用于多組分增材制造零件的材料分割和數(shù)字重建的原位激光輪廓術(shù)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本文提出了一種基于激光輪廓術(shù)的逐層原位表征技術(shù)，作為數(shù)字重建多材料零件的方法。

除了生產(chǎn)幾何復(fù)雜零件的能力外，增材制造還提供了一個獨特的機會，在部件制造過程中收集有關(guān)部件的數(shù)據(jù)。然而，在原位對零件的形態(tài)和成分進行表征的努力有限。在本文中，我們提出了一種基于激光輪廓術(shù)的逐層原位表征技術(shù)，作為數(shù)字重建多材料零件的方法。激光輪廓儀收集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生高度圖和灰度圖像，使用專用軟件進行體素化，以體積重建零件。還使用X射線計算機斷層掃描（CT）對同一部件進行了分析，該CT無法分辨部件內(nèi)的不同組成區(qū)域，但捕獲了細絲形態(tài)。然后將零件一分為二，將數(shù)字重建與實際零件形態(tài)和組成進行比較�？傮w而言，數(shù)字重建與CT和二等分圖像一致。數(shù)字重建和CT/二等分圖像之間的偏差可能是圖像分割設(shè)置或數(shù)據(jù)收集后的材料移動的結(jié)果。此處演示的現(xiàn)場表征方法為實時過程監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)，并為“天生合格”的增材制造零件鋪平了道路。

1.介紹

在過去的幾十年中，增材制造導(dǎo)致了具有越來越復(fù)雜幾何形狀的零件制造的范式轉(zhuǎn)變。雖然增材制造包括熔絲制造（FFF，通常用于聚合物）和粉末床熔合（用于金屬）等技術(shù)，但最通用的技術(shù)可能是直接墨水書寫（DIW）。DIW技術(shù)使用可流動材料，該材料以規(guī)定速率通過移動噴嘴擠出。DIW在制造具有不同和/或不同化學(xué)性質(zhì)的建筑部件方面特別有興趣。

MMAM技術(shù)的最新進展。（a）使用多個噴嘴的多材料DIW。（b）使用雙擠壓頭的多材料FDM，可通過單個噴嘴打印兩條長絲。（c）基于MJ的MMAM，通過機器視覺系統(tǒng)提高打印分辨率。（d）使用氣溶膠噴射系統(tǒng)的SLA。（e）使用動態(tài)流體控制的基于DLP的快速MMAM。（f）結(jié)合DIW、FDM、MJ和，以及兩種互補技術(shù)（機械臂和光子固化系統(tǒng)）。

考慮到增材制造在零件制造過程中提供了對零件的本地可視訪問，最近的一些研究集中于增材制造過程的現(xiàn)場監(jiān)控。Grasso等人的一篇綜述文章詳細介紹了現(xiàn)場收集金屬增材制造工藝數(shù)據(jù)的多種方法。他們將金屬增材制造的現(xiàn)場監(jiān)測的不同“水平”分類為0到4，包括（0）制造裝置測量，（1）零件的分層測量，（2）構(gòu)建路徑后不久的副產(chǎn)品測量，（3）構(gòu)建位置的零件測量，以及（4）體積層測量。雖然本文（DIW）中介紹的制造過程與Grasso等人（粉末床融合）中考慮的制造過程不同，但他們的文章正確地捕捉了創(chuàng)建現(xiàn)場過程監(jiān)控方法時需要考慮的不同復(fù)雜程度。

3DP設(shè)置示意圖：0.系統(tǒng)命令；1.機器人控制器；2.打印控制器；3.機械臂；4.打印頭；5.促進劑；6.用于加速劑的蠕動泵；7.用于預(yù)混合的蠕動泵；8.預(yù)混混合器；9.3D打印對象

在上述現(xiàn)場監(jiān)測方法中，可能最容易實現(xiàn)的直接零件測量方法是機器視覺——一種基于圖像的檢查方法，已在工業(yè)中廣泛用于過程監(jiān)測和零件鑒定�？紤]到與CT掃描相比，高分辨率相機的成本相對較低，并且區(qū)域分割和對象識別的圖像處理技術(shù)不斷改進，機器視覺提供了一種可訪問的途徑，只需對開始采集數(shù)據(jù)所需的過程進行少量修改即可對零件進行鑒定。如果在逐層基礎(chǔ)上拍攝圖像，測量技術(shù)將是1級測量方法。到目前為止，機器視覺技術(shù)已主要集成到增材制造工藝中，用于缺陷檢測和可能的標(biāo)記缺陷校正。

