Mesure 3D sans contact, rapide et précise, des détails de surface - Que dirait M. Lincoln ?
Publié le 28 octobre 2021
Saviez-vous que la mesure 3D par interférométrie peut être à la fois très précise et très rapide ? Cette double capacité est essentielle pour l'inspection en ligne dans les industries de haute précision.
Pour illustrer cette capacité, nous avons utilisé le logiciel Novacam SURFACEINSPECTTM Système de métrologie 3D pour scanner un détail sur un penny américain. Basé sur interférométrie à faible cohérenceLe système mesure avec une précision de l'ordre du micron, mais son cycle de mesure typique n'est que de quelques secondes, ce qui permet souvent de répondre à des applications difficiles en usine.
Bien entendu, la durée du cycle de mesure dépend de deux paramètres : a) la taille de la zone mesurée et b) la densité de mesures requise. C'est pourquoi nous comparons deux scénarios de mesure pour la même zone - un scénario avec une densité élevée et un autre avec une densité plus faible de mesures de points 3D.
Inscrivez M. Lincoln au dos du penny américain
La pièce d'un cent américain est un objet familier en Amérique du Nord. Le penny mesure environ 21 mm de large et 1,52 mm d'épaisseur. Le dos de la pièce présente un détail peu connu : un chiffre minuscule qu'il est intéressant de mesurer. La plupart des gens ne le remarquent jamais.
Pour trouver la figure, observez attentivement le centre du monument de Lincoln illustré au verso de la pièce. Entre les deux colonnes centrales, vous verrez une minuscule figure assise de M. Abraham Lincoln, le 16e président des États-Unis. Nous avons voulu mesurer et visualiser le plus petit détail - la tête de Lincoln, qui mesure environ 0,25 mm (250 µm) de large et 0,018 mm (18 µm) de haut.
Il a déjà été mesuré auparavant
Bien qu'un élément aussi petit que la tête de Lincoln soit facile et rapide à photographier, il n'est pas facile de le mesurer en 3D. Un récent petite étude comparative a illustré cette difficulté en comparant trois technologies de mesure optique :
- un scanner laser 3D,
- un système d'éclairage structuré, et
- un interféromètre à lumière blanche.
Il est intéressant de noter que sur les trois technologies comparées dans l'étude, seul le système d'interférométrie à lumière blanche a fourni la précision et l'exactitude qui ont permis une visualisation nette et sans artefact de la figure de Lincoln.
Curieusement, la technologie de l'interférométrie a été jugée lente. La cause de cette lenteur était le piquage requis par le système d'interférométrie utilisé dans cette étude. En effet, ce système particulier nécessitait six (6) mesures de surface pour couvrir la petite surface de la pièce !
Mais cette couture fastidieuse est-elle inévitable ? Et le terme "lent" est-il un juste jugement de l'interférométrie en tant que technologie de mesure ?
Nous répondons catégoriquement par la négative.
Photo du dos d'un penny américain, une pièce de 21 mm de diamètre avec un relief de 18 microns de haut représentant Abraham Lincoln assis.
Accélérer l'interférométrie optique
Tous les systèmes d'interférométrie ne sont pas égaux en termes de conception. Par exemple, les systèmes de métrologie 3D NOVACAM, qui utilisent la technologie de l'interférométrie, ne sont pas tous identiques. interférométrie à faible cohérenceet d'atteindre une précision axiale de <=1 µm, yet they measure much faster than the white-light interferometry system used in the study mentioned above. The speed advantage is due to system design. Since Novacam targets high-precision industrial applications, the company has pushed and progressively fine-tuned the performance of its systems to provide:
- l'acquisition de surfaces point par point, jusqu'à 100 000 points 3D par seconde, et
- l'option de sondes de surface à balayage rapide, telles que les galvoscanners à balayage de trame, avec un champ de vision (FOV) allant jusqu'à 84×84 mm (modèles standard). Des champs de vision plus larges sont disponibles dans les modèles personnalisés.
Dans le champ de vision du galvoscanner, le faisceau de balayage traverse la surface très rapidement selon un modèle de trame ligne par ligne, fournissant rapidement un nuage de points 3D pour la zone spécifiée dans le champ de vision. Lorsque la zone à mesurer est comprise dans le champ de vision, il n'est pas nécessaire de procéder à un assemblage. Le temps de mesure dépend alors largement de la densité de points de données spécifiée par l'utilisateur.
