《Applied Sciences》：Metrological Comparative Analysis of 3D Printing Technology and the Applied Coordinate Measurement Methods
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本文介绍了采用选定的工业三维打印技术制造的模型几何特征比较研究成果。测量工作在一个自行设计的模型上进行，其形状灵感来源于符合三维打印机精度评估标准的工件。比较研究中使用了三台由SMARTTECH Sp. z o.o.制造并以SMARTTECH3D品牌销售的不同
本文介绍了采用选定的工业三维打印技术制造的模型几何特征比较研究成果。测量工作在一个自行设计的模型上进行，其形状灵感来源于符合三维打印机精度评估标准的工件。比较研究中使用了三台由SMARTTECH Sp. z o.o.制造并以SMARTTECH3D品牌销售的不同结构光三维扫描仪，同时以坐标测量机（CMM）作为参考测量设备。本研究的目的是确定三维扫描仪在对具有先进自由曲面和倾斜凹槽形状的几何模型进行计量测量时的能力与局限性，并确定测量/计量策略对选定测量质量特性的影响。结果显示，根据所选测量策略——三维扫描仪摄像头的角度以及扫描系统的运动学特性——所测得的点数与分析自由曲面几何特征的能力存在显著差异。配备机械臂的S/T 2401型扫描仪和配备旋转台的S/T 2402型扫描仪获取的点云记录数为2200万至2600万个，而高分辨率的S/T 2502型扫描仪（配备旋转台）获取的点云记录数为6400万至8200万个，增加了300%。
一、研究背景与研究问题
在工业制造领域，坐标测量技术因其合适的测量不确定度而成为广泛应用的精密工具。然而，随着制造工艺性质的改变，质量控制越来越多地采用三维扫描作为快速评估的计量工具。三维扫描可用于生产线上的批量尺寸控制以及利用三维打印技术进行原型制造。在此类应用中，三维扫描仪被期望具备高度机器人化甚至一定程度的自主性，从而将质量控制的流程缩短为一个独立的“测量与决策”环节。
现有的测量方法如坐标测量机对于典型形状和易于接触的测头部位更为精确，但对于自由曲面、倾斜凹槽、螺纹等复杂曲线，使用CMM进行测量十分困难甚至不可能。此外，CMM主要用于测量尺寸，而非创建用于分析的三维模型。因此，选择合适的扫描仪和测量策略至关重要，这有助于选取必要参数以获得最高质量的模型用于尺寸分析。
基于文献综述可以得出结论，需要进一步研究三维扫描参数对数字模型精度的影响。现有研究通常侧重于定量评估三维扫描参数，而未充分考虑获取点云的质量。往往是将扫描后的STL文件与CAD模型进行比较，但STL模型经过了数学补充，会影响结果和后续分析。因此，本文提出了一种新的方法来分析扫描质量，即分析测量点的数量，这在以往的研究中鲜有涉及。此外，将旋转台扫描仪与工业实践中日益广泛使用的机器人扫描仪进行比较也是新颖之处。使用坐标测量机作为测量工具保证了研究的可靠性，并且这些研究是在包含旨在部分复杂化测量过程的表面的专有工件上开展的。因此，本研究旨在对三种选定的三维扫描仪进行对比分析，并以坐标测量机作为参考仪器。
二、关键技术方法
研究人员设计了一个专用的50 mm立方体测量模型，其壁面上带有孔洞和自由曲面形状，并具有向内和向外的倾斜特征以及由特定数学函数描述的自由曲面。采用三种增材制造技术生产样品：熔融沉积成型（FDM）与PLA材料、PolyJet矩阵（PJM）与MED610材料、选择性激光烧结（SLS）与PA 2200聚酰胺材料。测量方面，使用了三台SMARTTECH3D品牌的结构光三维扫描仪（S/T 2401带机械臂、S/T 2402带旋转台、S/T 2502高分辨率带旋转台），摄像头角度设置为0°、15°和30°。共采集了27次扫描数据。作为参考测量，使用Zeiss PRISMO Navigator坐标测量机（CMM）测量整体尺寸，并使用Keyence VHX-X1数字显微镜测量孔洞尺寸。
三、研究结果
3.1 从三维扫描到CMM的整体尺寸分析