在本文中，我們描述了系統(tǒng)的設(shè)計和我們開發(fā)的用于產(chǎn)生這些重建的圖像處理流水線。然后，我們將新方法用于測試，在設(shè)計零件、制造零件、圖像處理技術(shù)生成的重建和X射線CT掃描之間進行并排比較。這種比較將有助于突出我們提出的技術(shù)的優(yōu)點和缺點。

2.方法

2.1.材料選擇和準(zhǔn)備

本文選用的材料是為了突出逐層圖像收集與傳統(tǒng)的非原位技術(shù)(如x射線CT)相比具有的獨特優(yōu)勢。x射線CT掃描技術(shù)可以根據(jù)材料的x射線質(zhì)量衰減系數(shù)來區(qū)分材料，其衰減系數(shù)大致與密度和核截面有關(guān)。為了突出原位檢測技術(shù)與CT掃描相比可能具有的優(yōu)勢，我們在本研究中使用的材料組成大致相同，僅在視覺上可區(qū)分。它們可以被視為具有類似x射線衰減系數(shù)但在視覺上截然不同的化學(xué)獨特配方的替代品。需要注意的是，本案例研究并不是要創(chuàng)建一個一對一的CT掃描替代方法，而是展示一個可替代的、在線的方法，以收集零件和制造過程的數(shù)據(jù)。

2.2.多組分零件的設(shè)計

為這項研究設(shè)計了一個定制的測試件，用不同顏色材料的離散區(qū)域。主要目標(biāo)是展示我們的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集和重建技術(shù)的能力，以識別在制造過程中只能通過光學(xué)訪問的特征。從外觀上看，測試件是一個無趣的(均勻藍色的)立方體，一面長35毫米，但內(nèi)部有嵌入的形狀，用于測試重建技術(shù)的各個方面:兩個45度角的環(huán)，一個球形外殼，以及LLNL的標(biāo)志(圖1b)。有角度的圓環(huán)(2.5 mm厚)可用于評估相對于有角度特征的垂直重建，球面(2 mm厚，25 mm內(nèi)徑)測試重建的能力，以分層方向分割不同直徑的圓環(huán)/磁盤，LLNL標(biāo)志的特點是小空間(~0.5 mm寬)，這將測試處理代碼解決小間隙的能力(以及打印機創(chuàng)建它們的能力)。如果打印機正確地生產(chǎn)零件，重建應(yīng)包含所有三個主要特征。識別這些特征及其與實際部分比較的質(zhì)量將被用來評估重建的質(zhì)量。

圖1 (a)用于制造測試物品的自定義打印機設(shè)置。(b)試驗件模型(切成兩半)圖像，顯示感興趣的主要特征和相關(guān)尺寸。(c)在被打印零件的第一層上掃描的激光輪廓儀的描繪。值得注意的是，在激光輪廓儀捕捉到3D掃描之前，整個層是打印出來的。紅色邊框顯示激光輪廓儀捕獲的燈絲的哪些區(qū)域。

2.3. 打印過程

多組分測試件在定制的3D打印機上通過直接墨水寫入(DIW)工藝進行3D打印(圖1a)。3D打印機的X軸和Y軸采用Aerotech ANT130XY組件，Z軸采用Aerotech ANT130LZS組件。三個軸由三個航空科技DP32020E伺服驅(qū)動器驅(qū)動。軸向運動和材料分配都使用Aerotech的aeroasic命令控制，后者封裝在LLNL的自定義流量控制器MoSyFlow中。物料從筒體加壓進入進氣泵(，用于精細控制物料流量和啟動/停止。打印前，測量兩個噴嘴之間的X, Y和Z偏移量，并運行啟動/停止校準(zhǔn)程序，以確保使用適當(dāng)?shù)臄D出時間參數(shù)，以最大限度地減少零件的缺陷。

2.4. 現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集技術(shù)

