Para crear un sistema que pueda tomar medidas en el entorno propenso a vibraciones de una planta de fabricación industrial, Los investigadores combinaron un espejo compacto de dirección rápida 2D (FSM) con un sensor cromático confocal 1D (CCS) de alta precisión. El FSM se utiliza para manipular la ruta óptica del sensor, escaneando el punto de medición de forma rápida y precisa a través del área de la superficie de interés. Crédito:Daniel Wertjanz, Laboratorio Christian Doppler para ingeniería de precisión para metrología automatizada en línea
Los investigadores han desarrollado un sistema óptico liviano para la inspección 3D de superficies con precisión a escala micrométrica. La nueva herramienta de medición podría mejorar en gran medida la inspección de control de calidad para productos de alta tecnología, incluidos chips semiconductores, Paneles solares y electrónica de consumo, como televisores de pantalla plana.
Debido a que las vibraciones dificultan la captura de mediciones 3D de precisión en la línea de producción, periódicamente se toman muestras para su análisis en un laboratorio. Sin embargo, Cualquier producto defectuoso fabricado mientras espera los resultados debe desecharse.
Para crear un sistema que pueda operar en el entorno propenso a vibraciones de una planta de fabricación industrial, investigadores, dirigido por Georg Schitter de Technische Universität Wien en Austria, combinó un espejo compacto de dirección rápida 2D con un sensor cromático confocal 1D de alta precisión.
"Los sistemas de inspección y medición en línea basados en robots, como los que desarrollamos, pueden permitir un control de calidad del 100% en la producción industrial, reemplazar los métodos actuales basados en muestras, "dijo Ernst Csencsics, quien codirigió el equipo de investigación con Daniel Wertjanz. "Esto crea un proceso de producción que es más eficiente porque ahorra energía y recursos".
Como se describe en la revista The Optical Society (OSA) Óptica aplicada , El nuevo sistema está diseñado para montarse en una plataforma de seguimiento colocada en un brazo robótico para mediciones 3D sin contacto de formas y superficies arbitrarias. Pesa solo 300 gramos y mide 75 x 63 x 55 milímetros en cubos, que es aproximadamente del tamaño de una taza de café expreso.
"Nuestro sistema puede medir topografías de superficie en 3D con una combinación de flexibilidad sin precedentes, precisión, y velocidad, "dijo Wertjanz, que está cursando un doctorado. sobre este tema de investigación. "Esto genera menos desperdicio porque los problemas de fabricación se pueden identificar en tiempo real, y los procesos se pueden adaptar y optimizar rápidamente ".
La imagen muestra el nuevo sistema durante un proceso de calibración que involucra una cámara CMOS. Se puede ver el punto de luz donde se adquieren las mediciones así como el espejo de dirección rápida (FSM) y el sensor cromático confocal (CCS). Crédito:Daniel Wertjanz, Laboratorio Christian Doppler para ingeniería de precisión para metrología automatizada en línea
De laboratorio a fabuloso
Las mediciones de precisión generalmente se realizan con instrumentos voluminosos en el laboratorio. Para llevar esta capacidad al piso de producción, los investigadores desarrollaron un sistema basado en un sensor de distancia cromático confocal 1D desarrollado por Micro-Epsilon, socio en este proyecto de investigación. Los sensores cromáticos confocales pueden medir con precisión el desplazamiento, distancia y espesor utilizando los mismos principios que los microscopios confocales pero en un paquete mucho más pequeño.
Combinaron el sensor confocal con un espejo de dirección rápido altamente integrado que habían desarrollado previamente, que medía solo 32 milímetros de diámetro. También desarrollaron un proceso de reconstrucción que utiliza los datos de medición para crear una imagen en 3D de la topografía de la superficie de la muestra. El sistema de medición 3D es lo suficientemente compacto como para caber en una plataforma de metrología, que sirve como conexión a un brazo robótico y compensa las vibraciones entre la muestra y el sistema de medición a través del control de retroalimentación activa.
"Al manipular la trayectoria óptica del sensor con el espejo de dirección rápida, el punto de medición se escanea de forma rápida y precisa en toda la superficie de interés, ", dijo Wertjanz." Porque solo es necesario mover el espejo pequeño, el escaneo se puede realizar a altas velocidades sin comprometer la precisión ".
Para probar el nuevo sistema, los investigadores utilizaron varios estándares de calibración con estructuras con tamaños y alturas laterales definidos. Estos experimentos demostraron que el sistema puede adquirir medidas con un lateral de 2,5 micrones y una resolución axial de 76 nanómetros.
"Este sistema podría eventualmente traer una variedad de beneficios a la fabricación de alta tecnología, ", dijo Wertjanz." Las mediciones en línea podrían permitir procesos de producción sin fallas, que son especialmente útiles para la fabricación de bajo volumen. La información también podría utilizarse para optimizar el proceso de fabricación y la configuración de las máquinas herramienta, lo que puede aumentar el rendimiento general ".
Los investigadores ahora están trabajando para implementar el sistema en la plataforma de metrología e incorporarlo con un brazo robótico. Esto les permitirá probar la viabilidad de las mediciones 3D de precisión basadas en robots en superficies de forma libre en entornos propensos a vibraciones, como una línea de producción industrial.
