Compact System 3D ispeziona le superfici con precisione su scala micron

I ricercatori della The Optical Society hanno sviluppato un sistema ottico leggero in grado di eseguire l'ispezione 3D delle superfici con precisione su scala micron. Secondo il team, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per migliorare l'ispezione del controllo di qualità per prodotti high-tech come chip semiconduttori, pannelli solari ed elettronica di consumo.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista The Optical Society (OSA). Ottica applicata. 

Acquisizione di misurazioni 3D

Una delle sfide nell'acquisizione di misurazioni 3D di precisione sulla linea di produzione è causata dalle vibrazioni, quindi i campioni devono essere prelevati periodicamente per l'analisi in un laboratorio. Durante questo processo, i prodotti difettosi sviluppati devono essere scartati. 

Per aggirare questo problema, il team ha deciso di sviluppare un sistema in grado di funzionare in un tale ambiente, come un impianto di produzione industriale. Il team di ricerca è stato guidato da Georg Schitter della Technische Universität Wien in Austria, e ha combinato uno specchio compatto 2D a rotazione rapida con un sensore cromatico confocale 1D ad alta precisione. 

Ernst Csencsics ha co-diretto il gruppo di ricerca con Daniel Wertjanz. 

"I sistemi di ispezione e misurazione in linea basati su robot come quelli che abbiamo sviluppato possono consentire il controllo di qualità al 100% nella produzione industriale, sostituendo gli attuali metodi basati su campioni", ha affermato Csensics. 

Il sistema di nuova concezione è progettato per essere montato su una piattaforma di tracciamento posizionata su un braccio robotico e ciò consente misurazioni 3D senza contatto di forme e superfici arbitrarie. Con un peso di 300 grammi e una misura di 75 X 63 X 55 millimetri cubi, il sistema è incredibilmente piccolo.

"Il nostro sistema può misurare le topografie di superfici 3D con una combinazione senza precedenti di flessibilità, precisione e velocità", ha affermato Wertjanz. "Ciò crea meno sprechi perché i problemi di produzione possono essere identificati in tempo reale e i processi possono essere adattati e ottimizzati rapidamente".

I sistemi esistenti spesso si affidano a strumenti ingombranti per effettuare misure di precisione. Per consentire questo in fase di produzione, il team ha creato il sistema basato su un sensore di distanza cromatica confocale 1D sviluppato da Micro-Epsilon, e questi possono misurare lo spostamento, la distanza e lo spessore in modo estremamente accurato utilizzando gli stessi principi dei microscopi confocali. Tuttavia, sono molto più piccoli.

Il team ha combinato il sensore confocale con uno specchio a sterzata veloce, con quest'ultimo che misura solo 32 millimetri di diametro. Oltre a questo, hanno anche sviluppato un processo di ricostruzione che può creare un'immagine 3D della topografia della superficie del campione utilizzando i dati di misurazione.

Il sistema può adattarsi a una piattaforma metrologica, con quest'ultima che funge da connessione a un braccio robotico. Questo è ciò che utilizza il controllo del feedback attivo per compensare le vibrazioni tra il campione e il sistema di misurazione.

"Manipolando il percorso ottico del sensore con lo specchio a orientamento rapido, il punto di misurazione viene scansionato in modo rapido e preciso attraverso l'area superficiale di interesse", ha affermato Wertjanz. "Poiché è necessario spostare solo il piccolo specchio, la scansione può essere eseguita ad alta velocità senza compromettere la precisione."

Testare il nuovo sistema

I ricercatori hanno testato il nuovo sistema utilizzando vari standard di calibrazione strutturati con dimensioni e altezze laterali definite. Gli esperimenti hanno dimostrato che può misurare con una risoluzione laterale di 2.5 micron e assiale di 76 nanometri.

"Questo sistema potrebbe eventualmente portare una serie di vantaggi alla produzione high-tech", ha affermato Wertjanz. “Le misurazioni in linea potrebbero consentire processi di produzione senza guasti, particolarmente utili per la fabbricazione di piccoli volumi. Le informazioni potrebbero anche essere utilizzate per ottimizzare il processo di produzione e le impostazioni delle macchine utensili, il che può aumentare la produttività complessiva”.

Il team cercherà ora di implementare il sistema sulla piattaforma di metrologia, nonché di incorporarlo con bracci robotici. Se riescono a raggiungere questo obiettivo, saranno in grado di testare la misurazione 3D di precisione basata su robot su superfici a forma libera in ambienti come la linea di produzione industriale, che sono spesso pieni di vibrazioni.