ZFokus – hochauflösende 3D-Inspektion

Anwendungsbeispiele für ZFokus

  • 3D-Inspektion von Steckermodulen
  • Planaritätsmessung von Elektronik-Bauteilen (Anschlusspins, SMD-Module…)
  • 3D-Inspektion von Spritzguss-Kleinstbauteilen
  • Lötstelleninspektion
  • Generell: dreidimensionale Höhenprüfungen mit hoher Auflösung bei kleinen Blickfeldern
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Mikroskopisch klein - prüfgenau im großem Stil.

Mit der von uns entwickelten ZFokus®-Kamera können Bauteile bis zu einer Größe von 11,5 x 11,5 mm bei einer Genauigkeit von bis zu 0.01 mm in Z-Richtung geprüft werden.

Vorteile von ZFokus® - Lückenloses 3D-Bild

ZFokus® bietet bei der Inspektion von Klein- und Kleinstbauteilen große Vorteile in der Inline- und Offline-Prüfung. Das Messprinzip erlaubt eine lückenlose dreidimensionale Erfassung der Bauteilgeometrien aus einer Perspektive. Das Verfahren birgt keine Probleme wie triangulationsbasierte Abschattungen in der 3D-Punktewolke oder Reflexionsartefakte an Bauteilkanten. Die gewonnenen 3D-Daten erlauben eine präzise Bewertung dreidimensionaler Merkmale wie Koplanarität, Höheninformationen, Neigung von Ebenen, Volumen u.v.m. Zudem liefert ZFokus® gerade bei kleinen Blickfeldern mit ca. 5µm pro Pixel eine sehr hohe laterale Detailauflösung. Nicht zuletzt können 3D- und 2D-Auswertungen aufgrund des zusätzlich gewonnenen 2D-Scharfbildes eines Bauteils in einem „Schuss“ erfolgen.

Technische Details:

  • Max. scanbarer Z-Bereich: 20 mm / typisch 1-5 mm
  • Z-Auflösung max.: 10 µm
  • Blickfeld lateral: 11.5 x 11.5 mm
  • Ortsauflösung lateral: 5 µm
  • Scanzeit je Prüfung: Abhängig von Z-Auflösung ca. 1-3 Sekunden
  • Kamera-Auflösung: 2048 x 2048 Bildpunkte monochrom (Farbe optional)
  • Systemschnittstelle: USB 3.0
  • Software-Schnittstellen: ZFokus® API Cognex Designer Plug-In
  • Bilddaten: 3D-Tiefenbild (16 Bit); 2D-Scharfbild (8 Bit)

Die Qualität sicherstellen bis ins kleinste Detail

mit ZFokus® von senswork

ZFokus® findet in getakteten Inline-Prozessen oder auch bei der Offline-Prüfung in der hochauflösenden 3D-Bewertung von Klein- und Kleinstbauteilen ihre Anwendung. Die klassischen Technologien wie Laserscanning und Streifenlichtprojektion sind aus zahlreichen Gründen für die Überprüfung ungeeignet. Hauptgründe sind störende Artefakte an Bauteilkanten, Probleme mit Überstrahlung und Reflexion am Bauteil sowie Abschattungen, die generell durch das Triangulationsprinzip bedingt sind.

Vielversprechend und anderen Verfahren in zahlreichen Punkten überlegen, zeigte sich bei den Tests die Depth-from-Focus-Methode (DfF oder auch Fokusvariation). Zur Berechnung der 3D-Bildinformation werden vom ZFokus®-System mehrere hundert Bilder in unterschiedlichen Abstandspositionen zum Bauteil in kürzester Zeit aufgezeichnet (typischerweise 1-3 Sekunden) um daraus, basierend auf ortsabhängigen Fokuswerten im Bild, eine 3D-Höhenkarte des Bauteils zu berechnen.

Die Stärken des Systems liegen in der sehr performanten parallelen Verarbeitung der hohen Bilddatenmenge je Scan (mehrere Gigabyte pro Scan!), sowie der intelligenten Berechnung der Z-Informationen durch Berücksichtigung der Reflexionsverhältnisse auf dem Bauteil. Unter Zuhilfenahme von schnellen robusten Interpolationsalgorithmen erfolgt die Berechnung der Höheninformation in nahezu vergleichsloser Qualität und Präzision.

