессов, происходящих при формировании таких изделий, в них могут возникать не только дефекты, обычно свойственные применяемым материалам, но и поля механических напряжений.
Учитывая, что использование аддитивных технологий наиболее целесообразно при изготовлении дорогих изделий сложной формы и с заданными свойствами, контроль за технологическими процессами и диагностика конечных изделий являются одним из ключевых звеньев в широком распространении этих технологий.
При этом необходимо отметить, что результат измерений геометрических параметров конкретных изделий необходимо сравнить с математической моделью, разработанной в CAD‑системе, а измерения дефектов, скрытых напряжений, структуры изделий должны быть переданы в CAE‑систему для принятия решения о годности изделия или разработки алгоритма и технологии его дальнейшей обработки. Таким образом, измерительная система должна иметь потенциальную возможность быть встроенной в единый производственный комплекс.
При создании измерительных систем для аддитивных технологий может быть использована совокупность различных методов достоверного неразрушающего контроля, что в общем случае требует решения следующих задач: во-первых, в каждом конкретном случае необходимо определить перечень характеристик изделий аддитивного производства, которые нуждаются в измерениях; во-вторых, определить наиболее адекватные методы измерения, которые позволяют создать систему оценки качества продукции аддитивного производства. Анализ современных промышленных технологий позволяет сформулировать основные требования к измерительному и диагностическому оборудованию, которые применяются при их реализации. К ним относятся: бесконтактность измерений, высокая производительность, проведение измерений на месте, высокая обнаружительная способность дефектов, измерение характеристик, формирующих воздействий на материал в реальном времени; в‑третьих, разработать методы и оборудование неразрушающего контроля изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий, с необходимым уровнем достоверности. Создать соответствующие средства измерений и разработать систему их метрологического обеспечения. Разработать методики метрологического контроля и испытаний изделий, изготовленных послойным синтезом; наконец, что может быть самое важное, максимально встроить созданные измерительные системы в комплексную систему цифрового производства. Это требует создания специализированного программного обеспечения, сопряженного с современными CAD / CAM / CAE системами.
В настоящее время во ФГУП «ВНИИОФИ» проводятся работы по созданию методов и средств измерений параметров изделий аддитивного производства, а именно:
Далее подробно рассмотрим эти методы.
Физический мир вокруг нас является трехмерным (3D); тем не менее обычные камеры способны получать только двухмерные изображения (2D), у которых отсутствует информация о глубине. Это фундаментальное ограничение значительно сужает способность воспринимать и понимать сложность объектов реального мира. Несколько прошедших десятилетий отмечены огромным прогрессом в исследовании, развитии и коммерциализации технологий получения изображения, который стимулировался потребностями применения в различных сегментах рынка, прогрессом в сфере создания датчиков для электронной обработки изображений с высоким разрешением и высокой скоростью, а также все увеличивающейся вычислительной мощностью.
Задача получения трехмерных изображений относится к тем методам, которые позволяют захватывать подлинные 3D‑данные, т. е. величины некоторых параметров трехмерного объекта, таких как распределение плотности в зависимости от трехмерных координат (x, y, z). Примерами получения изображений из области медицины являются компьютерная томография (КТ), ЯМР‑томография, в процессе которых получаются объемные пикселы (или вокселы) измеряемого объекта, включая его внутреннюю структуру.
В отличие от этого, при получении изображения поверхности имеют дело с измерением координат (x, y, z) точки на объекте. Так как в общем случае поверхность не является плоской, она описывается в трехмерном пространстве, и поэтому результат измерения можно рассматривать как карту глубины z в зависимости от положения (x, y) в декартовой системе координат и представить ее в виде матрицы {zij = (xi, yj), i = 1, 2, ... , L, j = 1, 2, ... , M}. Этот процесс имеет также много других названий: 3D‑измерение поверхности, определение расстояний, измерение расстояний, глубинное картографирование, сканирование поверхности и т. д. Эти термины используются в различных сферах применения и обычно относятся к различным методам получения данных, отличающихся только деталями конструкции системы, реализацией и / или форматами данных.
Более общие системы получения трехмерных изображений поверхностей способны регистрировать скалярную величину, такую как коэффициент отражения, связанный с каждой точкой на неплоской поверхности. Результатом является облако точек {Pi = (xi, yi, zi, fi), i = 1, 2, ... , N}, где fi представляет собой коэффициент отражения в каждой i-ой точке поверхности в массиве данных. Аналогично цветное изображение поверхности представляется с помощью {Pi = (xi, yi, zi, ri, gi, bi), i = 1, 2, ... , N}, где вектор (ri, gi, bi) представляет составляющие красного, зеленого и синего цвета, связанные с i-ой точкой поверхности. Спектральные свойства поверхности также могут быть описаны с помощью векторов большей величины.
