Compact Systeem 3D Inspecteert Oppervlakken Met Micron-Schaalprecisie

Onderzoekers van The Optical Society hebben een lichtgewicht optisch systeem ontwikkeld dat 3D-inspectie van oppervlakken kan uitvoeren met micron-schaalprecisie. Volgens het team kan deze technologie worden gebruikt om kwaliteitscontrole-inspectie te verbeteren voor high-tech producten zoals halfgeleiderchips, zonnepanelen en consumentenelektronica.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift van The Optical Society (OSA) Applied Optics.

3D-Metingen Vastleggen

Een van de uitdagingen bij het vastleggen van precisie 3D-metingen op de productielijn is veroorzaakt door trillingen, waardoor monsters periodiek moeten worden genomen voor analyse in een laboratorium. Tijdens dit proces moeten defecte producten die worden ontwikkeld worden weggegooid.

Om hieraan te ontkomen, heeft het team een systeem ontwikkeld dat in een dergelijke omgeving kan werken, zoals een industriële productiefaciliteit. Het onderzoeksteam werd geleid door Georg Schitter van de Technische Universiteit Wien in Oostenrijk, en zij combineerden een compacte 2D-snelsturende spiegel met een hoge precisie 1D-confocale chromatische sensor.

Ernst Csencsics leidde het onderzoeksteam samen met Daniel Wertjanz.

“Robot-gebaseerde inline-inspectie- en meetsystemen zoals wij hebben ontwikkeld, kunnen 100% kwaliteitscontrole mogelijk maken in industriële productie, waardoor de huidige steekproef-gebaseerde methoden kunnen worden vervangen”, zei Csensics.

Het nieuw ontwikkelde systeem is ontworpen om te worden gemonteerd op een volgplatform dat op een robotarm wordt geplaatst, en dit maakt contactloze 3D-metingen van willekeurige vormen en oppervlakken mogelijk. Met een gewicht van 300 gram en een afmeting van 75 x 63 x 55 millimeter, is het systeem indrukwekkend klein.

“Ons systeem kan 3D-opppervlaktetopografieën meten met een ongekende combinatie van flexibiliteit, precisie en snelheid”, zei Wertjanz. “Dit leidt tot minder afval omdat productieproblemen in real-time kunnen worden geïdentificeerd en processen snel kunnen worden aangepast en geoptimaliseerd.”

Bestaande systemen vertrouwen vaak op omvangrijke instrumenten om precisie-metingen uit te voeren. Om dit mogelijk te maken op de productievloer, heeft het team het systeem gebaseerd op een 1D-confocale chromatische afstandssensor ontwikkeld door Micro-Epsilon, en deze kunnen verplaatsing, afstand en dikte extreem nauwkeurig meten door gebruik te maken van dezelfde principes als confocale microscopen. Echter, ze zijn veel kleiner.

Het team combineerde de confocale sensor met een snelsturende spiegel, waarvan de laatste een diameter van slechts 32 millimeter heeft. Bovendien ontwikkelden ze een reconstructieproces dat een 3D-afbeelding van de oppervlaktetopografie van het monster kan maken door gebruik te maken van de meetgegevens.

Het systeem kan op een meetplatform worden geplaatst, dat fungeert als een verbinding met een robotarm. Dit gebruikt actieve feedbackcontrole om trillingen tussen monster en meetsysteem te compenseren.

“Door de optische baan van de sensor te manipuleren met de snelsturende spiegel, kan het meetpunt snel en precies over het oppervlak van interesse worden gescand”, zei Wertjanz. “Omdat alleen de kleine spiegel hoeft te worden verplaatst, kan de scan worden uitgevoerd op hoge snelheden zonder de precisie te compromitteren.”

Testen van het Nieuwe Systeem

De onderzoekers testten het nieuwe systeem door gebruik te maken van verschillende kalibratiestandaarden die zijn gestructureerd met gedefinieerde laterale afmetingen en hoogtes. De experimenten toonden aan dat het systeem kan meten met een laterale resolutie van 2,5 micron en een axiale resolutie van 76 nanometer.

“Dit systeem kan uiteindelijk een verscheidenheid aan voordelen brengen voor high-tech productie”, zei Wertjanz. “In-line metingen kunnen zero-failure productieprocessen mogelijk maken, wat vooral nuttig is voor lage-volumefabricage. De informatie kan ook worden gebruikt om het productieproces en de instellingen van machinegereedschap te optimaliseren, wat de algehele doorvoer kan verhogen.”

Het team zal nu proberen het systeem te implementeren op het meetplatform, evenals het te integreren met robotarmen. Als ze dit kunnen bereiken, zullen ze in staat zijn om robot-gebaseerde precisie 3D-meting te testen op vrije-vormoppervlakken in omgevingen zoals de industriële productielijn, die vaak vol trillingen zitten.