Sistema compacto diseñado para mediciones de superficie basadas en robots de alta precisión

Los investigadores han desarrollado un sistema óptico liviano para el escaneo 3D de superficies con una resolución de micrones. El nuevo instrumento de medición podría mejorar en gran medida la inspección de control de calidad de productos de alta tecnología, incluidas las obleas semiconductoras, los paneles solares y la electrónica de consumo, como los televisores de pantalla plana.

Debido a que las vibraciones dificultan la captura de mediciones 3D precisas en la línea de producción, se toman muestras periódicamente para análisis de laboratorio. Sin embargo, cualquier producto defectuoso fabricado mientras espera los resultados debe desecharse.

Para crear un sistema que pudiera funcionar en un entorno propenso a vibraciones en una planta industrial, los investigadores, dirigidos por Georg Scheitter de Technische Universität Wien en Austria, combinaron un espejo de orientación 2D rápido con un sensor cromático confocal 1D de alta resolución.

“Los sistemas de inspección y medición basados ​​en robots como los que hemos desarrollado pueden permitir un control de calidad del 100% en la producción industrial, reemplazando los métodos existentes basados ​​en muestras”, dijo Ernst Csencsics, quien codirigió el equipo de investigación con Daniel Wertjanz. «Esto crea un proceso de producción más eficiente porque ahorra energía y recursos».

Como se describe en el Journal of the Optical Society (OSA) Óptica aplicadaEl nuevo sistema está diseñado para instalarse en una plataforma de seguimiento en un brazo robótico para tomar medidas en 3D de formas y superficies aleatorias. Pesa sólo 300 gramos y mide 75 x 63 x 55 mm en cubos, que es del tamaño de una taza de café espresso.

«Nuestro sistema puede medir la topografía de superficies 3D con una combinación sin precedentes de flexibilidad, precisión y velocidad», dijo Wertjanz, que está cursando un doctorado. sobre este tema de investigación. «Esto da como resultado menos desperdicio porque los problemas de fabricación se pueden identificar en tiempo real y los procesos se pueden adaptar y mejorar rápidamente».

De laboratorio a fabuloso

Las mediciones precisas generalmente se realizan con instrumentos voluminosos en el laboratorio. Para llevar esta capacidad al piso de producción, los investigadores desarrollaron un sistema basado en el sensor de distancia cromática confocal 1D desarrollado por Micro-Epsilon, socio en este proyecto de investigación. Los sensores confocales colorimétricos pueden medir con precisión el desplazamiento, la distancia y el grosor utilizando los mismos principios que los microscopios confocales, pero en un paquete mucho más pequeño.

Combinaron el sensor focal con un espejo de guía de velocidad altamente integrado que habían desarrollado previamente, que tiene solo 32 mm de diámetro. También desarrollaron un proceso de reconstrucción que utiliza datos de medición para crear una imagen tridimensional de la topografía de la superficie de la muestra. El sistema de medición 3D es lo suficientemente compacto como para caber en la plataforma de medición, que actúa como enlace para un brazo robótico y compensa las vibraciones entre la muestra y el sistema de medición a través del control de retroalimentación activa.

«Al manipular la trayectoria óptica del sensor con un espejo de guía rápida, el punto de medición se escanea de forma rápida y precisa a través del área de superficie respectiva», dijo Wertjanz. «Debido a que solo es necesario mover un espejo pequeño, el escaneo se puede realizar a altas velocidades sin comprometer la precisión».

Para probar el nuevo sistema, los investigadores utilizaron diferentes parámetros de calibración con estructuras con tamaños y alturas laterales específicos. Estos experimentos demostraron que el sistema podía obtener medidas laterales de 2,5 μm y una resolución axial de 76 nm.

«Este sistema eventualmente podría traer una variedad de beneficios a la fabricación de alta tecnología», dijo Wertjanz. «Las mediciones directas pueden permitir procesos de producción sin problemas, lo que es particularmente útil para la fabricación de bajo volumen. La información también se puede utilizar para mejorar la configuración del proceso de fabricación y las máquinas herramienta, lo que puede aumentar la productividad general».

Los investigadores ahora están trabajando en implementar el sistema en una plataforma de medición e integrarlo con un brazo robótico. Esto les permitirá probar la viabilidad de mediciones precisas basadas en robots en 3D en superficies de forma libre en entornos sujetos a vibraciones, como una línea de producción industrial.