Один из главных методов получения трехмерных изображений поверхности основывается на использовании «структурированного света», т. е. освещения объекта с использованием специально разработанных двухмерных шаблонов (транспарантов) с изменяющейся в пространстве интенсивностью и последующей регистрацией и анализом полученных изображений. Как показано на рисунке 1, изменяющееся в пространстве двухмерное структурированное освещение генерируется с помощью специального проектора или источника света, подвергнутого модуляции с помощью пространственного модулятора света. Интенсивность каждого пиксела на шаблоне структурированного света представляется цифровым сигналом {Iij = (i, j), i = 1, 2, ... , I, j = 1, 2, ... , J}, где (i, j) представляют собой координаты (x, y) проецируемого шаблона. Обычно проецируемые шаблоны структурированного света являются двухмерными шаблонами.
Для получения двухмерного изображения сцены, освещаемой структурированным светом, используется камера. Оптические оси проектора и камеры должны образовывать некоторый угол. Если сцена представляет собой плоскую поверхность без каких-либо пространственных вариаций поверхности, то шаблон, отображаемый на полученном изображении, аналогичен проецируемому шаблону структурированного света. Однако если поверхность сцены неплоская, то ее неровности искажают проецируемый шаблон структурированного света. Принцип метода получения трехмерного изображения поверхности с помощью структурированного света заключается в выявлении трехмерной формы поверхности на основе искажения проецируемого шаблона структурированного света. Точные профили трехмерных поверхностей объектов в сцене могут быть рассчитаны посредством использования различных принципов и алгоритмов структурированного света.
Как показано на рис. 1, геометрическая связь между камерой, проектором структурированного света и точкой Р на поверхности объекта может быть выражена с помощью принципа триангуляции по формуле:
. (1)
Ключевым моментом для получения трехмерного изображения на основании триангуляции является способ идентификации отдельного элемента проецируемого шаблона на полученном изображении.
В более общем смысле шаблоны структурированного света могут создавать пространственные вариации по всем направлениям (x, y, z), становясь, таким образом, подлинными 3D‑системами проецирования структурированного света. Например, интенсивность проецируемого света может меняться вдоль оптического пути вследствие интерференции когерентного света. Однако большинство систем получения трехмерного изображения поверхности с помощью структурированного света используют двухмерные шаблоны.
На рис. 2 представлена система получения трехмерных изображений при освещении структурированным светом, демонстрирующая принцип ее работы. Произвольная трехмерная поверхность объекта освещается с использованием проецируемого шаблона структурированного света. В этом конкретном случае шаблон структурированного света представляет собой пространственно повторяющуюся на протяжении множества периодов цветную картину, напоминающую спектр излучения видимого оптического диапазона. Камера захватывает изображение трехмерной поверхности объекта при освещении структурированным светом. На основании искажения шаблона структурированного света, видимого на полученном изображении, в сравнении с неискаженным проецированным шаблоном, может быть точно рассчитана трехмерная геометрическая поверхность объекта.
В обзорах [1, 2] и монографии [3] рассмотрены различные методы проекции полос, причем обзор [2] делает акцент только на однокадровые методы, которые можно применять для исследования динамических объектов.
Во ФГУП «ВНИИОФИ» разработан сканер-профилометр для измерения формы поверхности для стоматологии. В стоматологических CAD / CAM системах цифровые 3D изображения зубов используются для автоматизированного изготовления зубных реставраций (коронок, протезов и т. п.). Внешний вид сканера-профилометра приведен на рис. 3.
Данное устройство реализует триангуляционную схему измерения. Результаты работы сканера показали достаточную точность для его использования в области стоматологии, которая составила до 45,5 мкм. Для определения метрологических характеристик сканера был разработан комплект специальных мер. Кроме того, были проведены экспериментальные исследования по измерению формы поверхности различных объектов. К примеру, в эксперименте по определению формы использовался тестовый объект в виде усеченного конуса. Размеры тестового объекта: основание – 10 × 10 мм, высота усеченного конуса – 6 мм, угол между образующей поверхностью конуса и его высотой – 10˚. На рис. 4 приведены изображения, полученные при помощи профилометра.
