Geometrien prüfen 3D-Sensoren vermessen berührungslos komplexe Oberflächen

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

In der Elektronikfertigung müssen Oberflächen präzise dreidimensional überprüft und vermessen werden. Spezielle 3D-Sensoren erfassen sie und generieren 3D-Punktewolken. Für Kalibrierung und Inbetriebnahme unterstützt eine spezielle Software.

Herkömmliche 2D-Vision-Kameras stoßen bei der Geometrieprüfung oft an ihre Grenzen. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn Höhenunterschiede, komplexe Strukturen oder glänzende Oberflächen ins Spiel kommen. Für diese Messaufgaben bietet Micro-Epsilon speziell entwickelte 3D-Sensoren mit hoher Messgenauigkeit.

Mithilfe einer 3D-Matrix-Technologie können komplette Oberflächen in kürzer Zeit erfasst und 3D-Punktewolken generiert werden. Außerdem messen die Sensoren von Micro-Epsilon zuverlässig auf verschiedenen Oberflächen, wie beispielsweise Kunststoffen oder Metallen, unabhängig davon, ob sie hell, dunkel oder eine Kombination aus beidem sind. Für eine einfache Integration in die Maschinensteuerung verfügen die Sensoren über industrielle Standard-Schnittstellen und lassen sich über eine eigens entwickelte Software schnell und komfortabel bedienen.

Berührungslose Messtechnik nutzt Triangulation

Bei Sensoren der Serie „surfaceCONTROL 3D“ setzt Micro-Epsilon auf berührungslose Messtechnik mit optischen Methoden, genauer auf die Triangulation. Hierbei wird über eine Dreiecks-Geometrie der Abstand zwischen dem Sensor und allen Punkten einer Oberfläche vermessen: Ein sogenannter Matrixprojektor im Sensor projiziert mit seinem LED-Licht ein Streifenmuster auf die Oberfläche des Messobjektes, das reflektierte Licht wird über zwei Kameras im Sensor aufgenommen und über eine integrierte Signalverarbeitung auf Basis trigonometrischer Berechnungen ausgewertet. So berechnet der Sensor den Abstand zu jedem Punkt auf der Oberfläche des Messobjektes.

Das Messverfahren eignet sich für sehr viele verschiedene Oberflächen, was es für den Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen und Branchen prädestiniert.

Kleine Bauteile vermessen

Dabei erreichen die Sensoren Aufnahmegeschwindigkeiten von bis zu 2,2 Mio. 3D-Punkten pro Sekunde. Jeder dieser Punkte besitzt eine x-, y- und z-Koordinate. Die Messpunkte ergeben zusammen eine sogenannte 3D-Punktewolke, die im Sensor erzeugt und über standardisierte Schnittstellen für die weitere Verarbeitung ausgegeben wird. Diese dient der Erstellung und Visualisierung von Messdaten, die anschließend per Software analysiert und ausgewertet werden.

Die aktuelle Generation der 3D-Snapshot-Sensoren ist mit verschiedenen Messbereichen erhältlich – je nach Variante und Einsatzbereich. Diese reichen von 30 mm bis hin zu 575 mm. Das jüngste Mitglied der Modellreihe ist der Sensor „surfaceCONTROL 3D 3500-30“ mit einem Messbereich von 30 mm und einer x/y-Auflösung von 8 µm. Er erfasst Messflächen von 31 mm x 19,5 mm.

Für Messungen in rauen Produktionsumgebungen oder für den Einsatz am Roboter ist der Sensor in ein stabiles Aluminiumgehäuse verbaut und nach Schutzart IP67 zertifiziert. Mit einer z-Wiederholpräzision von 0,25 µm zählt der surfaceCONTROL zu den aktuell genauesten Sensoren auf dem Markt und erkennt selbst kleinste Ebenheitsabweichungen und Höhenunterschiede. Da im Sensor keine beweglichen Bauteile verbaut sind, ist er sehr wartungsarm und kann nicht verschleißen. Alle Daten im Datenblatt sind geprüft und nachgemessen.

Anwendungsbeispiele in der Elektronikfertigung

Einsetzen lassen sich die 3D-Sensoren in verschiedenen Bereichen der Elektronikfertigung: Eine wichtige Applikation ist die Erfassung der Koplanarität, bei der geprüft wird, ob alle Kontaktstellen oder Lötpunkte von Ball-Grid-Array- (BGA-)Komponenten in einer Ebene liegen. Abweichungen führen zu schlechten elektrischen Verbindungen oder kalten Lötstellen. Mit den Sensoren von Micro-Epsilon lässt sich ein hochaufgelöstes 3D-Abbild des BGA oder der Kontaktpunkte erstellen. Anwender erkennen sofort Defekte oder kalte Lötstellen und können diese beheben.

