Sistema Compacto 3D Inspecciona Superfícies Com Precisão Em Escala De Micrômetros

Pesquisadores da The Optical Society desenvolveram um sistema óptico leve que pode realizar inspeção 3D de superfícies com precisão em escala de micrômetros. 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 na revista Applied Optics da The Optical Society (OSA).

Captação De Medidas 3D

Um dos desafios de captar medidas 3D precisas 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 propôs a desenvolver um sistema que pudesse operar em tal ambiente, como uma planta de fabricação industrial. A equipe de pesquisa foi liderada por Georg Schitter, da Technische Universität Wien, na Áustria, e combinou um espelho de direcionamento rápido 2D compacto com um sensor confocal cromático de alta precisão 1D.

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

“Sistemas de inspeção e medição baseados em robôs, 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, o que permite medições 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 superfícies 3D com uma combinação sem precedentes de flexibilidade, precisão e velocidade”, disse Wertjanz. “Isso cria menos desperdício porque problemas de fabricação podem ser identificados em tempo real e processos podem ser rapidamente adaptados e otimizados.”

Sistemas existentes frequentemente dependem de instrumentos volumosos para realizar medições precisas. 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, que pode medir deslocamento, distância e espessura com extrema precisão, usando os mesmos princípios que microscópios confocais, mas são muito menores.

A equipe combinou o sensor confocal com um espelho de direcionamento rápido, que mede 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, que serve como uma conexão a um braço robótico. Este é o 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 superfície de interesse”, disse Wertjanz. “Como 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 fabricação 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 fabricação e configurações de máquinas-ferramenta, o que pode aumentar a produtividade geral.”

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