Форма поверхности, полученная при измерении, сравнивалась с исходной CAD‑моделью. СКО измеренной поверхности тестового объекта от базовой в областях соответствующих плоскостей составляет 45,5 мкм, максимальное отклонение – 74,5 мкм.
Электронная спекл-интерферометрия (Elecrtonic Speckle Pattern Interferometry ESPI) является методом, похожим на голографическую интерферометрию: она предназначена для измерения изменений оптического пути, вызванного деформацией непрозрачных тел или изменением показателя преломления внутри прозрачных сред [4]. В методе ESPI для записи оптической информации используются электронные приборы, например ПЗС‑камеры.
Спекл-картина, которая записывается с помощью ESPI системы, может рассматриваться как голограмма сфокусированного изображения диффузно отражающего объекта (рис. 5). Благодаря цифровой записи и обработке метод ESPI также называют цифровой спекл-интерферометрией (Digital Speckle Pattern Interferometry DSPI). Другое название – ТВ‑голография. Однако, вместо реконструкции изображения с голограммы в методе ESPI используют корреляцию спекл-картин.
Принципиальная схема ESPI приведена на рис. 5. Изображение объекта на ПЗС‑матрице строится системой линз. Из-за когерентности освещающего излучения изображение объекта будет представлять собой спекл-картину.
Размер отдельного спекла dSp = λb / a, где λ – длина волны излучения, а –диаметр апертуры линзы, b – расстояние от линзы до плоскости изображения (рис. 5). Размер спекла должен быть согласован с разрешением (размером пиксела) матричного приемника. Этого можно достичь уменьшением апертуры отображающей системы.
Спекл-картина поверхности объекта на матричном приемнике совмещается со сферической опорной волной. Точечный источник этой опорной волны должен быть расположен в центре отображающей линзы. Благодаря такой осевой (in-line) схеме пространственный период интерференционных полос будет больше размера пиксела ПЗС‑матрицы. На практике система формирования опорного пучка соединена со светоделительным кубиком или же через оптическое волокно вмонтировано прямо в апертуру отображающей линзы.
Интенсивность света на матричном приемнике равна:
(2)
где – комплексная амплитуда опорной волны, а – комплексная амплитуда объектной волны в плоскости изображения. Выражение есть разность фаз между опорной и объектными волнами, которая случайным образом изменяется от точки к точке. Эта голограмма сфокусированного изображения диффузно отражающего объекта регистрируется матричным приемником и записывается в память компьютера.
Таким образом, выражение (2) описывает низкочастотную голограмму сфокусированного изображения объекта, которая представляет собой спеклы, промодулированные интерференционными полосами. Такую низкочастотную голограмму можно также назвать спекл-интерферограммой.
Устройство, изображенное на рис. 3, чувствительно к нормальным перемещениям в направлении, перпендикулярном плоскости объекта (out-of-plane). Смещение на величину dz приводит к фазовому сдвигу:
. (3)
После деформации объекта записывается вторая голографическая спекл-картина:
(4)
Далее эти две голографические спекл-картины вычитаются по формуле:
(5)
Следует подчеркнуть, что вычитаются не волновые поля, а интенсивности двух спекл-картин (голограмм). Из выражения (5) видно, что интенсивность разностной спекл-картины будет минимальна в тех точках, где ∆ϕ = 0, 2π, ... Интенсивность разностной картины достигает максимума для тех участков поверхности объекта, для которых деформация (смещение) ведет к сдвигу фазы ∆ϕ = π, 3π, ... Результирующая картина вычитания выглядит как система темных и светлых полос, очень похожих на голографическую интерферограмму. Однако есть существенное отличие от голографической интерферометрии, которое заключается в появлении спеклов в полосах и потере 3-х мерной информации при таком корреляционном процессе.
Как указывалось выше, схема на рис. 5 чувствительна только к нормальным перемещениям. Тангенциальные перемещения (in-plane) могут быть измерены с помощью схемы, изображенной на рис. 6. Две плоские волны освещают объект симметрично под углами ±θ к оси z. Изображение объекта строится ТВ‑камерой. Как и раньше, размер спеклов должен быть согласован с размером пиксела, например изменением диаметра апертуры линзы. Изменение фазы, вызванное тангенциальными смещениями, может быть выведено из простых геометрических соотношений, аналогичных вычислениям смещений в голографической интерферометрии. Изменение фазы верхнего пучка на рис. 6 равно:
, (6)
где – вектор смещения. Единичные вектора , , определены на рис. 3. Соответствующий сдвиг фазы для нижнего пучка равен:
. (7)
Тогда полный фазовый сдвиг будет равен:
. (8)
Вектор параллелен оси x, и его длина равна 2 sin θ. Следовательно, полный фазовый сдвиг, измеряемый в такой схеме, будет равен:
.
