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The Optical Society presenta un sistema ottico leggero in grado di eseguire l’ispezione 3D delle superfici con una precisione su scala micron

 
Il sistema compatto 3D ispeziona le superfici con precisione su scala micron
 

I ricercatori della The Optical Society hanno sviluppato un sistema ottico leggero in grado di eseguire l’ispezione 3D delle superfici con una precisione su scala micron. Secondo il team, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per migliorare l’ispezione del controllo di qualità per prodotti ad alta tecnologia come chip a semiconduttore, pannelli solari ed elettronica di consumo.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista The Optical Society (OSA) Applied Optics. 

Acquisizione di misurazioni 3D
Una delle sfide dell’acquisizione di misurazioni 3D di precisione sulla linea di produzione è causata dalle vibrazioni, pertanto è necessario prelevare periodicamente campioni per l’analisi in laboratorio. Durante questo processo, i prodotti difettosi che vengono sviluppati devono essere scartati. 

Per aggirare questo problema, il team ha deciso di sviluppare un sistema che potesse funzionare in un ambiente del genere, come un impianto di produzione industriale. Il team di ricerca è stato guidato da Georg Schitter della Technische Universität Wien in Austria e ha combinato uno specchio compatto 2D a sterzo rapido con un sensore cromatico confocale 1D ad alta precisione. 

Ernst Csecsics ha co-diretto il gruppo di ricerca con Daniel Wertjanz. 

“I sistemi di ispezione e misurazione in linea basati su robot come quello che abbiamo sviluppato possono consentire il controllo della qualità al 100% nella produzione industriale, sostituendo gli attuali metodi basati su campioni”, ha affermato Csensics. 

Il sistema di nuova concezione è progettato per essere montato su una piattaforma di tracciamento posizionata su un braccio robotico e ciò consente misurazioni 3D senza contatto di forme e superfici arbitrarie. Con un peso di 300 grammi e una dimensione di 75 X 63 X 55 millimetri cubi, il sistema è straordinariamente piccolo.

“Il nostro sistema è in grado di misurare topografie di superfici 3D con una combinazione senza precedenti di flessibilità, precisione e velocità”, ha affermato Wertjanz. “Questo crea meno sprechi perché i problemi di produzione possono essere identificati in tempo reale e i processi possono essere adattati e ottimizzati rapidamente”.

I sistemi esistenti spesso si affidano a strumenti ingombranti per eseguire misurazioni di precisione. Per consentire ciò in fase di produzione, il team ha creato il sistema basato su un sensore di distanza cromatico confocale 1D sviluppato da Micro-Epsilon, in grado di misurare lo spostamento, la distanza e lo spessore in modo estremamente accurato utilizzando gli stessi principi dei microscopi confocali. Tuttavia, sono molto più piccoli.

Il team ha combinato il sensore confocale con uno specchio a sterzo veloce, con il secondo che misura solo 32 millimetri di diametro. Oltre a ciò, hanno anche sviluppato un processo di ricostruzione che può creare un’immagine 3D della topografia superficiale del campione utilizzando i dati di misurazione.

Il sistema può essere installato su una piattaforma metrologica, con quest’ultima che funge da connessione a un braccio robotico. Questo è ciò che utilizza il controllo di feedback attivo per compensare le vibrazioni tra il campione e il sistema di misurazione.

“Maneggiando il percorso ottico del sensore con lo specchio a sterzatura rapida, il punto di misurazione viene scansionato in modo rapido e preciso su tutta la superficie di interesse”, ha affermato Wertjanz. “Poiché è necessario spostare solo il piccolo specchio, la scansione può essere eseguita ad alta velocità senza compromettere la precisione.”


Testare il nuovo sistema
I ricercatori hanno testato il nuovo sistema utilizzando vari standard di calibrazione strutturati con dimensioni e altezze laterali definite. Gli esperimenti hanno mostrato che può misurare con un laterale di 2,5 micron e una risoluzione assiale di 76 nanometri.

“Questo sistema potrebbe portare una serie di vantaggi alla produzione ad alta tecnologia”, ha affermato Wertjanz. “Le misurazioni in linea potrebbero consentire processi di produzione a zero guasti, che sono particolarmente utili per la fabbricazione a basso volume. Le informazioni potrebbero anche essere utilizzate per ottimizzare il processo di produzione e le impostazioni delle macchine utensili, che possono aumentare la produttività complessiva”.

Il team cercherà ora di implementare il sistema sulla piattaforma metrologica, oltre a incorporarlo con bracci robotici. Se riescono a raggiungere questo obiettivo, saranno in grado di testare la misurazione 3D di precisione basata su robot su superfici a forma libera in ambienti come la linea di produzione industriale, che sono spesso pieni di vibrazioni.

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