Kompakt system designet til høj præcision, robotbaserede overflademålinger

Forskere har udviklet et letvægts optisk system til 3D-inspektion af overflader med mikron-skala præcision. Det nye måleværktøj kan i høj grad forbedre kvalitetskontrolinspektionen for højteknologiske produkter, herunder halvlederchips, solpaneler og forbrugerelektronik såsom fladskærmsfjernsyn.

Fordi vibrationer gør det vanskeligt at fange præcise 3D-målinger på produktionslinjen, prøver udtages med jævne mellemrum til analyse i et laboratorium. Imidlertid, alle defekte produkter, der er fremstillet i afventning af resultater, skal kasseres.

At skabe et system, der kunne fungere i det vibrationsudsatte miljø på en industriel produktionsfabrik, forskere, ledet af Georg Schitter fra Technische Universität Wien i Østrig, kombineret et kompakt 2D-hurtigt styrespejl med en højpræcision 1D konfokal kromatisk sensor.

"Robotbaserede inline-inspektions- og målesystemer, såsom det, vi udviklede, kan muliggøre 100 % kvalitetskontrol i industriel produktion, erstatte nuværende prøvebaserede metoder, " sagde Ernst Csencsics, som ledte forskerholdet sammen med Daniel Wertjanz. "Dette skaber en produktionsproces, der er mere effektiv, fordi den sparer energi og ressourcer."

Som beskrevet i tidsskriftet The Optical Society (OSA). Anvendt optik , det nye system er designet til at blive monteret på sporingsplatform placeret på en robotarm til kontaktløse 3D-målinger af vilkårlige former og overflader. Den vejer kun 300 gram og måler 75 x 63 x 55 millimeter i terninger, som er omtrent på størrelse med en espressokop.

"Vores system kan måle 3D overfladetopografier med en hidtil uset kombination af fleksibilitet, præcision, og fart, sagde Wertjanz, der er i gang med en ph.d. om dette forskningsemne. "Dette skaber mindre spild, fordi produktionsproblemer kan identificeres i realtid, og processer kan hurtigt tilpasses og optimeres."

Fra laboratorium til fab

Præcisionsmålinger udføres normalt med omfangsrige instrumenter i laboratoriet. For at bringe denne evne til produktionsgulvet, forskerne udviklede et system baseret på en 1D konfokal kromatisk afstandssensor udviklet af Micro-Epsilon, en partner i dette forskningsprojekt. Konfokale kromatiske sensorer kan præcist måle forskydning, afstand og tykkelse ved hjælp af de samme principper som konfokale mikroskoper, men i en meget mindre pakke.

De kombinerede den konfokale sensor med et højt integreret hurtigt styrespejl, de tidligere havde udviklet, som kun målte 32 millimeter i diameter. De udviklede også en rekonstruktionsproces, der bruger måledataene til at skabe et 3D-billede af prøvens overfladetopografi. 3D-målesystemet er kompakt nok til at passe på en metrologiplatform, som fungerer som forbindelse til en robotarm og kompenserer for vibrationer mellem prøve og målesystem gennem aktiv feedbackkontrol.

"Ved at manipulere sensorens optiske vej med det hurtigstyrende spejl, målepunktet scannes hurtigt og præcist hen over det relevante overfladeområde, sagde Wertjanz. Fordi kun det lille spejl skal flyttes, scanningen kan udføres ved høje hastigheder uden at gå på kompromis med præcisionen."

For at teste det nye system, forskerne brugte forskellige kalibreringsstandarder med strukturer med definerede laterale størrelser og højder. Disse eksperimenter viste, at systemet kan opnå målinger med en lateral på 2,5 mikron og aksial opløsning på 76 nanometer.

"Dette system kan i sidste ende bringe en række fordele til højteknologisk fremstilling, " sagde Wertjanz. "In-line målinger kunne muliggøre nul-fejl produktionsprocesser, som er særligt nyttige til fremstilling af lavt volumen. Oplysningerne kan også bruges til at optimere fremstillingsprocessen og maskinværktøjsindstillinger, hvilket kan øge den samlede gennemstrømning."

Forskerne arbejder nu på at implementere systemet på metrologiplatformen og inkorporere det med en robotarm. Dette vil give dem mulighed for at teste gennemførligheden af ​​robotbaserede præcisions-3D-målinger på friformede overflader i vibrationsudsatte miljøer såsom en industriel produktionslinje.