Так же как в голографической интерферометрии, фаза не может быть определена по одной спекл-картине. Фаза из спекл-интерферограммы может быть восстановлена методом фазовых шагов. В этом методе фазовых шагов для ESPI необходимо зарегистрировать не менее 3-х спекл-интерферограмм с взаимным фазовым сдвигом в каждом состоянии (до и после нагрузки). Любой из известных алгоритмов фазовых шагов может быть использован.
В первоначальном состоянии методом фазовых шагов вычисляется разность фаз между опорным и объектным пучками . После деформации объекта опять же методом фазовых шагов вычисляется другая разность фаз . Искомый сдвиг фаз , вызванный деформацией объекта, получается в результате вычитания этих двух сдвигов фаз.
Отсюда следует, что в современных методах ESPI искомый сдвиг фаз ∆ϕ восстанавливается не из формулы (5), т. е. не из разности двух спекл-интерферограмм, а из самих спекл-интерферограмм методом фазовых шагов. Поэтому стирается различие между методами цифровой голографической интерферометрии и электронной спекл-интерферометрии.
Для эксперимента по определению деформации использовался шерограф, представленный на рисунке 7(а), и плоская пластина размерами 55 × 45 мм, с одной стороны которой имелась ячеистая структура, изготовленная методом аддитивных технологий. В ячеистой структуре при печати был специально пропущен участок звеньев ячеек размерами 7 × 7 мм.
Данный участок имитировал дефект отслоения поверхности от ячеистой подложки. Для получения деформированного состояния использовался нагрев пластины с помощью горячего воздуха. Качественное обнаружение данного дефекта с плоской стороны пластины показано на рис. 7.
Таким образом, представленные методы структурированного света и шерографии удовлетворяют требованиям неинвазивности и высокой точности и могут быть использованы для контроля параметров изделий аддитивных технологий.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.625.21.0041 от 26.09.2017 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI62517X0041).
Об авторах
Минаев Владимир Леонидович, д. т. н.,
minaev@vniiofi.ru, Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»),
http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-4356-301X
Вишняков Геннадий Николаевич, д. т. н.,
ФГУП «ВНИИОФИ», http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0237-4738
Иванов Алексей Дмитриевич, к. т. н.,
a.ivanov@vniiofi.ru, ФГУП «ВНИИОФИ»,
http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-0609-6600
Левин Геннадий Генрихович, д. т. н,
ФГУП «ВНИИОФИ», http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-4158-5143
В. Л. Минаев, Г. Н. Вишняков, А. Д. Иванов, Г. Г. Левин
ФГУП «ВНИИ оптико-физических измерений»,
Москва, Россия
Статья получена: 20.12.2019
Статья принята к публикации: 14.01.2020
ВВЕДЕНИЕ
Цифровые технологии, развитие которых определяет современное состояние страны, включает в себя, как одно из основных звеньев, аддитивные технологии, обеспечивающие развитие промышленных производств нового поколения и модернизацию традиционных отраслей промышленности. Технология «трехмерной печати» (3D) начала развиваться в конце 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems, которая разработала в 1986 году первый аппарат – Stereolithography Apparatus.
Первые лазерные машины – стереолитографические (SLA) и затем порошковые (SLS‑машины) – отличались очень высокой стоимостью, выбор материалов был достаточно узкий, до середины 90-х годов они использовались главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. В дальнейшем после широкого распространения цифровых технологий в области проектирования, моделирования и механообработки 3D‑технологии начали бурно развиваться.
Для 3D‑технологий в настоящее время рекомендованы два основных термина со словом «аддитивные» – Additive Fabrication (AF) и Additive Manufacturing (AM), при этом большинство склоняется к последнему. Мировой рынок аддитивных технологий с 2010 по 2015 год прирастал в среднем на 27% в год и достиг объема в 5,1 млрд долларов, из которых примерно 40% приходится на оборудование и материалы, а 60% – на инжиниринговые услуги (разработка математических моделей, технологий и синтез деталей).