通過逐層進行3D激光輪廓測量掃描，將數(shù)據(jù)收集程序納入打印過程。Keyence LJX-8002控制器單元連接到Keyence LJX-8080線掃描輪廓儀頭，該輪廓儀頭使用定制夾具安裝在打印機上的試驗板上（圖1a）。LJX-8080使用405 沿40 并使用傾斜CMOS傳感器進行觀察，以三角測量零件的高度（圖1c）。為了收集3D數(shù)據(jù)，可以使用線性平移臺以恒定速度在輪廓儀頭部下方移動零件，并且可以將多個輪廓縫合在一起以形成3D表面。除了高度數(shù)據(jù)之外，還使用激光的散射強度生成灰度圖像。

2.5.圖像數(shù)據(jù)的后處理和部分重建

采集的高度和灰度數(shù)據(jù)的后處理在打印結(jié)束時以批處理方式完成，并涉及兩個數(shù)據(jù)集的卷積。整個過程中的數(shù)據(jù)處理管道和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖像如圖2所示。使用自定義Python例程對高度和灰度圖像進行采集數(shù)據(jù)的后處理。

圖2高度和灰度圖像卷積的數(shù)據(jù)處理流程圖。高度數(shù)據(jù)（a）和灰度數(shù)據(jù)（b）被閾值化并用于創(chuàng)建全局凸殼（c），該全局凸殼應(yīng)用于每個層以裁剪圖像處理區(qū)域。然后逐層地將凸殼應(yīng)用于高度和灰度數(shù)據(jù)。高度數(shù)據(jù)被閾值化以創(chuàng)建二進制掩碼（d）�；叶葦�(shù)據(jù)被形態(tài)學(xué)侵蝕（e），并使用由直方圖（f）確定的閾值進行分割。再次卷積高度和灰度數(shù)據(jù)以獲得最終層分割（g）。

逐層高度數(shù)據(jù)由激光輪廓儀以24位圖像格式輸出，高度值編碼在顏色通道信息中。位圖高度圖像的RGB通道信息對15位數(shù)據(jù)進行編碼——8位綠色、3位紅色和4位藍色——然后將其組合成合成值。

在對灰度數(shù)據(jù)應(yīng)用圖像校正技術(shù)后，使用多Otsu閾值方法分割處理后的圖像。不同成分的閾值由用戶選擇以大致對應(yīng)于灰度強度數(shù)據(jù)的直方圖上的值的局部最小值。零件中的每個像素都分配了一個與Otsu閾值箱編號相對應(yīng)的“材質(zhì)標(biāo)簽”。對合成圖像進行微小校正，以去除圖像中的小孔和物體，使其低于經(jīng)驗確定的尺寸。然后通過逐元素乘法將合成圖與高度數(shù)據(jù)卷積，使得只有高于某個高度閾值且具有有效分配的合成值的部分被包括在最終數(shù)據(jù)堆棧中。該部分最終表示為均勻間隔的體素網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，每個像素指定一個指定給特定材質(zhì)的值。

2.6.測試部件的X射線計算機斷層掃描（CT）

還使用X射線計算機斷層掃描（CT）對供試品進行了分析。CT掃描實際上是一種用于質(zhì)量檢查的常用技術(shù)，但是，它是本地的，在零件完成之前無法收集數(shù)據(jù)。零件熱固化后，使用North Star Imaging X25 CT掃描儀以30.08的分辨率對其進行成像 μm/體素。值得注意的是，CT掃描依賴于X射線衰減的差異來分辨不同的材料，并且由于我們使用的硅酮僅顏色不同，因此不太可能在捕獲的圖像中看到任何成分差異。

3.結(jié)果與討論

3.1. 測試件質(zhì)量

圖1b中所示的測試件是使用DOWSIL SE 1700打印的，以評估一層一層檢查技術(shù)的能力，以正確重建多組分疊加制造部件的內(nèi)部特征。當(dāng)試圖在名義上的全密度物品上進行DIW打印時，典型的情況是，材料擠壓不足和過度的區(qū)域是明顯的，并導(dǎo)致零件質(zhì)量下降。圖3c顯示了被打印部件的外觀圖像。由于制造過程的逐層特性，最后的部件具有具有特征脊的均勻著色的外表面。在立方體的表面中心也有一些區(qū)域，它們是立方體外部和內(nèi)部外殼外部之間的薄壁。切片軟件只在那些可能沒有被優(yōu)化分配的區(qū)域放置了少量的材料，從而導(dǎo)致這些面部的顏色“滲出”。從部件的外觀來看，尚不清楚內(nèi)部是否保留了其沉積時的形態(tài)，但為了圖像分析的目的，我們假設(shè)在收集數(shù)據(jù)后，各層沒有顯著變化。

