Interferometría láser: Potenciando la manufactura automatizada con precisión

Por Tyler Steele, gerente de producto — interferómetros láser, Zygo

En este artículo, el fabricante de espejos de berilio de precisión Cambridge Technology explica cómo el uso de soluciones de hardware y software de interferometría ha optimizado sus procesos de manufactura y añadido eficiencias así como ahorros de tiempo y coste en toda la empresa.

Los avances tecnológicos en años recientes han elevado la metrología de ser un «mal necesario» en escenarios de manufactura a tecnologías habilitadoras, permitiendo la medición de características de piezas previamente imposibles y por lo tanto impulsando la innovación a través de numerosos sectores industriales.

Se puede argumentar que las soluciones de metrología best-in-class son el catalizador que impulsa la tendencia hacia miniaturización, mayor precisión, mayor rendimiento y menos rechazos.

Como dice el viejo refrán, «Si no puedes medirlo, no puedes hacerlo», pero si puedes medir con la precisión requerida de forma repetible, entonces el cielo es el límite en términos de producir piezas y componentes de vanguardia.

Una empresa operando en el filo de la precisión es Cambridge Technology, basada en Taunton en el Reino Unido.

Cambridge Technology presume de un pedigree de más de 50 años fabricando espejos de berilio recubiertos ultra-ligeros para su instalación matriz en Bedford, Massachusetts, EE. UU.

Estos espejos que se integran en ensamblajes de dirección de haz láser se usan en diversas aplicaciones desde taladrado de PCB hasta cirugía ocular láser.

Cambridge Technology tenía la meta de avanzar sus capacidades de diseño y manufactura con un enfoque en integrar y aprovechar metrología de proceso para optimizar control de calidad y rendimientos de manufactura.

La naturaleza exigente de los espejos fabricados por Cambridge Technology ha significado que con el tiempo, ha aprendido a asociarse con proveedores de tecnología innovadores para habilitar procesos de manufactura óptimos.

La empresa elegida para ayudar a avanzar sus capacidades de metrología fue Zygo, que suministró a Cambridge Technology nuevos sistemas de interferómetro láser de última generación operando en el software de metrología Mx de Zygo.

Este artículo analiza el papel de la interferometría láser como parte integral de un proceso de manufactura automatizado optimizado, destacando cuestiones clave en selección de proveedores y proporcionando testimonio de primera mano de Cambridge Technology sobre cómo usó las avanzadas soluciones de metrología óptica de Zygo para avanzar innovación en diseño de producto y desarrollo de proceso de manufactura.

Evaluando el panorama de metrología avanzada

Zygo ha elevado el estatus de la metrología a una tecnología disruptiva y habilitadora, con sus perfilómetros ópticos 3D no-contacto, no-destructivos e interferómetros láser.

La metrología óptica es extremadamente versátil y tiene un papel importante en la verificación de calidad e intención de diseño.

Hoy, en muchos escenarios, se ha convertido en la solución preferida, beneficiándose del hecho de que es no-contacto (significa que puede usarse para medir componentes delicados deformables), no-destructiva, rápida, altamente sensible, y exhibe características excepcionales de resolución y precisión.

Para Zygo, sin embargo, el uso de sus instrumentos de metrología óptica va mucho más allá del control de calidad ya que sus beneficios se están utilizando en I+D avanzada, desarrollo de proceso, control de proceso, y optimización general de manufactura.

Cambridge Technology entiende que la interferometría es la elección lógica para la caracterización avanzada de sus piezas críticas y reconoció que no hay otros innovadores de soluciones de metrología que se acercaran al nivel de experiencia y comprensión de Zygo.

Cambridge Technology e Interferometría Láser de Zygo

Cambridge Technology usa interferometría láser para medir la forma de superficie de casi cada espejo de berilio de precisión que fabrica, y en varias etapas en el ciclo de vida de producción para una comprensión clara de características de rendimiento.

La solución original de interferometría láser de la empresa se veía deficiente en dos áreas clave. Primero, era propensa a vibraciones ambientales, y segundo los datos de medición se almacenaban como archivos de texto individuales (o reportes de texto) lo que significaba que era extremadamente difícil de analizar.

Cada espejo único en la gama de Cambridge Technology requería una aplicación diferente que a su vez requería configuración específica del interferómetro láser.

Esto hacía la metrología intensiva en operador, y requería que técnicos cargaran manualmente diferentes máscaras para cada tipo de espejo y para cada medición realizada, a veces tres veces por espejo.

Para superar estas deficiencias, la empresa requería una solución de metrología que promoviera automatización de proceso y aliviara presión de carga de trabajo manual mientras minimizaba sensibilidad a vibración ambiental que había llevado a algunos espejos a requerir re-medición.

La solución elegida fue reemplazar interferómetros láser existentes con instrumentos de generación actual operando en el software Mx de Zygo, lo que inmediatamente permitió a la empresa realizar mejoras en tiempos de procesamiento y una reducción en errores de operador.

Greg Salter, Ingeniero de Calidad en Cambridge Technology continúa, «La reducción en tiempos de procesamiento viene como resultado de nuestra capacidad para personalizar Mx usando scripting.