При разработке технологии послойного синтеза используются компьютерные технологии для моделирования и производства изделий – системы CAD (Computer-Aided Design), CAM (Computer-Aided Manufacturing). В последние годы в автоматизированные системы включают и CAE (Computer-Aided Engineering) – системы, предназначенные для оценки поведения реального изделия в условиях эксплуатации методами математического моделирования при помощи расчетных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов) для того, чтобы оценить, как поведет себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Технологии CAD / CAM / CAE имеют наиболее широкое и существенное влияние на ускорение инноваций, сокращение и снижение стоимости разработок новых продуктов, и, как следствие, повышение конкурентоспособности.
Все изделия, создаваемые по аддитивным технологиям, обязательно используют CAD / CAM / CAE системы. Они включают в себя синтез деталей сложных технических систем, включая разработку 3D‑моделей, конструирование поддержек, технологий синтеза (мощность излучения, стратегия сканирования, скорость и шаг сканирования и др.). При этом учитывается процесс формирования структурно-фазового состояния металлических, керамических и полимерных материалов нового поколения в процессе аддитивных технологий с последующей термической и баротермической обработкой деталей ответственного назначения.
Основной проблемой, которая препятствует широкому внедрению аддитивных технологий, является отсутствие систем диагностики и контроля изготавливаемых изделий. Качество деталей, полученных методами аддитивных технологий, сильно варьируется из-за неадекватных допусков размеров, шероховатости поверхности, а также дефектов, тем самым ограничивая широкое применение этих технологий. Эта изменчивость может быть сведена к минимуму за счет управления процессом, но нет адекватных измерительных процессов, доступных сегодня. Это приводит к тому, что малейшие отклонения внешних условий, возникающие в процессе изготовления, обуславливают несоответствия конечного изделия по форме или свойствам.
Чрезвычайно важно также осуществлять контроль деталей, формируемых с использованием аддитивных технологий, на наличие дефектов. В силу особенностей физических процессов, происходящих при формировании таких изделий, в них могут возникать не только дефекты, обычно свойственные применяемым материалам, но и поля механических напряжений.
Учитывая, что использование аддитивных технологий наиболее целесообразно при изготовлении дорогих изделий сложной формы и с заданными свойствами, контроль за технологическими процессами и диагностика конечных изделий являются одним из ключевых звеньев в широком распространении этих технологий.
При этом необходимо отметить, что результат измерений геометрических параметров конкретных изделий необходимо сравнить с математической моделью, разработанной в CAD‑системе, а измерения дефектов, скрытых напряжений, структуры изделий должны быть переданы в CAE‑систему для принятия решения о годности изделия или разработки алгоритма и технологии его дальнейшей обработки. Таким образом, измерительная система должна иметь потенциальную возможность быть встроенной в единый производственный комплекс.
При создании измерительных систем для аддитивных технологий может быть использована совокупность различных методов достоверного неразрушающего контроля, что в общем случае требует решения следующих задач: во-первых, в каждом конкретном случае необходимо определить перечень характеристик изделий аддитивного производства, которые нуждаются в измерениях; во-вторых, определить наиболее адекватные методы измерения, которые позволяют создать систему оценки качества продукции аддитивного производства. Анализ современных промышленных технологий позволяет сформулировать основные требования к измерительному и диагностическому оборудованию, которые применяются при их реализации. К ним относятся: бесконтактность измерений, высокая производительность, проведение измерений на месте, высокая обнаружительная способность дефектов, измерение характеристик, формирующих воздействий на материал в реальном времени; в‑третьих, разработать методы и оборудование неразрушающего контроля изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий, с необходимым уровнем достоверности. Создать соответствующие средства измерений и разработать систему их метрологического обеспечения. Разработать методики метрологического контроля и испытаний изделий, изготовленных послойным синтезом; наконец, что может быть самое важное, максимально встроить созданные измерительные системы в комплексную систему цифрового производства. Это требует создания специализированного программного обеспечения, сопряженного с современными CAD / CAM / CAE системами.
В настоящее время во ФГУП «ВНИИОФИ» проводятся работы по созданию методов и средств измерений параметров изделий аддитивного производства, а именно:
- измерение геометрических параметров в широком диапазоне размеров изделий методами структурированного света;
- измерение деформаций и напряженных состояний методами спекл-интерферометрии.
Далее подробно рассмотрим эти методы.
Физический мир вокруг нас является трехмерным (3D); тем не менее обычные камеры способны получать только двухмерные изображения (2D), у которых отсутствует информация о глубине. Это фундаментальное ограничение значительно сужает способность воспринимать и понимать сложность объектов реального мира. Несколько прошедших десятилетий отмечены огромным прогрессом в исследовании, развитии и коммерциализации технологий получения изображения, который стимулировался потребностями применения в различных сегментах рынка, прогрессом в сфере создания датчиков для электронной обработки изображений с высоким разрешением и высокой скоростью, а также все увеличивающейся вычислительной мощностью.