圖3.（a）商業(yè)切片軟件中測試零件的自上而下圖像，具有完整的內(nèi)部細絲形態(tài)。（b）在切片軟件中顯示的大致相同位置的測試打印圖像。（c）打印后的最終零件外部圖像。（d）在與打印品正交的方向上被平分后的零件的圖像。

3.2.逐層灰度圖像和高度圖

原始灰度圖像和轉(zhuǎn)換高度圖的示例如圖4所示。這些圖像展示了圖像分析過程中必須考慮的許多關(guān)鍵挑戰(zhàn)。查看圖4（a1、b1、c1）的灰度圖像，兩種材料在具有兩個分量的區(qū)域中的部分的灰度圖像中是可清楚區(qū)分的，并且可以使用相對光強度容易地分割。然而，這些部分的逐層成像技術(shù)中的許多主要挑戰(zhàn)在該圖中也很清楚。

圖4.激光輪廓儀在不同高度收集的逐層數(shù)據(jù)的示例圖像。來自激光的表面反射在灰度圖像中顯示為亮/飽和區(qū)域。（a1，a2）層4圖像，示出了以板為背景的單組分切片。（b1，b2）層11數(shù)據(jù)，顯示了測試的兩種材料之間的對比度水平。光反射的飽和示例由標(biāo)簽1表示。在b2的外環(huán)中可以看到裂縫中高度數(shù)據(jù)的下降（由標(biāo)簽2表示）。（c1，c2）層33數(shù)據(jù)，顯示了圖像中使分割復(fù)雜化的飽和區(qū)域的普遍性。

使用激光輪廓儀獲取各層的高度圖，并將記錄的圖像轉(zhuǎn)換為第2.5節(jié)中討論的高度圖。原始高度圖示例見圖4（a2、b2、c2）。激光輪廓儀的最大測量范圍為：+ /- 20.5 ，然而，已減少了興趣區(qū)域，以減輕單層高度測量的噪聲。單組分層和多組分層的高度圖捕捉了零件的細絲結(jié)構(gòu)，并顯示了打印細絲可能沒有重疊的材料間隙。然而，在多個細絲的界面處，光可能投射到兩個細絲之間的區(qū)域中，而不被反射到傳感器中，從而導(dǎo)致裂縫中的數(shù)據(jù)丟失。也有可能激光從光滑的硅酮表面的反射會被誤解并捕獲為單層輪廓的一部分。

有趣的是，在沉積的第一層上收集的圖像明顯比剩余圖像亮，這可能是由于第一層接近反射金屬基板。因此，第一層的高度和灰度映射與在整個打印的其余部分收集的相比相對較差。這種復(fù)雜性將在該方法的未來迭代中通過使用非反射基板或臨時調(diào)整第一層輪廓儀的照明設(shè)置來解決。

3.3.體積零件重建和比較

這項工作的主要目標(biāo)是證明可以在逐層基礎(chǔ)上有效地采用現(xiàn)場檢查方法，以創(chuàng)建增材制造零件的精確體積重建。受檢供試品的主要特征是嵌入球形外殼內(nèi)的LLNL標(biāo)志以及外殼頂部和底部的兩個外部角環(huán)。

測試件是用剃刀在零件的大約中間切開的，以作為這里提供的其他檢查方法之間的直接比較。值得注意的是，這項工作的主要重點不是優(yōu)化打印的質(zhì)量，而是展示這里的檢查方法能夠數(shù)字重建部分和恢復(fù)主要形態(tài)特征。被等分的部分具有典型缺陷，當(dāng)限定一個增材制造的部分時，這些缺陷將是主要的興趣(特別是空洞和材料的位移)。該零件的頂部和底部幾層在全密度直線填充的殘余細絲之間有周期性的間隙。在部分的一些主要細絲和特征之間也有間隙，這些間隙可能可以追溯到刀具路徑本身。最后一個主要缺陷可以在LLNL標(biāo)志的“L”之間看到，似乎有些材料被過度擠壓，彌合了不同特征之間的差距。