«Los tiempos de procesamiento reducidos para piezas con múltiples máscaras (aperturas) ha sido una mejora masiva, junto con la eliminación de la necesidad de operadores de tener que cargar manualmente cada máscara, o tener que seleccionar diferentes partes de una máscara para re-analizar diferentes aperturas de un espejo».

Usando el software Mx de Zygo y scripts de Python, Cambridge Technology ahora tiene una base de datos de todas sus piezas, con tolerancias, configuraciones y máscaras correspondientes que es fácilmente seleccionable por el operador.

Las tolerancias pueden ajustarse remotamente en una base de datos ubicada centralmente por el ingeniero de producción sin interrumpir el flujo de trabajo de producción.

Salter dice: «MX carga las máscaras y tolerancias correctas para cada pieza automáticamente seleccionando el número de pieza de un menú desplegable.

«El software de interferómetro láser Zygo ahora puede cargar e intercambiar automáticamente diferentes máscaras durante la medición sin input del operador, lo que significa que la medición es más rápida, el rendimiento de espejos aumenta, y los errores de operador se han reducido.

«Los datos de planicidad se envían automáticamente a una base de datos para fácil análisis y monitorización de cada etapa de manufactura (SPC y así sucesivamente).

«Esto ya nos ha permitido usar límites de control en varias etapas de manufactura para asegurar que los espejos serán conformes al final del proceso de manufactura.

«A medida que continuamente mejoramos nuestros métodos de manufactura, el análisis que este sistema proporciona nos permitirá reducir gradualmente cuántos espejos inspeccionamos por lote de espejos, mientras aún proporcionamos cumplimiento de planicidad».

Salter continúa: «Si un espejo no es adecuado para la aplicación para la que fue destinado, Mx puede verificar tipos de espejos similares y aconsejar si podemos usar ese espejo para una aplicación alternativa reduciendo así desperdicio.

«Nuestra empresa matriz en Bedford, MA, EE. UU. también usa nuestra base de datos para controlar sus interferómetros Zygo, se actualiza instantáneamente en ambos sitios simultáneamente, lo que ha resuelto de una vez por todas discrepancias entre nuestros métodos de medición.

«Nuestra empresa matriz también almacena datos de medición así que podemos monitorizar el rendimiento del espejo a medida que avanza a través de manufactura.

«Todo esto se logra usando la capacidad de Mx para permitirnos personalizar cómo funciona usando scripts de Python para adaptarse a nuestros métodos requeridos».

Fue vital que cualquier solución de software elegida por Cambridge Technology pudiera desplegarse sobre múltiples instrumentos a través de instalaciones de manufactura en múltiples ubicaciones para soportar una operación de manufactura 24/7.

Minimizar la cantidad de tiempo de inactividad y niveles de formación de operador eran un must, y esto se logró a través de una buena asociación entre Zygo y Cambridge Technology.

Salter explica. «Encontramos MX una solución simple, eficiente y soportable que minimizó impacto en recursos y capacidad dentro del entorno de manufactura.

El diseño intuitivo de Mx y su simplicidad general fueron enormemente importantes, al igual que la ayuda y asistencia de Lambda Photometrics y Zygo con nuestros problemas y requisitos particulares cuando se trataba de problemas que no estábamos seguros cómo superar, especialmente con scripts de python.

Lambda y Zygo proporcionaron una comprensión de cómo lograr ciertas metas usando python (incluyendo enviarnos ejemplos de código), y proporcionándonos una forma de usar un catálogo de máscaras Mx existentes en el nuevo interferómetro».

Creando un entorno de software de aplicación 'configurar-y-olvidar'

El uso de la función de scripting dentro del software Mx de Zygo ha permitido a Cambridge Technology crear una aplicación «configurar-y-olvidar» dirigida por recetas.

Salter dice: «Esto se logró utilizando una base de datos que diseñamos y construimos para trabajar dentro de Mx, conteniendo todos los parámetros requeridos para permitir la medición de cualquier espejo. Estos incluyen nombres de máscaras, número de máscaras y tolerancias de planicidad.

«Todo lo que el operador tiene que hacer es seleccionar un número de pieza de una lista (o escanear un código de barras en nuestro datapack de manufactura) y Mx aplica la configuración predeterminada para esa prescripción de espejo particular, registra su número de serie, adquiere y analiza los datos e informa al operador si es un pase o un fallo en términos simples».

«Con los instrumentos de metrología basados en Mx de Zygo nuestro control de configuración es mucho más eficiente y ahora tenemos la capacidad de embarcarnos en una metodología de control estadístico de proceso para monitorizar nuestras operaciones.

«Las soluciones de Zygo nos han ayudado a impulsar nuestros rendimientos de espejos hasta el 99 por ciento con excelente correlación entre nuestros dos sitios».

Eliminando cuellos de botella

Usando el software de metrología Mx de ZYGO, Cambridge Technology ha actualizado ahora las capacidades de sus interferómetros, realizando ahorros significativos.

Esto ha llevado a la empresa a poder realizar ahorros de coste eliminando cuellos de botella en producción y control de calidad, y a su vez ha proporcionado mejor utilización de recursos de personal y una mejora general en eficiencias de manufactura.