Investigadores de The Optical Society han desarrollado un sistema óptico liviano que puede realizar una inspección 3D de superficies con una precisión de escala micrométrica. Según el equipo, esta tecnología podría utilizarse para mejorar la inspección de control de calidad de productos de alta tecnología como chips semiconductores, paneles solares y productos electrónicos de consumo.
La investigación fue publicada en la revista Applied Optics de The Optical Society (OSA).
Captura de medidas 3D
Uno de los desafíos de capturar mediciones 3D de precisión en la línea de producción son las vibraciones, por lo que se deben tomar muestras periódicamente para su análisis en un laboratorio. Durante este proceso, los productos defectuosos que se desarrollen deben desecharse.
Para evitar esto, el equipo se dispuso a desarrollar un sistema que pudiera funcionar en un entorno de este tipo, como una planta de fabricación industrial. El equipo de investigación estuvo dirigido por Georg Schitter de Technische Universität Wien en Austria, y combinaron un espejo de dirección rápida 2D compacto con un sensor cromático confocal 1D de alta precisión.
Ernst Csencsics codirigió el equipo de investigación con Daniel Wertjanz.
“Los sistemas de inspección y medición en línea basados en robots, como el que desarrollamos, pueden permitir un control de calidad del 100 % en la producción industrial, reemplazando los métodos actuales basados en muestras”, dijo Csensics.
El sistema recientemente desarrollado está diseñado para montarse en una plataforma de seguimiento que se coloca en un brazo robótico, y esto permite mediciones 3D sin contacto de formas y superficies arbitrarias. Con un peso de 300 gramos y unas medidas de 75 X 63 X 55 milímetros cúbicos, el sistema es impresionantemente pequeño.
“Nuestro sistema puede medir topografías de superficie en 3D con una combinación sin precedentes de flexibilidad, precisión y velocidad”, dijo Wertjanz. “Esto genera menos desperdicio porque los problemas de fabricación se pueden identificar en tiempo real y los procesos se pueden adaptar y optimizar rápidamente”.
Los sistemas existentes a menudo se basan en instrumentos voluminosos para realizar mediciones de precisión. Para permitir esto en la planta de producción, el equipo creó el sistema basado en un sensor de distancia cromática confocal 1D desarrollado por Micro-Epsilon, y estos pueden medir el desplazamiento, la distancia y el grosor con extrema precisión utilizando los mismos principios que los microscopios confocales. Sin embargo, son mucho más pequeños.
El equipo combinó el sensor confocal con un espejo de dirección rápido, y el último mide solo 32 milímetros de diámetro. Además de esto, también desarrollaron un proceso de reconstrucción que puede crear una imagen 3D de la topografía de la superficie de la muestra utilizando los datos de medición.
El sistema puede caber en una plataforma de metrología, y esta última sirve como conexión a un brazo robótico. Esto es lo que utiliza el control de retroalimentación activo para compensar las vibraciones entre la muestra y el sistema de medición.
“Al manipular la ruta óptica del sensor con el espejo de dirección rápida, el punto de medición se escanea de forma rápida y precisa en el área de la superficie de interés”, dijo Wertjanz. “Debido a que solo se necesita mover el espejo pequeño, el escaneo se puede realizar a altas velocidades sin comprometer la precisión”.
Prueba del nuevo sistema
Los investigadores probaron el nuevo sistema usando varios estándares de calibración que están estructurados con alturas y tamaños laterales definidos. Los experimentos demostraron que puede medir con una resolución lateral de 2,5 micras y axial de 76 nanómetros.
“Este sistema eventualmente podría traer una variedad de beneficios a la fabricación de alta tecnología”, dijo Wertjanz. “Las mediciones en línea podrían permitir procesos de producción sin fallas, que son especialmente útiles para la fabricación de bajo volumen. La información también podría usarse para optimizar el proceso de fabricación y la configuración de las máquinas herramienta, lo que puede aumentar el rendimiento general”.
El equipo ahora intentará implementar el sistema en la plataforma de metrología, así como incorporarlo con brazos robóticos. Si pueden lograr esto, podrán probar la medición 3D de precisión basada en robots en superficies de forma libre en entornos como la línea de producción industrial, que a menudo están llenos de vibraciones.