Задача получения трехмерных изображений относится к тем методам, которые позволяют захватывать подлинные 3D‑данные, т. е. величины некоторых параметров трехмерного объекта, таких как распределение плотности в зависимости от трехмерных координат (x, y, z). Примерами получения изображений из области медицины являются компьютерная томография (КТ), ЯМР‑томография, в процессе которых получаются объемные пикселы (или вокселы) измеряемого объекта, включая его внутреннюю структуру.
В отличие от этого, при получении изображения поверхности имеют дело с измерением координат (x, y, z) точки на объекте. Так как в общем случае поверхность не является плоской, она описывается в трехмерном пространстве, и поэтому результат измерения можно рассматривать как карту глубины z в зависимости от положения (x, y) в декартовой системе координат и представить ее в виде матрицы {zij = (xi, yj), i = 1, 2, ... , L, j = 1, 2, ... , M}. Этот процесс имеет также много других названий: 3D‑измерение поверхности, определение расстояний, измерение расстояний, глубинное картографирование, сканирование поверхности и т. д. Эти термины используются в различных сферах применения и обычно относятся к различным методам получения данных, отличающихся только деталями конструкции системы, реализацией и / или форматами данных.
Более общие системы получения трехмерных изображений поверхностей способны регистрировать скалярную величину, такую как коэффициент отражения, связанный с каждой точкой на неплоской поверхности. Результатом является облако точек {Pi = (xi, yi, zi, fi), i = 1, 2, ... , N}, где fi представляет собой коэффициент отражения в каждой i-ой точке поверхности в массиве данных. Аналогично цветное изображение поверхности представляется с помощью {Pi = (xi, yi, zi, ri, gi, bi), i = 1, 2, ... , N}, где вектор (ri, gi, bi) представляет составляющие красного, зеленого и синего цвета, связанные с i-ой точкой поверхности. Спектральные свойства поверхности также могут быть описаны с помощью векторов большей величины.
Один из главных методов получения трехмерных изображений поверхности основывается на использовании «структурированного света», т. е. освещения объекта с использованием специально разработанных двухмерных шаблонов (транспарантов) с изменяющейся в пространстве интенсивностью и последующей регистрацией и анализом полученных изображений. Как показано на рисунке 1, изменяющееся в пространстве двухмерное структурированное освещение генерируется с помощью специального проектора или источника света, подвергнутого модуляции с помощью пространственного модулятора света. Интенсивность каждого пиксела на шаблоне структурированного света представляется цифровым сигналом {Iij = (i, j), i = 1, 2, ... , I, j = 1, 2, ... , J}, где (i, j) представляют собой координаты (x, y) проецируемого шаблона. Обычно проецируемые шаблоны структурированного света являются двухмерными шаблонами.
Для получения двухмерного изображения сцены, освещаемой структурированным светом, используется камера. Оптические оси проектора и камеры должны образовывать некоторый угол. Если сцена представляет собой плоскую поверхность без каких-либо пространственных вариаций поверхности, то шаблон, отображаемый на полученном изображении, аналогичен проецируемому шаблону структурированного света. Однако если поверхность сцены неплоская, то ее неровности искажают проецируемый шаблон структурированного света. Принцип метода получения трехмерного изображения поверхности с помощью структурированного света заключается в выявлении трехмерной формы поверхности на основе искажения проецируемого шаблона структурированного света. Точные профили трехмерных поверхностей объектов в сцене могут быть рассчитаны посредством использования различных принципов и алгоритмов структурированного света.
Как показано на рис. 1, геометрическая связь между камерой, проектором структурированного света и точкой Р на поверхности объекта может быть выражена с помощью принципа триангуляции по формуле:
. (1)
Ключевым моментом для получения трехмерного изображения на основании триангуляции является способ идентификации отдельного элемента проецируемого шаблона на полученном изображении.
В более общем смысле шаблоны структурированного света могут создавать пространственные вариации по всем направлениям (x, y, z), становясь, таким образом, подлинными 3D‑системами проецирования структурированного света. Например, интенсивность проецируемого света может меняться вдоль оптического пути вследствие интерференции когерентного света. Однако большинство систем получения трехмерного изображения поверхности с помощью структурированного света используют двухмерные шаблоны.
