Kompaktní systém 3D inspekce povrchů s přesností na mikronovou škálu

Výzkumníci z The Optical Society vyvinuli lehký optický systém, který může provádět 3D inspekci povrchů s přesností na mikronovou škálu. Podle týmu by tato technologie mohla být použita ke zlepšení kontroly kvality pro high-tech produkty, jako jsou polovodičové čipy, solární panely a spotřební elektronika.

Výzkum byl zveřejněn v časopise The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Zachycení 3D měření

Jednou z výzev při zachycení přesných 3D měření na výrobní lince je způsobena vibracemi, a proto musí být vzorky pravidelně odebírány pro analýzu v laboratoři. Během tohoto procesu musí být vyřazeny defektní produkty, které byly vyvinuty.

Aby se tomu vyhnuli, tým se pokusil vyvinout systém, který by mohl fungovat v takovém prostředí, jako je průmyslová výrobní linka. Výzkumný tým vedl Georg Schitter z Technické univerzity ve Vídni v Rakousku, a spojil kompaktní 2D rychlé otočné zrcadlo s vysoce přesným 1D confokálním chromatickým senzorem.

Ernst Csencsics vedl výzkumný tým spolu s Danielem Wertjanzem.

“Roboticky řízené inline inspekční a měřicí systémy, jako je ten, který jsme vyvinuli, mohou umožnit 100% kontrolu kvality ve výrobním procesu, nahrazující současné vzorkové metody,” řekl Csensics.

Nově vyvinutý systém je navržen tak, aby byl namontován na sledovací platformu, která je umístěna na robotickém rameni, a tím umožňuje bezkontaktní 3D měření libovolných tvarů a povrchů. S hmotností 300 gramů a rozměry 75 x 63 x 55 milimetrů je systém pozoruhodně malý.

“Náš systém může měřit 3D povrchy s dosud nevídanou kombinací flexibility, přesnosti a rychlosti,” řekl Wertjanz. “To vytváří méně odpadů, protože výrobní problémy lze identifikovat v reálném čase, a procesy lze rychle přizpůsobit a optimalizovat.”

Stávající systémy často spoléhají na rozměrné přístroje pro provádění přesných měření. Aby bylo možné toto umožnit na výrobní lince, tým vytvořil systém na základě 1D confokálního chromatického vzdálenostního senzoru vyvinutého firmou Micro-Epsilon, a tyto senzory mohou měřit posunutí, vzdálenost a tloušťku extrémně přesně, zatímco používají stejné principy jako confokální mikroskopy. Nicméně, jsou mnohem menší.

Tým spojil confokální senzor s rychlým otočným zrcadlem, které měří pouze 32 milimetrů v průměru. Kromě toho také vyvinuli rekonstrukční proces, který může vytvořit 3D obraz povrchové topografie vzorku pomocí měřicích dat.

Systém může být umístěn na metrologické platformě, která slouží jako spojka s robotickým ramenem. To používá aktivní zpětnou vazbu pro kompenzaci vibrací mezi vzorkem a měřicím systémem.

“Manipulací optické dráhy senzoru pomocí rychlého otočného zrcadla je měřicí bod rychle a přesně skenován přes povrchovou oblast zájmu,” řekl Wertjanz. “Protože musí být pohybováno pouze malé zrcadlo, lze skenování provádět na vysoké rychlosti bez kompromisů v přesnosti.”

Testování nového systému

Výzkumníci otestovali nový systém pomocí různých kalibračních standardů, které jsou strukturovány s definovanými laterálními velikostmi a výškami. Experimenty ukázaly, že může měřit s laterální přesností 2,5 mikronů a axiální rozlišením 76 nanometrů.

“Tento systém by mohl nakonec přinést řadu výhod pro high-tech výrobu,” řekl Wertjanz. “Inline měření by mohla umožnit výrobní procesy bez chyb, které jsou especialmente užitečné pro nízkovolumovou výrobu. Informace by také mohly být použity pro optimalizaci výrobního procesu a nastavení strojů, což by mohlo zvýšit celkovou produktivitu.”

Tým se nyní pokusí implementovat systém na metrologické platformě, stejně jako jej spojit s robotickými rameny. Pokud se jim to podaří, budou moci testovat roboticky řízená přesná 3D měření na volných površích v prostředích, jako je průmyslová výrobní linka, která je často plná vibrací.