除了一層一層地收集圖像和資料外，打印出來的測試品治愈后還會進行x射線計算機斷層掃描(CT)檢查。在圖5c中可以看到大致相同位置的圖像。盡管CT掃描可以清楚地恢復(fù)零件的纖維驅(qū)動特征(例如，孔洞、間隙)，并且與測試件非常相似，但在圖像中無法分辨密度匹配的材料。

圖5.3D打印的供試品的橫截面圖像（切片）。所有切片均來自同一部分，并在大致相同的位置拍攝。（a）顯示設(shè)計意圖的原始CAD模型切片。（b）用剃須刀片對分后的物理部分照片。（c）零件的X射線CT重建切片。（d）基于激光輪廓儀的零件重建切片。（a）中的標(biāo)記特征用于比較3D模型、二等分零件和數(shù)字重建之間的測量尺寸。

為了更定量地比較重建的目標(biāo)和實際零件，測量了嵌入零件的五個特征:(1,2)頂部和底部角環(huán)的高度，(3)LLNL標(biāo)志的高度，(4)內(nèi)球面的垂直直徑和水平直徑，(5)外球面的垂直直徑和水平直徑(見圖5a)。目標(biāo)零件提供的尺寸(圖5a)是直接從三維模型上測量的，實際零件和重建零件的尺寸(圖5b,d)是用ImageJ測量的。為了考慮體素分辨率，重構(gòu)的測量在垂直方向上四舍五入到最接近的0.5 mm，在水平方向上四舍五入到0.1 mm。結(jié)果顯示，數(shù)字重建與實際零件之間的測量值具有較好的一致性，與目標(biāo)尺寸僅略有偏差。這些值的偏差可能是由于在沉積后或固化過程中打印過程中的材料移動造成的。

盡管這一重建代表了一項重大成就，并為AM部件的實時檢查提供了一條前進的道路，但它并非沒有缺點。直接比較CT圖像和重建時立即出現(xiàn)的一個主要缺點是，在獲取數(shù)據(jù)后，細絲和材料可能會移動。例如，當(dāng)在打印過程中向零件添加更多質(zhì)量時，可能存在于下部區(qū)域中的一些細絲間隙似乎會塌陷，因為材料在熱固化之前仍然是可流動的。Plott和Shih使用不同的彈性體系統(tǒng)對這些形態(tài)變化進行了探索，但他們的工作突出了在嘗試使用進化過程中收集的數(shù)據(jù)重建零件時存在的固有困難。未來，這可以通過使用紫外線固化材料系統(tǒng)來克服，因為材料將有效地凍結(jié)在原位。該方法的另一個缺點是在進行頂面拓撲測量時，在細絲的下側(cè)丟失數(shù)據(jù)。擠出長絲具有橢圓形橫截面，然而，僅捕獲頂部圓形表面（見圖1c）。在本文中，數(shù)字重建假設(shè)整個層高度（0.5 毫米）。有人提出，細絲沿其中心軸的相對對稱性可用于更準(zhǔn)確地恢復(fù)單個細絲形態(tài)。這項工作保留給未來的工作，因為它需要考慮跨越整個構(gòu)建時間的材料轉(zhuǎn)移。

3.4. Layer-wise空隙比較

雖然圖5顯示了CT圖像、被二分部分和激光輪廓重建對嵌入特征的一致性，但我們也希望評估該部分的缺陷。由于空洞是增材制造零件中最常見的缺陷之一，也是我們的新技術(shù)唯一適合識別的缺陷，所以我們選擇根據(jù)每次重建得到的空洞的位置和大小分布來比較這些技術(shù)。對給定層的CT圖像采用二值標(biāo)記算法，并在部分大約相同的位置進行數(shù)字重建，估計空洞面積。圖6比較了零件內(nèi)兩個不同位置的空洞位置和尺寸分布。

