Pour créer un système capable de prendre des mesures dans l'environnement sujet aux vibrations d'une usine de fabrication industrielle, les chercheurs ont combiné un miroir de direction rapide (FSM) 2D compact avec un capteur chromatique confocal (CCS) 1D de haute précision. Le FSM est utilisé pour manipuler le chemin optique du capteur, balayer le point de mesure rapidement et précisément sur toute la surface d'intérêt. Crédit :Daniel Wertjanz, Laboratoire Christian Doppler d'Ingénierie de Précision pour la Métrologie Automatisée en Ligne
Les chercheurs ont développé un système optique léger pour l'inspection 3D des surfaces avec une précision à l'échelle du micron. Le nouvel outil de mesure pourrait grandement améliorer l'inspection de contrôle de la qualité pour les produits de haute technologie, y compris les puces semi-conductrices, panneaux solaires et appareils électroniques grand public tels que les téléviseurs à écran plat.
Parce que les vibrations rendent difficile la capture de mesures 3D de précision sur la ligne de production, des échantillons sont prélevés périodiquement pour analyse en laboratoire. Cependant, tout produit défectueux fabriqué en attendant les résultats doit être jeté.
Pour créer un système qui pourrait fonctionner dans l'environnement sujet aux vibrations d'une usine de fabrication industrielle, des chercheurs, dirigé par Georg Schitter de la Technische Universität Wien en Autriche, a combiné un miroir de direction rapide 2D compact avec un capteur chromatique confocal 1D de haute précision.
« Les systèmes d'inspection et de mesure en ligne basés sur des robots, tels que ceux que nous avons développés, peuvent permettre un contrôle qualité à 100 % dans la production industrielle, remplacer les méthodes actuelles basées sur les échantillons, " a déclaré Ernst Csencsics, qui a codirigé l'équipe de recherche avec Daniel Wertjanz. "Cela crée un processus de production plus efficace car il économise de l'énergie et des ressources."
Comme décrit dans la revue The Optical Society (OSA) Optique appliquée , le nouveau système est conçu pour être monté sur une plate-forme de suivi placée sur un bras robotique pour des mesures 3D sans contact de formes et de surfaces arbitraires. Il ne pèse que 300 grammes et mesure 75 x 63 x 55 millimètres au cube, ce qui correspond à peu près à la taille d'une tasse à expresso.
"Notre système peut mesurer des topographies de surface 3D avec une combinaison de flexibilité sans précédent, précision, et la vitesse, " dit Wertjanz, qui poursuit un doctorat. sur ce sujet de recherche. "Cela crée moins de déchets car les problèmes de fabrication peuvent être identifiés en temps réel, et les processus peuvent être rapidement adaptés et optimisés."
L'image montre le nouveau système lors d'un processus d'étalonnage impliquant une caméra CMOS. Le spot lumineux où les mesures sont acquises ainsi que le miroir de direction rapide (FSM) et le capteur chromatique confocal (CCS) peuvent être vus. Crédit :Daniel Wertjanz, Laboratoire Christian Doppler d'ingénierie de précision pour la métrologie automatisée en ligne
Du labo à l'usine
Les mesures de précision sont généralement effectuées en laboratoire avec des instruments encombrants. Pour apporter cette capacité à l'atelier de production, les chercheurs ont développé un système basé sur un capteur de distance chromatique confocal 1D développé par Micro-Epsilon, partenaire de ce projet de recherche. Les capteurs chromatiques confocaux peuvent mesurer avec précision le déplacement, distance et épaisseur en utilisant les mêmes principes que les microscopes confocaux mais dans un boîtier beaucoup plus petit.
Ils ont combiné le capteur confocal avec un miroir de direction rapide hautement intégré qu'ils avaient précédemment développé, qui ne mesurait que 32 millimètres de diamètre. Ils ont également développé un processus de reconstruction qui utilise les données de mesure pour créer une image 3D de la topographie de surface de l'échantillon. Le système de mesure 3D est suffisamment compact pour tenir sur une plate-forme de métrologie, qui sert de connexion à un bras robotique et compense les vibrations entre l'échantillon et le système de mesure grâce à un contrôle de rétroaction actif.
"En manipulant le chemin optique du capteur avec le miroir à direction rapide, le point de mesure est balayé rapidement et précisément sur toute la surface d'intérêt, " dit Wertjanz. " Parce que seul le petit miroir doit être déplacé, le scan peut être effectué à grande vitesse sans compromettre la précision."
Pour tester le nouveau système, les chercheurs ont utilisé diverses normes d'étalonnage comportant des structures avec des tailles et des hauteurs latérales définies. Ces expériences ont démontré que le système peut acquérir des mesures avec une résolution latérale de 2,5 microns et une résolution axiale de 76 nanomètres.
"Ce système pourrait éventuellement apporter une variété d'avantages à la fabrication de haute technologie, " a déclaré Wertjanz. " Les mesures en ligne pourraient permettre des processus de production sans défaillance, qui sont particulièrement utiles pour la fabrication à faible volume. Les informations pourraient également être utilisées pour optimiser le processus de fabrication et les réglages des machines-outils, ce qui peut augmenter le débit global."
Les chercheurs travaillent maintenant à implémenter le système sur la plate-forme de métrologie et à l'intégrer à un bras robotique. Cela leur permettra de tester la faisabilité de mesures 3D de précision basées sur des robots sur des surfaces de forme libre dans des environnements sujets aux vibrations tels qu'une ligne de production industrielle.
