增材制造,又称3D打印,和3D机器视觉都是令人极为振奋的新技术,当我们将这两者结合起来使用时,它们有潜力创建一些全新的高效生产模式,这其中,尤其让人感兴趣的是“自动化生产”的概念——一个“一站式”的机械加工车间,该车间可在无需人工监督的情况下用3D打印技术来打造零件,并用机器视觉技术来测量和测试该零件。
德州
仪器(TI)的DLP?技术及其的数字微镜器件(DMD)可提供实现这一切的关键要素。DLP技术是诞生于1996年的用于投影显示的光学技术,现在已得到广泛应用。当被应用于3D打印和机器视觉中的问题时,DLP技术可提供高分辨率的成像、加快生产速度并降低制造成本,这有助于让自动化生产的愿景成为现实。正因如此,它才成为了用老技术解决新问题的经典范例。
采用DLP技术的3D打印
光固化(SLA)是一种常见的3D打印过程,与传统的打印较为相似。就像调色剂沉积在纸张上一样,3D打印机可在一系列2D截面中沉积材料层,这样一层一层叠加起来,就能产生3D物体。在采用SLA技术的情况下,材料是一种可用紫外线(UV)
光源进行固化的树脂。当该树脂固化时,其单体能交联以创建一个聚合物链 —— 该聚合物链可产生固体材料。
当SLA技术与DLP技术结合时,DMD会由UV光源点亮。然后DMD的像素被分别处理,图像被投影到树脂层,从而产生一系列截面,这些截面可组成3D物体。采用DLP技术能够带来多种优势,比如能用光学技术使来自DMD的各个像素成像,而不是让光源直接在树脂上成像,这样可优化分辨率和特征尺寸。
图像说明:物体通过3D计算机辅助设计(CAD)模型得到详细的说明。打印机软件可将虚拟模型转化成一系列表层以适应该物体的打印。
和能产生100微米体素(3D像素)、基于激光的传统SLA机相比,基于DLP技术的SLA机可实现30微米的体素。体素越小,转化成的物体越平滑,这意味着完成物体创建所需的后期制作处理工作就越少。此外,因为整个构造层的成像和创建是同时完成——而不是一个体素、逐层完成的,所以这些机器完成较大打印品的速度比传统的SLA机快。
DLP技术测量和测试
物体被打印后,自动生产线上的下一个步骤是实现具有3D视觉功能的机器,该机器可对物体进行自动测量和测试。在这个过程中也可以应用DLP技术。
传统的机器视觉系统采用接触式坐标测量法或使用单个
摄像头的非接触式2D检测与测量法来扫描物体。DLP辅助的3D机器视觉系统则可采用单行扫描的变异法 —— 结构光方法。
图像说明:通过采用DLP技术的结构光扫描法,就能提取任何物体的表面面积、体积和特征尺寸等维度值。
在这里,数字光图案被投影到一个物体上。接着,这些光图案通过摄像头
传感器成像——该传感器可借助已知的光源角度对数据进行三角测量,以提取3D信息。
被投影的图案通常是黑色和白色条纹,它们由DMD将相应的像素列开启和关闭而产生。我们用投影
透镜让来自DMD的光在被测量的物体上成像。由于DMD像素的尺寸可能仅为5.4微米,故我们可用较小的面板来产生高分辨率图案。
与传统的单行扫描法和接触式坐标测量法相比,DLP辅助的结构光方法有着高分辨率,并且有高达32kHz的可编程图案速率,因此能产生高的3D实时数据。此外,DMD还可在系统设计中提供灵活性 —— 波长选择范围很广,可从365纳米到2,500纳米。
对提高产品质量和降低制造成本的需求正在一系列领域——包括安全、医疗、环境和科学领域——变得越来越强劲。利用TI的DLP技术,工程师可获得一种途径来满足这些需求,并能设想一个理想的制造工厂,其中自动机器人可制造和测试产品。