Para criar um sistema que pode fazer medições no ambiente sujeito a vibrações de uma planta de manufatura industrial, os pesquisadores combinaram um espelho de direção rápida 2D compacto (FSM) com um sensor cromático confocal 1D (CCS) de alta precisão. O FSM é usado para manipular o caminho óptico do sensor, escaneando o ponto de medição com rapidez e precisão em toda a área de superfície de interesse. Crédito:Daniel Wertjanz, Laboratório Christian Doppler de Engenharia de Precisão para Metrologia Automatizada em Linha
Os pesquisadores desenvolveram um sistema ótico leve para inspeção 3D de superfícies com precisão em escala de mícron. A nova ferramenta de medição pode melhorar muito a inspeção de controle de qualidade para produtos de alta tecnologia, incluindo chips semicondutores, painéis solares e produtos eletrônicos de consumo, como televisores de tela plana.
Como as vibrações dificultam a captura de medições 3D de precisão na linha de produção, amostras são retiradas periodicamente para análise em um laboratório. Contudo, quaisquer produtos defeituosos feitos durante a espera pelos resultados devem ser descartados.
Para criar um sistema que pudesse operar no ambiente sujeito a vibrações de uma planta de manufatura industrial, pesquisadores, liderado por Georg Schitter da Technische Universität Wien na Áustria, combinou um espelho de direção rápida 2D compacto com um sensor cromático confocal 1D de alta precisão.
"Sistemas de medição e inspeção em linha baseados em robôs, como os que desenvolvemos, podem permitir 100% de controle de qualidade na produção industrial, substituindo os métodos atuais baseados em amostras, "disse Ernst Csencsics, que co-liderou a equipe de pesquisa com Daniel Wertjanz. “Isso cria um processo de produção mais eficiente porque economiza energia e recursos”.
Conforme descrito no jornal The Optical Society (OSA) Óptica Aplicada , o novo sistema foi projetado para ser montado em uma plataforma de rastreamento colocada em um braço robótico para medições 3D sem contato de formas e superfícies arbitrárias. Ele pesa apenas 300 gramas e mede 75 x 63 x 55 milímetros cúbicos, que tem o tamanho aproximado de uma xícara de café expresso.
"Nosso sistema pode medir topografias de superfície 3D com combinação sem precedentes de flexibilidade, precisão, e velocidade, "disse Wertjanz, que está cursando o doutorado neste tópico de pesquisa. "Isso cria menos desperdício porque os problemas de fabricação podem ser identificados em tempo real, e os processos podem ser adaptados e otimizados rapidamente. "
A imagem mostra o novo sistema durante um processo de calibração que envolve uma câmera CMOS. O ponto de luz onde as medições são obtidas, bem como o espelho de direção rápida (FSM) e o sensor cromático confocal (CCS) podem ser vistos. Crédito:Daniel Wertjanz, Laboratório Christian Doppler de Engenharia de Precisão para Metrologia Automatizada em Linha
Do laboratório ao fab
As medições de precisão geralmente são realizadas com instrumentos volumosos no laboratório. Para trazer essa capacidade para o chão de fábrica, os pesquisadores desenvolveram um sistema baseado em um sensor de distância cromática confocal 1D desenvolvido pela Micro-Epsilon, um parceiro neste projeto de pesquisa. Sensores cromáticos confocais podem medir com precisão o deslocamento, distância e espessura usando os mesmos princípios dos microscópios confocais, mas em um pacote muito menor.
Eles combinaram o sensor confocal com um espelho de direção rápida altamente integrado que haviam desenvolvido anteriormente, que mede apenas 32 milímetros de diâmetro. Eles também desenvolveram um processo de reconstrução que usa os dados de medição para criar uma imagem 3D da topografia da superfície da amostra. O sistema de medição 3D é compacto o suficiente para caber em uma plataforma de metrologia, que serve como conexão a um braço robótico e compensa as vibrações entre a amostra e o sistema de medição por meio do controle de feedback ativo.
"Ao manipular o caminho óptico do sensor com o espelho de direção rápida, o ponto de medição é verificado com rapidez e precisão na área de superfície de interesse, "disse Wertjanz." Porque apenas o pequeno espelho precisa ser movido, a varredura pode ser realizada em altas velocidades sem comprometer a precisão. "
Para testar o novo sistema, os pesquisadores usaram vários padrões de calibração apresentando estruturas com tamanhos e alturas laterais definidas. Esses experimentos demonstraram que o sistema pode adquirir medidas com lateral de 2,5 mícrons e resolução axial de 76 nanômetros.
"Este sistema pode eventualmente trazer uma variedade de benefícios para a manufatura de alta tecnologia, "disse Wertjanz." As medições em linha podem permitir processos de produção sem falhas, que são especialmente úteis para fabricação de baixo volume. As informações também podem ser usadas para otimizar o processo de fabricação e as configurações das ferramentas da máquina, o que pode aumentar o rendimento geral. "
Os pesquisadores agora estão trabalhando para implementar o sistema na plataforma de metrologia e incorporá-lo a um braço robótico. Isso permitirá que eles testem a viabilidade de medições 3D de precisão baseadas em robôs em superfícies de forma livre em ambientes sujeitos a vibração, como uma linha de produção industrial.