Le scanner galvo acquiert des surfaces en 3D selon un modèle de trame efficace. La distance d'éloignement peut atteindre 215 mm. Les options FOV standard vont jusqu'à 84×84 mm.
Pour montrer la relation entre la densité des points de données et le temps de balayage qui en résulte, nous avons exécuté quelques scénarios de balayage.
Scénarios de temps de cycle
Revenons à M. Lincoln sur le penny américain. Pour mesurer la face arrière de la pièce, nous avons utilisé le Système de métrologie 3D SURFACEINSPECT avec un champ de vision de 54 x 54 mm, une distance de travail (standoff) de 125 mm et une taille de spot de 6 µm (FHM).
Nous avons scanné la pièce deux fois : une fois à haute densité et une fois à plus faible densité. Le tableau ci-dessous présente les résultats associés aux deux scans.
| Balayage 1 : balayage à haute densité | Scintigraphie 2 : scintigraphie de basse densité | |
|---|---|---|
| Zone balayée | 25 x 25 mm | |
| Standoff | 125 mm | |
| Densité de points dans les directions X et Y | 6 µm | 37,5 µm |
| # de points de données par ligne de balayage | 4,167 | 666 |
| Total # de points de données | 17,363, 889 | 443,556 |
| Durée du cycle | 5.8 min | 9 secondes |
Comme le montre le tableau :
- Le balayage 1, un balayage à haute densité, impliquait l'acquisition d'une mesure de point 3D tous les 6 microns. Il a fourni plus de 17 millions de points de données et a duré plusieurs minutes. À noter que très peu de nos clients industriels ont besoin d'un tel nombre de mesures.
- Le balayage 2, un balayage à plus faible densité, consistait à prendre une mesure tous les 37,5 microns. Il a fourni près d'un demi-million de points de données en 9 secondes. Ce balayage représente une densité de points plus typique exigée par nos clients industriels. Même une densité beaucoup plus faible que celle-ci suffit souvent pour l'analyse de la géométrie en 3D.
Bien entendu, avec les systèmes de métrologie 3D NOVACAM, les utilisateurs peuvent expérimenter et choisir la densité de points d'acquisition qui répond à leurs besoins. En règle générale,
- Les mesures géométriques nécessitent des nuages de points 3D de faible densité, tandis que les mesures de l'humidité nécessitent des nuages de points 3D de faible densité.
- L'identification et la mesure des plus petits défauts nécessitent des nuages de points 3D de la plus haute densité.
Analyse et visualisation des données 3D
Après un balayage de zone, les utilisateurs du système SURFACEINSPECT peuvent visualiser les données 3D de 3 manières différentes.
1) Nuage de points en 3D
Le nuage de points 3D sert de base à l'analyse interactive ou automatisée de la géométrie 3D à l'aide d'un logiciel GD&T 3D. Si la densité de points est suffisamment élevée, le nuage de points 3D peut également être utilisé pour identifier et mesurer les défauts.
Utilisez les flèches pour zoomer dans le nuage de points 3D du penny.
Nuage de points en 3D du centime américain vu comme une carte de déviation des couleurs
Zoom sur le monument du Lincoln Memorial
Zoom sur le personnage assis. Le tronc de Lincoln est plus en arrière, et donc plus foncé que ses genoux et ses pieds.
Les petites différences de hauteur sont accentuées par l'ajustement des limites de la carte des couleurs.
Une vue encore plus rapprochée révèle les points 3D exacts associés aux mesures de hauteur d'une précision de l'ordre du micron. La distance entre les mesures est ici de 6 microns.
Novacam propose le logiciel PolyWorks Inspector pour l'analyse 3D GD&T en option avec ses systèmes de métrologie 3D.
2) En tant que carte d'intensité lumineuse
La carte d'intensité lumineuse issue d'un balayage à haute densité est l'équivalent d'une photo obtenue par un système de vision. Bien qu'elle ne contienne pas de données, la carte d'intensité lumineuse constitue une référence visuelle utile, notamment pour l'identification des défauts.
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Parmi les trois types de données de sortie, une carte d'intensité du verso de la pièce donne une image semblable à une photo.
