Sistema compatto 3D ispeziona superfici con precisione a scala micronica

I ricercatori della Optical Society hanno sviluppato un sistema ottico leggero in grado di eseguire ispezioni 3D di superfici con precisione a scala micronica. Secondo il team, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per migliorare il controllo qualità per prodotti high-tech come chip di semiconduttori, pannelli solari e dispositivi elettronici per consumatori.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Applied Optics della Optical Society (OSA).

Acquisizione di misure 3D

Una delle sfide nell’acquisizione di misure 3D precise sulla linea di produzione è causata dalle vibrazioni, quindi i campioni devono essere prelevati periodicamente per l’analisi in laboratorio. Durante questo processo, i prodotti difettosi che si sviluppano devono essere scartati.

Per superare questo problema, il team ha cercato di sviluppare un sistema in grado di funzionare in un ambiente del genere, come una fabbrica di produzione industriale. Il team di ricerca è stato guidato da Georg Schitter della Technische Universität Wien in Austria e ha combinato uno specchio rapido 2D con un sensore confocale cromatico 1D ad alta precisione.

Ernst Csencsics ha co-guidato il team di ricerca con Daniel Wertjanz.

“I sistemi di ispezione e misura basati su robot come quello che abbiamo sviluppato possono abilitare il controllo qualità al 100% nella produzione industriale, sostituendo i metodi basati su campioni attuali”, ha detto Csensics.

Il sistema appena sviluppato è progettato per essere montato su una piattaforma di tracciamento posizionata su un braccio robotico, il che consente misure 3D senza contatto di forme e superfici arbitrarie. Con un peso di 300 grammi e dimensioni di 75 x 63 x 55 millimetri cubi, il sistema è impressionantemente piccolo.

“Il nostro sistema può misurare le topografie di superfici 3D con una combinazione senza precedenti di flessibilità, precisione e velocità”, ha detto Wertjanz. “Ciò crea meno rifiuti 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 basano su strumenti ingombranti per eseguire misure precise. Per abilitare ciò sul pavimento di produzione, il team ha creato il sistema basato su un sensore di distanza cromatico confocale 1D sviluppato da Micro-Epsilon, che può misurare lo spostamento, la distanza e lo spessore con estrema precisione utilizzando gli stessi principi dei microscopi confocali. Tuttavia, sono molto più piccoli.

Il team ha combinato il sensore confocale con uno specchio rapido, con quest’ultimo che misura solo 32 millimetri di diametro. Inoltre, hanno sviluppato un processo di ricostruzione che può creare un’immagine 3D della topografia della superficie del campione utilizzando i dati di misura.

Il sistema può essere montato su una piattaforma di metrologia, che funge da collegamento a un braccio robotico. Quest’ultimo utilizza un controllo di feedback attivo per compensare le vibrazioni tra campione e sistema di misura.

“Manipolando il percorso ottico del sensore con lo specchio rapido, il punto di misura viene scansionato rapidamente e precisamente sulla superficie del campione”, ha detto Wertjanz. “Poiché solo lo specchio piccolo deve essere mosso, la scansione può essere eseguita ad alta velocità senza compromettere la precisione”.

Test del nuovo sistema

I ricercatori hanno testato il nuovo sistema utilizzando vari standard di calibrazione strutturati con dimensioni laterali e altezze definite. Gli esperimenti hanno mostrato che può misurare con una risoluzione laterale di 2,5 micron e una risoluzione assiale di 76 nanometri.

“Questo sistema potrebbe eventualmente portare una varietà di benefici alla produzione high-tech”, ha detto Wertjanz. “Le misure in linea potrebbero abilitare processi di produzione senza errori, che sono particolarmente utili per la fabbricazione a basso volume. 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 integrarlo con bracci robotici. Se riusciranno a farlo, saranno in grado di testare la misura 3D basata su robot su superfici libere in ambienti come la linea di produzione industriale, che sono spesso pieni di vibrazioni.