I ricercatori hanno sviluppato un sistema ottico leggero per l'ispezione 3D delle superfici con precisione su scala micron. Il nuovo strumento di misurazione potrebbe migliorare notevolmente l'ispezione del controllo di qualità per i prodotti ad alta tecnologia, compresi i chip a semiconduttore, pannelli solari ed elettronica di consumo come televisori a schermo piatto.

Poiché le vibrazioni rendono difficile acquisire misurazioni 3D di precisione sulla linea di produzione, i campioni vengono periodicamente prelevati per l'analisi in un laboratorio. Però, eventuali prodotti difettosi realizzati in attesa dei risultati devono essere scartati.

Creare un sistema in grado di funzionare nell'ambiente soggetto a vibrazioni di un impianto di produzione industriale, ricercatori, diretto da Georg Schitter della Technische Universität Wien in Austria, combinato uno specchio 2D a sterzo rapido compatto con un sensore cromatico confocale 1D ad alta precisione.

"I sistemi di misurazione e ispezione in linea basati su robot come quello che abbiamo sviluppato possono consentire il controllo della qualità al 100% nella produzione industriale, sostituire gli attuali metodi basati su campioni, " ha detto Ernst Csensics, che ha co-guidato il gruppo di ricerca con Daniel Wertjanz. "Questo crea un processo produttivo più efficiente perché consente di risparmiare energia e risorse".

Come descritto nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica applicata , il nuovo sistema è progettato per essere montato su una piattaforma di tracciamento posta su un braccio robotico per misurazioni 3D senza contatto di forme e superfici arbitrarie. Pesa solo 300 grammi e misura 75 x 63 x 55 millimetri a cubetti, che ha le dimensioni di una tazzina da caffè espresso.

"Il nostro sistema è in grado di misurare topografie di superfici 3D con una combinazione senza precedenti di flessibilità, precisione, e velocità, " disse Wertjanz, chi sta perseguendo un dottorato di ricerca su questo argomento di ricerca. "Questo crea meno sprechi perché i problemi di produzione possono essere identificati in tempo reale, e i processi possono essere adattati e ottimizzati rapidamente."

Dal laboratorio alla fabbrica

Le misurazioni di precisione vengono solitamente eseguite con strumenti ingombranti in laboratorio. Per portare questa capacità al piano di produzione, i ricercatori hanno sviluppato un sistema basato su un sensore di distanza cromatico confocale 1D sviluppato da Micro-Epsilon, partner di questo progetto di ricerca. I sensori cromatici confocali possono misurare con precisione lo spostamento, distanza e spessore utilizzando gli stessi principi dei microscopi confocali ma in un pacchetto molto più piccolo.

Hanno combinato il sensore confocale con uno specchio a sterzo rapido altamente integrato che avevano sviluppato in precedenza, che misurava solo 32 millimetri di diametro. Hanno anche sviluppato un processo di ricostruzione che utilizza i dati di misurazione per creare un'immagine 3D della topografia superficiale del campione. Il sistema di misura 3D è abbastanza compatto da poter essere inserito su una piattaforma metrologica, che funge da collegamento a un braccio robotico e compensa le vibrazioni tra il campione e il sistema di misurazione attraverso il controllo attivo del feedback.

"Maneggiando il percorso ottico del sensore con lo specchio a sterzo rapido, il punto di misurazione viene scansionato in modo rapido e preciso su tutta la superficie di interesse, " disse Wertjanz. "Perché solo il piccolo specchio deve essere spostato, la scansione può essere eseguita ad alta velocità senza compromettere la precisione."

Per testare il nuovo sistema, i ricercatori hanno utilizzato vari standard di calibrazione con strutture con dimensioni e altezze laterali definite. Questi esperimenti hanno dimostrato che il sistema può acquisire misurazioni con un laterale di 2,5 micron e una risoluzione assiale di 76 nanometri.

"Questo sistema potrebbe alla fine portare una serie di vantaggi alla produzione ad alta tecnologia, " ha affermato Wertjanz. "Le misurazioni in linea potrebbero consentire processi di produzione a zero guasti, che sono particolarmente utili per la fabbricazione a basso volume. Le informazioni potrebbero essere utilizzate anche per ottimizzare il processo di produzione e le impostazioni delle macchine utensili, che può aumentare la produttività complessiva."

I ricercatori stanno ora lavorando per implementare il sistema sulla piattaforma metrologica e incorporarlo con un braccio robotico. Ciò consentirà loro di testare la fattibilità di misurazioni 3D di precisione basate su robot su superfici a forma libera in ambienti soggetti a vibrazioni come una linea di produzione industriale.