На рис. 2 представлена система получения трехмерных изображений при освещении структурированным светом, демонстрирующая принцип ее работы. Произвольная трехмерная поверхность объекта освещается с использованием проецируемого шаблона структурированного света. В этом конкретном случае шаблон структурированного света представляет собой пространственно повторяющуюся на протяжении множества периодов цветную картину, напоминающую спектр излучения видимого оптического диапазона. Камера захватывает изображение трехмерной поверхности объекта при освещении структурированным светом. На основании искажения шаблона структурированного света, видимого на полученном изображении, в сравнении с неискаженным проецированным шаблоном, может быть точно рассчитана трехмерная геометрическая поверхность объекта.
В обзорах [1, 2] и монографии [3] рассмотрены различные методы проекции полос, причем обзор [2] делает акцент только на однокадровые методы, которые можно применять для исследования динамических объектов.
Во ФГУП «ВНИИОФИ» разработан сканер-профилометр для измерения формы поверхности для стоматологии. В стоматологических CAD / CAM системах цифровые 3D изображения зубов используются для автоматизированного изготовления зубных реставраций (коронок, протезов и т. п.). Внешний вид сканера-профилометра приведен на рис. 3.
Данное устройство реализует триангуляционную схему измерения. Результаты работы сканера показали достаточную точность для его использования в области стоматологии, которая составила до 45,5 мкм. Для определения метрологических характеристик сканера был разработан комплект специальных мер. Кроме того, были проведены экспериментальные исследования по измерению формы поверхности различных объектов. К примеру, в эксперименте по определению формы использовался тестовый объект в виде усеченного конуса. Размеры тестового объекта: основание – 10 × 10 мм, высота усеченного конуса – 6 мм, угол между образующей поверхностью конуса и его высотой – 10˚. На рис. 4 приведены изображения, полученные при помощи профилометра.
Форма поверхности, полученная при измерении, сравнивалась с исходной CAD‑моделью. СКО измеренной поверхности тестового объекта от базовой в областях соответствующих плоскостей составляет 45,5 мкм, максимальное отклонение – 74,5 мкм.
Электронная спекл-интерферометрия (Elecrtonic Speckle Pattern Interferometry ESPI) является методом, похожим на голографическую интерферометрию: она предназначена для измерения изменений оптического пути, вызванного деформацией непрозрачных тел или изменением показателя преломления внутри прозрачных сред [4]. В методе ESPI для записи оптической информации используются электронные приборы, например ПЗС‑камеры.
Спекл-картина, которая записывается с помощью ESPI системы, может рассматриваться как голограмма сфокусированного изображения диффузно отражающего объекта (рис. 5). Благодаря цифровой записи и обработке метод ESPI также называют цифровой спекл-интерферометрией (Digital Speckle Pattern Interferometry DSPI). Другое название – ТВ‑голография. Однако, вместо реконструкции изображения с голограммы в методе ESPI используют корреляцию спекл-картин.
Принципиальная схема ESPI приведена на рис. 5. Изображение объекта на ПЗС‑матрице строится системой линз. Из-за когерентности освещающего излучения изображение объекта будет представлять собой спекл-картину.
Размер отдельного спекла dSp = λb / a, где λ – длина волны излучения, а –диаметр апертуры линзы, b – расстояние от линзы до плоскости изображения (рис. 5). Размер спекла должен быть согласован с разрешением (размером пиксела) матричного приемника. Этого можно достичь уменьшением апертуры отображающей системы.
Спекл-картина поверхности объекта на матричном приемнике совмещается со сферической опорной волной. Точечный источник этой опорной волны должен быть расположен в центре отображающей линзы. Благодаря такой осевой (in-line) схеме пространственный период интерференционных полос будет больше размера пиксела ПЗС‑матрицы. На практике система формирования опорного пучка соединена со светоделительным кубиком или же через оптическое волокно вмонтировано прямо в апертуру отображающей линзы.
Интенсивность света на матричном приемнике равна:
(2)
где – комплексная амплитуда опорной волны, а – комплексная амплитуда объектной волны в плоскости изображения. Выражение есть разность фаз между опорной и объектными волнами, которая случайным образом изменяется от точки к точке. Эта голограмма сфокусированного изображения диффузно отражающего объекта регистрируется матричным приемником и записывается в память компьютера.
Таким образом, выражение (2) описывает низкочастотную голограмму сфокусированного изображения объекта, которая представляет собой спеклы, промодулированные интерференционными полосами. Такую низкочастотную голограмму можно также назвать спекл-интерферограммой.