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Zoom sur Abraham Lincoln
3) En tant que carte des hauteurs
La carte de hauteur représente la valeur de hauteur au micron près de chaque point mesuré de la surface. Ce format de données 3D peut être intéressant pour l'analyse interactive ou automatisée des caractéristiques ou des défauts de la surface. Par exemple, comme le montre l'illustration, un profil linéaire (indiqué par une ligne jaune) sur la carte des hauteurs de la surface du penny fournit les mesures exactes de la hauteur de la tête de Lincoln et des colonnes situées de part et d'autre.
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Une carte d'altitude contient les données d'altitude en 3D avec une précision de l'ordre du micron. Ici, un profil linéaire de la tête de Lincoln est extrait pour analyse.
Un centime suffit-il ? Pourquoi pas plus ?
Le champ de vision du scanner galvo est sélectionné en fonction des besoins de l'application. Par exemple, avec un FOV adéquat, le système SURFACEINSPECT peut scanner plusieurs pièces d'un centime en un seul passage, comme illustré ci-dessous.
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Le système NOVACAM SURFACEINSPECT avec un FOV de 54×54 scanne facilement 4 pennies en une seule fois.
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Image d'intensité à partir d'un balayage de 4 pièces de monnaie - acquise en un seul balayage continu, aucun assemblage n'est nécessaire.
Où la haute précision et la haute vitesse sont-elles nécessaires ?
La combinaison de la précision de mesure et de la vitesse est requise par de nombreux fabricants dans les industries de haute précision. Dans beaucoup de ces industries, les systèmes de métrologie 3D de NOVACAM (y compris le SURFACEINSPECT et l'EDGEINSPECT, par exemple) mesurent géométriedes défauts, et même l'épaisseur de matériaux semi-transparents.
Voici quelques applications industrielles typiques :
- Semi-conducteurs - plaquettes, Tampons CMP
- Aérospatiale - rivet d'avion fraisesLes profils aérodynamiques, les pales de turbines de moteurs à réaction, les trous de refroidissement
- Automobile - sièges d'injecteurs de carburant, corps de vanne
- Industrie du verre - mesure d'épaisseur multicouche, verre pour smartphone
- Ophtalmologie - lentilles ordinaires ou intraoculaires
- Plastiques - fibres ou tubes extrudés
- Bio-médical - épaisseur des tissus, finition de la surface ou épaisseur des implants (par exemple, cathéters)
- Nucléaire - barres de combustible nucléaire
- Métallurgie - contrôle des soudures.
Métrologie 3D automatisée des wafers et mesure des défauts avec le système NOVACAM EDGEINSPECT
Plus que de la vitesse et de la précision
Outre la vitesse et la précision, les systèmes de balayage galvano SUFACEINSPECT et EDGEINSPECT de Novacam offrent des possibilités uniques telles que
- Capacité à relever les dimensions, les défauts et l'épaisseur avec le même instrument
- Distance de recul (jusqu'à 215 mm) et champ de vision permettant un déploiement industriel (contrairement aux microscopes)
- Possibilité de mesurer des fonds de trous borgnes (comme les mesures de sièges d'injecteurs) ou des zones difficiles d'accès (avec des miroirs, par exemple)
- Numérisation de zones ou de bandes, même dans des espaces difficiles d'accès tels que les alésages et les cylindres, grâce à de nouveaux scanners à galène en forme de périscope.
- Possibilité d'effectuer un balayage continu (longues bandes) en combinant le scanner à galène avec une platine mobile
- Mesure en environnements hostiles impliquant des températures extrêmes, des pressions extrêmes ou de la radioactivité.
Avec les systèmes de métrologie 3D de NOVACAM, les définitions de balayage peuvent être optimisées pour répondre aux exigences de mesure et de temps de cycle de chaque application. De plus, les définitions de scan, qui incluent les séquences de mesure et l'analyse des données, sont personnalisables par l'utilisateur. De plus, les systèmes NOVACAM supportent l'ensemble des l'automatisation du cycle d'inspection et d'analyse.
Découvrez les autres avantages de la technologie NOVACAM ici.
Que dirait Lincoln ?
Bien sûr, nous ne savons pas ce que M. Lincoln dirait. Mais nous pouvons supposer qu'en tant que fervent partisan de l'apprentissage permanent, il approuverait également la poursuite des avancées technologiques qui améliorent les capacités des fabricants d'aujourd'hui. Les systèmes NOVACAM, qui offrent des mesures 3D de haute précision sans contact combinées à une acquisition à grande vitesse, s'efforcent justement de le faire.