研究人员比较了CMM与三维扫描仪的测量结果。在制造精度方面，PJM方法的偏差最小，相对于CAD模型的偏差分别为X方向0.09%（0.046 mm）、Y方向0.04%（0.022 mm）和Z方向0.03%（0.015 mm）。FDM和SLS技术的偏差约为0.35%–0.45%，比PJM大7–8倍。对于三维扫描结果，FDM技术的平均百分比偏差为0.33%，PJM为0.24%，SLS为0.25%。PJM技术的结果高于CMM，原因是该技术使用的树脂材料高度透明，必须喷涂抗反射粉末，从而在测量表面形成了一层额外的薄层。针对不同扫描仪的分析表明，机器人扫描仪2401在FDM和SLS技术下于0°角度时偏差最小（分别为0.22%和0.2%），而高分辨率扫描仪2502的偏差最大（FDM为0.77%，PJM为0.28%，SLS为0.36%）。
3.2 自由曲面分析
通过将测量的自由曲面与CAD模型进行匹配，研究发现，在0°角度下，几乎所有情况（八次测量）都无法进行匹配，因为自由曲面上的测量点不足。在15°角度下，九次中有三次无法匹配。而在30°角度下，所有情况均可成功匹配。各技术的平均匹配偏差差异不大：FDM为0.77 mm，PJM为0.79 mm，SLS为0.70 mm。按扫描仪分析，高分辨率2502扫描仪的匹配偏差最小，平均为0.41 mm，仅为2402扫描仪（0.88 mm）的一半。机器人2401扫描仪的偏差为0.50 mm。
3.3 点云分析
两个扫描仪2401和2402在最终测量点数量上没有显著差异（2200万–2600万个点），它们与CMM的相对偏差水平相近（约0.3%）。而高分辨率2502扫描仪的最终模型拥有6400万至8200万个测量点，但其与CMM数据的偏差却是最大的（FDM为0.77%，PJM为0.28%，SLS为0.36%）。基于此，研究人员建议开发一个质量因子，将镜头/相机视场的使用情况定义为三维扫描仪系统的质量指标。
3.4 显微分析
通过显微镜观察发现，FDM技术制造的圆形和方形孔洞顶部存在因缺乏支撑结构而导致的塌陷表面。PJM技术制造的孔洞无明显缺陷，形状规整度高，且其再现的几何特征比CAD模型更精确，偏差值远小于其他技术。SLS技术制造的孔洞存在圆度缺陷，这是由于未烧结粉末无法在所有情况下支撑正在构建的层，同时该技术的热效应导致收缩现象。数据显示，所有技术制造的圆孔直径均大于CAD设计值（FDM和SLS约0.2–0.4 mm），而PJM技术的偏差最小（0.03–0.04 mm）。
四、讨论与结论
研究表明，三维扫描作为一种测量技术应主要应用于复杂自由曲面的测量。三维扫描在测量简单形状（如整体尺寸）时，与更精密的CMM相比，表现出更大的形状偏差，但这些细微差异在很大程度上取决于所使用的扫描仪的运动学系统。使用扫描的测量策略对所获得的尺寸值和测量的可行性有显著影响：在0度时无法测量自由曲面；在15度时，九种策略中有七种可以实现测量；而在30度时，所有测量均正确。将机械臂集成到2401扫描仪的运动系统中并未影响测量精度评估，其与CMM测量的相对偏差与配备旋转台的2402扫描仪处于同一水平（约0.3%）。
研究结论翻译如下：
三维扫描作为一种测量技术应主要用于关注复杂自由曲面的场合。研究表明，三维扫描在其测量能力方面存在一定的局限性。因此，在大多数情况下，扫描仪可以作为坐标测量机的工业补充，并提供诸多优势。三维扫描仪在测量简单形状（如整体尺寸）时，与作为更精确计量仪器的CMM相比，表现出显著更大的形状偏差。然而，正如本研究所示，这些微小差异在很大程度上取决于所使用的扫描仪（运动学系统）。使用扫描的测量策略对所获得的尺寸值和测量的可行性有显著影响（在0度时无法测量自由曲面；在15度时，九种策略中有七种可实现测量；在30度时，所有测量均正确）。与扫描系统定位相关的角度常常限制测量能力，尤其是在自由曲面区域。将机械臂应用于2401扫描仪的运动系统并未影响测量精度评估，其与CMM测量的相对偏差与配备旋转台的2402扫描仪处于同一水平（约0.3%）。建议开发一个质量指标，该指标决定单次扫描的质量，并与被测物体的表面积和三维扫描仪（摄像头）的测量分辨率相关联。该指标可参照表面粗糙度测量中的未测量点数，或所使用的扫描仪测量场百分比。