圖6.供試品兩個不同高度的輪廓儀（a，d）和X射線CT（b，e）數(shù)據(jù)的分層比較。圖像中的形態(tài)數(shù)據(jù)顯示在空隙尺寸分布圖中，以及圖像中估計的空隙總面積（c，f）。圖中的彩色區(qū)域表示確定未沉積材料的層中的“空隙”。不同的顏色僅用于突出不同的區(qū)域，并且顏色是任意的，并且不對應(yīng)于輪廓儀數(shù)據(jù)和CT數(shù)據(jù)。

特別是，與CT圖像相比，基于輪廓儀的重建的分布圖似乎偏向于較小的空隙區(qū)域。我們認為，這主要是由于硅酮的反射表面在重建過程中產(chǎn)生偽影，從而有效地將大空隙區(qū)域切割成多個較小區(qū)域。當(dāng)比較圖6a和b時，這種現(xiàn)象尤其明顯，其中在圖6b中連續(xù)出現(xiàn)的許多長對角線空隙在圖6a中被分解成多個較短的空隙。圖6c和圖6F中還顯示了基于收集方法的空隙的總面積。估計的輪廓儀空隙面積始終小于使用CT數(shù)據(jù)估計的空隙面積，盡管與單個切片的面積相比，表觀差異相對較小。

需要注意的是，比較這些數(shù)據(jù)集本身就很困難，而且可能會部分扭曲結(jié)果。CT數(shù)據(jù)是在材料固化后收集的，有證據(jù)表明材料可能在沉積過程后或固化過程中發(fā)生了位移。這些圖像和數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)也很困難，因為收集方法產(chǎn)生的圖像分辨率不同，而且對象的空間方向有顯著不同。數(shù)據(jù)收集時間和方法的差異可能導(dǎo)致了估計的孔隙大小分布圖和面積的明顯差異。相信在未來的研究中，可以用真正的原位x射線CT掃描方法對這兩種方法進行更直接的比較。分析整體孔隙大小形態(tài)和分布也很有意義，然而，本文中提供的數(shù)據(jù)的分辨率使得這種分析的計算成本很高，因此我們選擇將重點放在分層分析上進行比較。分層分析也更類似于人類或自主流程操作員將監(jiān)測和利用的實時決策。

4. 結(jié)論

一種基于激光輪廓測量的分層原位表征技術(shù)已被應(yīng)用于直接墨寫制備具有密度匹配、視覺上不同材料的多材料部件。該檢測技術(shù)產(chǎn)生了高度圖和灰度圖像，然后使用定制的卷積分割程序分析，以數(shù)字重建零件。高度數(shù)據(jù)和灰度圖像的結(jié)合使該技術(shù)能夠在使用的材料在視覺上明顯時識別空洞(缺少材料)和材料類型。相比之下，非原位x射線CT能夠識別空洞，但無法區(qū)分兩種材料，因為它們的衰減相似。此外，基于輪廓儀的重構(gòu)完全來源于制造過程中收集的數(shù)據(jù)，原則上可以實時計算和分析，以便在飛行中檢測缺陷。將兩種技術(shù)與文章的物理截面進行比較，結(jié)果顯示非常一致。

基于輪廓儀的(實時)重建和x線CT之間也有顯著的偏差。成像偽影導(dǎo)致基于輪廓儀的技術(shù)比CT識別更多的小空洞。我們還觀察到打印后與材料沉降有關(guān)的偏差，這是慢固化油墨配方工作時不可避免的挑戰(zhàn)。正因為如此，如果需要精確的答案，基于輪廓儀的重建方法顯然不能替代x射線CT分析。然而，基于輪廓儀的重建可以在對生產(chǎn)時間影響最小的情況下進行，并生成可用于在線決策的信息，這是x射線CT技術(shù)無法做到的。只要感興趣的材料或區(qū)域在視覺上可區(qū)分，這種方法也可能適用于其他形式的增材制造。因此，我們認為該技術(shù)值得進一步開發(fā)，并可能在生產(chǎn)環(huán)境的過程健康監(jiān)測和簡化部分驗收中找到未來的應(yīng)用。

來源：In situ laser profilometry for material segmentation and digital reconstruction of a multicomponent additively manufactured part, Additive Manufacturing, doi.org/10.1016/j.addma.2022.102896

參考文獻：Additive Manufacturing Technologies, Springer Internationa, Publishing, Cham (2021), 10.1007/978-3-030-56127-7