Sistema Compacto 3D Inspecciona Superfícies Com Precisão em Escala de Micron

Pesquisadores da The Optical Society desenvolveram um sistema óptico leve que pode realizar inspeção 3D de superfícies com precisão em escala de micron. De acordo com a equipe, essa tecnologia pode ser usada para melhorar a inspeção de controle de qualidade para produtos de alta tecnologia, como chips de semicondutor, painéis solares e eletrônicos de consumo.

A pesquisa foi publicada no jornal da The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Capturando Medidas 3D

Um dos desafios de capturar medidas 3D de precisão na linha de produção é causado por vibrações, por isso amostras devem ser periodicamente retiradas para análise em um laboratório. Durante esse processo, produtos defeituosos que são desenvolvidos devem ser descartados. 

Para contornar isso, a equipe se esforçou para desenvolver um sistema que pudesse operar em tal ambiente, como uma planta de manufatura industrial. A equipe de pesquisa foi liderada por Georg Schitter, da Technische Universität Wien, na Áustria, e combinou um espelho de direcionamento rápido compacto 2D com um sensor confocal cromático de alta precisão 1D. 

Ernst Csencsics co-liderou a equipe de pesquisa com Daniel Wertjanz. 

“Sistemas de medição e inspeção baseados em robô, como o que desenvolvemos, podem permitir 100% de controle de qualidade na produção industrial, substituindo os métodos baseados em amostras atuais”, disse Csensics. 

O sistema recém-desenvolvido é projetado para ser montado em uma plataforma de rastreamento que é colocada em um braço robótico, e isso permite medidas 3D sem contato de formas e superfícies arbitrárias. Pesando 300 gramas e medindo 75 X 63 X 55 milímetros cúbicos, o sistema é impressionantemente pequeno.

“Nosso sistema pode medir topografias de superfície 3D com uma combinação sem precedentes de flexibilidade, precisão e velocidade”, disse Wertjanz. “Isso cria menos resíduos porque problemas de manufatura podem ser identificados em tempo real, e processos podem ser adaptados e otimizados rapidamente.”

Sistemas existentes muitas vezes dependem de instrumentos volumosos para realizar medições de precisão. Para permitir isso na linha de produção, a equipe criou o sistema com base em um sensor de distância cromático confocal 1D desenvolvido pela Micro-Epsilon, e esses podem medir deslocamento, distância e espessura com extrema precisão, usando os mesmos princípios que os microscópios confocais. No entanto, eles são muito menores.

A equipe combinou o sensor confocal com um espelho de direcionamento rápido, com este medindo apenas 32 milímetros de diâmetro. Além disso, eles também desenvolveram um processo de reconstrução que pode criar uma imagem 3D da topografia da superfície da amostra, usando os dados de medição.

O sistema pode se encaixar em uma plataforma de metrologia, com esta servindo como uma conexão a um braço robótico. É isso que usa controle de feedback ativo para compensar vibrações entre a amostra e o sistema de medição.

“Ao manipular o caminho óptico do sensor com o espelho de direcionamento rápido, o ponto de medição é varrido rapidamente e com precisão sobre a área de interesse”, disse Wertjanz. “Porque apenas o pequeno espelho precisa ser movido, a varredura pode ser realizada a altas velocidades sem comprometer a precisão.”

Testando o Novo Sistema

Os pesquisadores testaram o novo sistema usando vários padrões de calibração que são estruturados com tamanhos laterais e alturas definidos. Os experimentos mostraram que ele pode medir com uma resolução lateral de 2,5 micrômetros e resolução axial de 76 nanômetros.

“Esse sistema pode eventualmente trazer uma variedade de benefícios para a manufatura de alta tecnologia”, disse Wertjanz. “Medições em linha podem permitir processos de produção sem falhas, o que é especialmente útil para fabricação de baixo volume. As informações também podem ser usadas para otimizar o processo de manufatura e configurações de ferramentas de máquina, o que pode aumentar a produtividade geral.”

A equipe agora tentará implementar o sistema na plataforma de metrologia, bem como incorporá-lo com braços robóticos. Se eles conseguirem fazer isso, eles poderão testar medições 3D de precisão baseadas em robô em superfícies de forma livre em ambientes como a linha de produção industrial, que são frequentemente cheios de vibrações.