增材制造（AM）技術(shù)

通過(guò)逐層堆積材料實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型，但3D打印表面質(zhì)量存在層厚均勻性和組裝方式導(dǎo)致的臺(tái)階效應(yīng)問(wèn)題，表面粗糙度直接影響機(jī)械性能與功能可靠性，尤其在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域至關(guān)重要。

因此精確測(cè)量表面輪廓成為提升打印質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文提出基于多模-無(wú)芯-多模（MCM）光纖的低成本曲率傳感器，通過(guò)探針位移-曲率-光強(qiáng)調(diào)制機(jī)制實(shí)現(xiàn)表面輪廓實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)對(duì)比與Flexfilm探針式臺(tái)階儀測(cè)量得到的輪廓數(shù)據(jù)，二者吻合度很高。

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傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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29 mm無(wú)芯光纖（CF）兩端熔接50/125多模光纖（MMF），總直徑125 μm。

(a) MCM光纖結(jié)構(gòu)的透射光譜；(b) 不同溫度下陷波最小值的波長(zhǎng)變化；(c) 不同溫度下陷波最小值的強(qiáng)度變化。

• 光譜分析：白光光源（WLS）+光譜分析儀（OSA），觀測(cè)1550 nm處衰減陷波；
• 強(qiáng)度監(jiān)測(cè)：可調(diào)激光器（TL@1550 nm）+功率計(jì)（PM），簡(jiǎn)化實(shí)時(shí)測(cè)量。
• 溫度穩(wěn)定性：90°C內(nèi)波長(zhǎng)漂移<0.2 nm，強(qiáng)度波動(dòng)<0.1 dBm，確保曲率測(cè)量可靠性。

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傳感系統(tǒng)集成

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接觸式觸針輪廓儀的實(shí)現(xiàn)方案示意圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)：MCM光纖貼合于3 mm厚金屬梁，中心固定3D打印觸針（針尖直徑0.3 mm）。

工作流程

觸針掃描物體表面→ 金屬梁彎曲 → MCM曲率變化 → 衰減峰強(qiáng)度升高（無(wú)波長(zhǎng)偏移）。

強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)可調(diào)激光器（1550 nm）和功率計(jì)實(shí)時(shí)捕獲，通過(guò)多項(xiàng)式擬合轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)。

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曲率靈敏度與分辨率驗(yàn)證

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表征MCM光纖結(jié)構(gòu)曲率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

金屬梁兩端由可旋轉(zhuǎn)方形槽固定，中心通過(guò)線性平移臺(tái)（LTS）施加彎曲位移（步進(jìn)精度1 μm）。曲率計(jì)算公式：

1：(a) MCM曲率增大時(shí)的衰減陷波光譜；(b) 衰減陷波最小強(qiáng)度隨曲率的變化關(guān)系

2:(a) 不同曲率下衰減陷波光譜的細(xì)節(jié)；(b) 小曲率范圍內(nèi)陷波最小強(qiáng)度的線性擬合

3：(a) MCM光纖結(jié)構(gòu)的彎曲位移與透射光功率關(guān)系；(b) 基于六階多項(xiàng)式擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

靈敏度特性

曲率范圍0–4.06 m?1內(nèi)，衰減峰強(qiáng)度單調(diào)上升，非線性響應(yīng)。

高靈敏區(qū)間：0.6–1.0 m?1（斜率3.725 dBm/m?1，R2=0.993）。

位移靈敏度：89.43 μW/mm（最小可測(cè)位移2 μm，對(duì)應(yīng)曲率0.00326 m?1）。

LTS位移序列對(duì)應(yīng)的透射光功率（左軸）及通過(guò)多項(xiàng)式擬合計(jì)算的階躍高度（右軸）

重復(fù)性驗(yàn)證

50 μm和10 μm步進(jìn)位移測(cè)試中，實(shí)測(cè)誤差<6%，證實(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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3D打印表面輪廓實(shí)測(cè)

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鋸齒輪廓模型、商用輪廓儀測(cè)量結(jié)果、MCM透射光功率及轉(zhuǎn)換后的輪廓

矩形輪廓模型、商用輪廓儀測(cè)量結(jié)果、MCM透射光功率及轉(zhuǎn)換后的輪廓

測(cè)試對(duì)象與參數(shù)

樣本：鋸齒形（理論高0.4 mm/間距3 mm）、矩形輪廓（理論高0.2 mm/間距2 mm）。

掃描條件：平臺(tái)速度0.1 mm/s，數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔0.2 mm。

對(duì)比臺(tái)階儀結(jié)果

本文提出的基于MCM光纖結(jié)構(gòu)的接觸式觸針輪廓儀，為低成本3D打印物體表面輪廓測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)單、有效的解決方案。通過(guò)探針式臺(tái)階儀測(cè)量驗(yàn)證該輪廓儀具有較高的測(cè)量精度和良好的重復(fù)性，為3D打印在線質(zhì)檢提供新途徑。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)3D打印表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，精確量化3D打印層疊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的臺(tái)階高度，并對(duì)膜厚均勻性進(jìn)行優(yōu)化。

原文參考：《Optical Fiber Curvature Sensor Used to Measure the Surface Profile of 3-D Printing Objects》

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