Sistema Compacto 3D Inspecciona Superficies Con Precisión a Escala de Micrones

Investigadores de The Optical Society han desarrollado un sistema óptico ligero que puede realizar inspecciones 3D de superficies con precisión a escala de micrones. Según el equipo, esta tecnología podría utilizarse para mejorar la inspección de control de calidad para productos de alta tecnología como chips de semiconductor, paneles solares y electrónica de consumo.

La investigación se publicó en la revista de The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Capturando Mediciones 3D

Uno de los desafíos de capturar mediciones 3D de precisión en la línea de producción es causado por las vibraciones, por lo que las muestras deben tomarse periódicamente para su análisis en un laboratorio. Durante este proceso, los productos defectuosos que se desarrollan deben ser descartados.

Para evitar esto, el equipo se propuso desarrollar un sistema que pudiera operar en un entorno como una planta de fabricación industrial. El equipo de investigación fue liderado por Georg Schitter de la Technische Universität Wien en Austria, y combinaron un espejo de dirección rápida compacto 2D con un sensor confocal cromático de alta precisión 1D.

Ernst Csencsics codirigió el equipo de investigación con Daniel Wertjanz.

“Sistemas de medición e inspección basados en robots como el que desarrollamos pueden permitir un control de calidad del 100% en la producción industrial, reemplazando los métodos basados en muestras actuales”, dijo Csensics.

El sistema recién desarrollado está diseñado para montarse en una plataforma de seguimiento que se coloca en un brazo robótico, y esto permite mediciones 3D sin contacto de formas y superficies arbitrarias. Con un peso de 300 gramos y dimensiones de 75 x 63 x 55 milímetros cúbicos, el sistema es impresionantemente pequeño.

“Nuestro sistema puede medir topografías de superficies 3D con una combinación sin precedentes de flexibilidad, precisión y velocidad”, dijo Wertjanz. “Esto crea menos residuos porque los problemas de fabricación pueden identificarse en tiempo real, y los procesos pueden adaptarse y optimizarse rápidamente”.

Los sistemas existentes a menudo dependen de instrumentos voluminosos para realizar mediciones de precisión. Para permitir esto en la planta de producción, el equipo creó el sistema basado en un sensor de distancia cromático confocal 1D desarrollado por Micro-Epsilon, y estos pueden medir el desplazamiento, la distancia y el grosor con extrema precisión mientras utilizan los mismos principios que los microscopios confocales. Sin embargo, son mucho más pequeños.

El equipo combinó el sensor confocal con un espejo de dirección rápida, con este último midiendo solo 32 milímetros de diámetro. Además, también desarrollaron un proceso de reconstrucción que puede crear una imagen 3D de la topografía de la superficie de la muestra utilizando los datos de medición.

El sistema puede caber en una plataforma de metrología, con esta última sirviendo como conexión a un brazo robótico. Esto es lo que utiliza el control de retroalimentación activa para compensar las vibraciones entre la muestra y el sistema de medición.

“Al manipular la trayectoria óptica del sensor con el espejo de dirección rápida, el punto de medición se escanea rápidamente y con precisión a través del área de interés de la superficie”, dijo Wertjanz. “Como solo es necesario mover el pequeño espejo, el escaneo se puede realizar a altas velocidades sin comprometer la precisión”.

Probando el Nuevo Sistema

Los investigadores probaron el nuevo sistema utilizando varios estándares de calibración que están estructurados con tamaños laterales y alturas definidos. Los experimentos mostraron que puede medir con una resolución 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 fallos, lo que es especialmente útil para la fabricación de baja volumen. La información también podría utilizarse para optimizar el proceso de fabricación y la configuración de las herramientas de máquina, lo que puede aumentar el rendimiento general”.

El equipo ahora intentará implementar el sistema en la plataforma de metrología, así como incorporarlo con brazos robóticos. Si pueden lograr esto, podrán probar la medición 3D de precisión basada en robots en superficies de forma libre en entornos como la línea de producción industrial, que a menudo están llenos de vibraciones.