Устройство, изображенное на рис. 3, чувствительно к нормальным перемещениям в направлении, перпендикулярном плоскости объекта (out-of-plane). Смещение на величину dz приводит к фазовому сдвигу:
. (3)
После деформации объекта записывается вторая голографическая спекл-картина:
(4)
Далее эти две голографические спекл-картины вычитаются по формуле:
(5)
Следует подчеркнуть, что вычитаются не волновые поля, а интенсивности двух спекл-картин (голограмм). Из выражения (5) видно, что интенсивность разностной спекл-картины будет минимальна в тех точках, где ∆ϕ = 0, 2π, ... Интенсивность разностной картины достигает максимума для тех участков поверхности объекта, для которых деформация (смещение) ведет к сдвигу фазы ∆ϕ = π, 3π, ... Результирующая картина вычитания выглядит как система темных и светлых полос, очень похожих на голографическую интерферограмму. Однако есть существенное отличие от голографической интерферометрии, которое заключается в появлении спеклов в полосах и потере 3-х мерной информации при таком корреляционном процессе.
Как указывалось выше, схема на рис. 5 чувствительна только к нормальным перемещениям. Тангенциальные перемещения (in-plane) могут быть измерены с помощью схемы, изображенной на рис. 6. Две плоские волны освещают объект симметрично под углами ±θ к оси z. Изображение объекта строится ТВ‑камерой. Как и раньше, размер спеклов должен быть согласован с размером пиксела, например изменением диаметра апертуры линзы. Изменение фазы, вызванное тангенциальными смещениями, может быть выведено из простых геометрических соотношений, аналогичных вычислениям смещений в голографической интерферометрии. Изменение фазы верхнего пучка на рис. 6 равно:
, (6)
где – вектор смещения. Единичные вектора , , определены на рис. 3. Соответствующий сдвиг фазы для нижнего пучка равен:
. (7)
Тогда полный фазовый сдвиг будет равен:
. (8)
Вектор параллелен оси x, и его длина равна 2 sin θ. Следовательно, полный фазовый сдвиг, измеряемый в такой схеме, будет равен:
.
Так же как в голографической интерферометрии, фаза не может быть определена по одной спекл-картине. Фаза из спекл-интерферограммы может быть восстановлена методом фазовых шагов. В этом методе фазовых шагов для ESPI необходимо зарегистрировать не менее 3-х спекл-интерферограмм с взаимным фазовым сдвигом в каждом состоянии (до и после нагрузки). Любой из известных алгоритмов фазовых шагов может быть использован.
В первоначальном состоянии методом фазовых шагов вычисляется разность фаз между опорным и объектным пучками . После деформации объекта опять же методом фазовых шагов вычисляется другая разность фаз . Искомый сдвиг фаз , вызванный деформацией объекта, получается в результате вычитания этих двух сдвигов фаз.
Отсюда следует, что в современных методах ESPI искомый сдвиг фаз ∆ϕ восстанавливается не из формулы (5), т. е. не из разности двух спекл-интерферограмм, а из самих спекл-интерферограмм методом фазовых шагов. Поэтому стирается различие между методами цифровой голографической интерферометрии и электронной спекл-интерферометрии.
Для эксперимента по определению деформации использовался шерограф, представленный на рисунке 7(а), и плоская пластина размерами 55 × 45 мм, с одной стороны которой имелась ячеистая структура, изготовленная методом аддитивных технологий. В ячеистой структуре при печати был специально пропущен участок звеньев ячеек размерами 7 × 7 мм.
Данный участок имитировал дефект отслоения поверхности от ячеистой подложки. Для получения деформированного состояния использовался нагрев пластины с помощью горячего воздуха. Качественное обнаружение данного дефекта с плоской стороны пластины показано на рис. 7.
Таким образом, представленные методы структурированного света и шерографии удовлетворяют требованиям неинвазивности и высокой точности и могут быть использованы для контроля параметров изделий аддитивных технологий.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.625.21.0041 от 26.09.2017 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI62517X0041).
Об авторах
Минаев Владимир Леонидович, д. т. н.,
minaev@vniiofi.ru, Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»),
http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-4356-301X
Вишняков Геннадий Николаевич, д. т. н.,
ФГУП «ВНИИОФИ», http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0237-4738
Иванов Алексей Дмитриевич, к. т. н.,
a.ivanov@vniiofi.ru, ФГУП «ВНИИОФИ»,
http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-0609-6600
Левин Геннадий Генрихович, д. т. н,
ФГУП «ВНИИОФИ», http://www.vniiofi.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-4158-5143
Отзывы читателей