Dank derPräzision lassen sich Höhenunterschiede, Parallelität und Koplanarität selbst bei kleinsten Objekten zuverlässig erfassen. Ausschlaggebend sind hierbei das äußerst geringe Messrauschen, die schnelle Messzeit der Sensoren sowie die hohe Fremdlichtunempfindlichkeit, die eine hohe Qualität der Messdaten sicherstellen.

Planaritätsprüfung von Substraten

Außerdem werden die 3D-Snapshot-Sensoren bei der Planaritätsprüfung von Substraten wie Leiterplatten (PCB) und flexiblen Schaltungen (FPC) eingesetzt. Dabei gelten besonders hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit, da bereits kleinste Abweichungen den Bearbeitungsprozess empfindlich stören können.

Die Sensoren aus der Baureihe surfaceCONTROL erfassen selbst feinste Höhenunterschiede mit hoher Präzision und analysieren die Substratebenheit vollflächig inline und in Echtzeit. Die Sensoren lassen sich nahtlos in bestehende Fertigungs- und Automatisierungslinien integrieren und sichern so einen durchgängigen, qualitätsgesicherten Prozess.

3D-Geometrieprüfungen am Beispiel

Beim Smartphone-Assembly erfassen die 3D-Sensoren die einzelnen Bauteile kontaktlos und in hoher Auflösung, um ihre Geometrie vollständig dreidimensional zu prüfen. Die Sensoren ermöglichen hierbei die Anwesenheits- und Positionierungskontrolle in einer einzigen Aufnahme.

Die Sensoren können außerdem zur Inline-Geometrieprüfung von Steckern und zur präzisen Vermessung komplexer Elektronikbauteile eingesetzt werden. Die einzelnen Elemente werden dabei auf Lage, Anwesenheit und Ausrichtung geprüft. Durch die schnelle Datenerfassung und die zuverlässige Auswertung lassen sich Fehler frühzeitig erkennen und Ausschussraten deutlich reduzieren.

Eine weitere Anwendung des Sensors ist die Batteriezellenfertigung. Beim Fertigen von sogenannten Pouchzellen, einer speziellen Bauform von Lithium-Ionen-Batterien, können Dellen, Beulen oder Wölbungen entstehen. Zudem können sich innerhalb der Folienstruktur Falten bilden, die zu einem Defekt der Zelle führen können. Mittels Streifenlicht erfasst der Sensor die 3D-Form der Pouchzelle. In der Auswertesoftware werden selbst kleinste Defekte, einschließlich Form und Tiefe, sicher und präzise erkannt. Im Anschluss können fehlerhafte Pouchzellen sicher und schnell ausgeschleust werden.

Schnelle Inbetriebnahme und Kalibrierung

Damit Anwender Defekte schnell erkennen, bietet der Hersteller mit der Software 3DInspect ein Tool zur schnellen Inbetriebnahme und Einrichtung der Sensoren an. Die Software erhält die Messdaten per Ethernet vom Sensor und stellt diese dreidimensional dar. Anwender können die 3D-Daten anschließend auf dem PC in 3DInspect mit zahlreichen integrierten Messprogrammen weiterverarbeiten, auswerten, beurteilen und bei Bedarf protokolliert über Ethernet an eine Steuereinheit übermitteln.

Zudem lassen sich die 3D-Daten mit der Software auf einem Datenträger abspeichern. Auch das Konfigurieren und Parametrieren des Sensors lässt sich einfach über die Software umsetzen. Alternativ können Kunden ein komfortabel zu integrierendes Software Development Kit (SDK) nutzen, das auf den Industriestandards GigE Vision und GenICam basiert. Hiermit können Anwender den Sensor einfach über ihre eigene Software konfigurieren und steuern.

Bessere Vernetzung mit digitalen I/Os

Neben der schnellen Datenausgabe über Gigabit Ethernet (GigE Vision) bietet der Sensor eine zusätzliche digitale I/O-Schnittstelle, mit der sich Daten über EtherNet/IP, PROFINET sowie EtherCAT übertragen lassen. Der Sensor kann einfach in bestehende Netzwerke einbinden und Daten können schnell an übergeordnete Systeme wie eine SPS übertragen werden. Mit der Rechnerplattform Industrial Performance Unit bietet Micro-Epsilon einen Industrie-PC für die effiziente Datenverarbeitung von 3D-Sensoren an. (heh)

* Thomas Penski ist Produktmanager 3D-Sensorik bei Micro-Epsilon in Ortenburg.

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