Ricostruzione 3D di manufatti ottenuti da stampa additiva metallica

Metal additive printing has profoundly transformed the industrial manufacturing landscape, enabling the fabrication of geometrically complex components with optimized material usage. This technology has found application in high-impact industries such as aerospace, automotive, and biomedical. However, the high expectations for quality and dimensional compliance required to meet stringent safety standards have highlighted the inherent challenges in controlling and verifying molded artefacts.Ensuring that manufactured components meet design specifications and are free of structural defects is one of the main obstacles to large-scale adoption of this technology. In this context, this thesis proposes an innovative approach for the three-dimensional reconstruction of metal artefacts obtained by direct energy deposition (DED) technology. Unlike traditional techniques, which are limited to post-production scanning of external surfaces, this approach is based on layer-by-layer reconstruction, offering a detailed view of the internal structure as well. The proposed approach, starting from existing technologies, required the identification of appropriate solutions, adapting parameters based on computational capacity and the type of artefact available, in order to balance the accuracy of the reconstruction with time and resource requirements, and the implementation of specific algorithms, e.g., for removing overlaps and reducing noise, as well as the development of an interactive visualization environment to improve the user experience and facilitate operator decision-making. The system integrats two laser profilometers mounted on the printer, which acquire the profile of the deposited material throughout the printing process. These profiles, combined with knowledge of the machine's kinematics, are processed to generate the point cloud of each individual layer, using a registration based on the deterministic calculation of rigid transformations. Of key importance is data processing, which included the implementation of specific filters to remove noise from raw data and to handle overlaps due to the dual profiles. The cleaned point clouds are then used to generate the surfaces of each layer using reconstruction algorithms such as Alpha Shape. This process results in a complete three-dimensional model of the artefact, preserving a high level of detail. To further enhance usability, an interactive visualization system based on Blender was developed. This system allows the 3D model to be navigated and analyzed at different levels of detail, including down to individual print layers. Given the high volume of data, efficient management strategies were designed to optimize the balance between model detail, file size, and navigation fluidity. The proposed approach represents a breakthrough in quality control of additive metal printing, overcoming the limitations of traditional methods and laying a solid foundation for further technological development.

La stampa additiva metallica ha trasformato profondamente il panorama della produzione industriale, consentendo la realizzazione di componenti geometricamente complessi con un utilizzo ottimizzato dei materiali. Questa tecnologia ha trovato applicazione in settori di alto impatto come l'aerospaziale, l'automotive e il biomedicale. Tuttavia, le elevate aspettative in termini di qualità e conformità dimensionale, necessarie per rispettare i rigorosi standard di sicurezza, hanno evidenziato le sfide intrinseche nel controllo e nella verifica dei manufatti stampati. Garantire che i componenti prodotti rispettino le specifiche progettuali e che siano privi di difetti strutturali rappresenta uno dei principali ostacoli all'adozione su larga scala di questa tecnologia. In questo contesto, la presente tesi propone un approccio innovativo per la ricostruzione tridimensionale di manufatti metallici prodotti con tecnologia a deposizione di energia diretta (DED). Rispetto alle tecniche tradizionali che si limitano a una scansione post-produzione della superficie esterna, questo approccio si basa sulla ricostruzione layer-by-layer del manufatto, offrendo una visione dettagliata anche della struttura interna. L'approccio proposto, a partire da tecnologie esistenti, ha richiesto l'identificazione di soluzioni appropriate, adattando parametri in base alla capacità computazionale e al tipo di manufatto a disposizione, al fine di bilanciare la precisione della ricostruzione con le esigenze di tempo e risorse, e l'implementazione di algoritmi specifici, ad esempio, per la rimozione di sovrapposizioni e la riduzione del rumore nei dati, nonché lo sviluppo di un ambiente di visualizzazione interattivo per migliorare l'esperienza d'uso e facilitare il processo decisionale agli operatori. Il sistema si basa sull'integrazione di due profilometri laser montati sulla stampante, che acquisiscono il profilo del materiale depositato durante l'intero processo di stampa. Le acquisizioni, combinate con la conoscenza della cinematica del macchinario, vengono elaborate per generare la nuvola di punti di ogni layer, utilizzando una registrazione basata sul calcolo deterministico delle trasformazioni rigide. Di fondamentale importanza è la fase di elaborazione dei dati in cui sono stati sviluppati filtri specifici per la rimozione del rumore presente nei dati grezzi e per la gestione delle sovrapposizioni dovute al doppio profilometro. Le nuvole di punti ripulite vengono poi utilizzate per la generazione delle superfici di ciascun layer mediante algoritmi di ricostruzione come l'Alpha Shape. Questo processo consente di ottenere un modello tridimensionale completo del manufatto, preservando un alto livello di dettaglio. Infine, è stato implementato un sistema di visualizzazione interattivo basato su Blender, che permette di navigare e analizzare il modello 3D a diversi livelli di dettaglio, fino ai singoli layer di stampa. Considerata la grande quantità di dati da elaborare, è stato indispensabile sviluppare un metodo efficiente per la loro gestione, individuando il miglior compromesso tra il livello di dettaglio, dimensione del modello e fluidità della navigazione. L'approccio proposto rappresenta un passo avanti nel controllo qualità della stampa additiva metallica, superando le limitazioni dei metodi tradizionali e gettando basi solide per ulteriori sviluppi tecnologici.