Die gewonnenen 3D-Daten sind insbesondere bei kleinen Bildfeldern hoch detailliert und von überzeugender Qualität. Zudem ein großer Vorteil von ZFokus®: Neben dem 3D-Tiefenbild liefert die Kamera ein überlagertes Scharfbild als 2D-Bild, welches für zusätzliche 2D-Auswertungen, wie z.B. der Abstandsmessung etc. des Bauteils herangezogen werden kann.

ZFokus® findet in diversen Industrien Anwendung, wobei das Ziel der Entwicklung bei der Prüfung von Steckermodulen, Elektronikbauteilen oder Mikro-Spritzgussteilen lag.

Inspektion von Steckerbaugruppen

Die Koplanaritätsprüfung von SMD-Baugruppen oder die Pin-Höhenprüfung sind dabei zwei Anwendungen, die beispielhaft mit ZFokus® gelöst werden. Durch die 3D-Höheninformation können Kontaktflächen relativ zu umliegenden Referenzflächen in Z-Richtung vermessen werden. Dies garantiert im Nachgang einen sauberen Kontaktschluss im Lötprozess. Gleiches gilt für die Vermessung von Pin-Höhen, die im Gegenstecker nur dann einen sauberen Kontakt langfristig garantieren, wenn die Höhe des Pin-Plateaus in der vorgegebenen Zeichnungstoleranz liegt.

Kleine Spritzgussteile hochgenau

Auch bei der Inspektion von Mikro-Spritzgussteilen zeigt das System seine Stärken. Kleinste Details am Bauteil werden präzise dargestellt. Zugehörige 3D-Inspektionswerkzeuge erlauben die Erkennung von Ausbrüchen, die Vermessung von Geometrien oder die Bestimmung von Höhenunterschieden.

Lötstelleninspektion

Am Beispiel der Lötstellen-Inspektion erlaubt ZFokus® die Bestimmung des Lötvolumens, der Detektion von Lücken in der Lötstelle sowie der Bewertung der Form einer Lötstelle. Dort wo heute 2D-Systeme bei der Bewertung von Lötstellen aufgrund von zu stark schwankenden Kontrastvarianzen entweder zu hohen Pseudoausschuss liefern oder Fehlermerkmale nicht prozesssicher detektieren können zeigt ZFokus® seine Stärken.

Verschleißfreie Prüfung - bis ins Detail für höchste Präzision

Die Koplanaritätsprüfung von SMD-Baugruppen oder die Pin-Höhenprüfung sind dabei zwei Anwendungen, die beispielhaft mit ZFokus® gelöst werden. Durch die 3D-Höheninformation können Kontaktflächen relativ zu umliegenden Referenzflächen in Z-Richtung vermessen werden. Dies garantiert im Nachgang einen sauberen Kontaktschluss im Lötprozess. Gleiches gilt für die Vermessung von Pin-Höhen, die im Gegenstecker nur dann einen sauberen Kontakt langfristig garantieren, wenn die Höhe des Pin-Plateaus in der vorgegebenen Zeichnungstoleranz liegt.

Da ZFokus® auf einer berührungslosen Messung basiert, liegt der Vorteil gegenüber mechanisch tastenden Verfahren bei der Koplanaritätsprüfung oder Pin-Höhenprüfung klar auf der Hand: Das Bauteil wird bei der Vermessung nicht mechanisch beeinflusst, das Verfahren ist verschleißfrei, und neben der maximalen Z-Position von beispielsweise einer Kontaktfläche kann auch die Winkellage bzw. die Ausrichtung der Fläche im Raum bestimmt werden.

Robuste Ausführung

Um die vorschubsynchrone Aufzeichnung kümmert sich der ZFokus®-Controller, die Berechnung der 3D-Daten erfolgt auf einem handelsüblichen aber leistungsstarken Embedded-PC nahezu in Echtzeit zur Bildaufnahmesequenz. Bei dem Design von ZFokus® wurde insbesondere auf eine industrietaugliche robuste Ausführung wertgelegt, um den Anforderungen in der industriellen Inline-Messtechnik gerecht zu werden. Mit integriert ist eine leistungsstarke interne LED-Beleuchtung, die bei Bedarf und abhängig von den Reflexionseigenschaften des Bauteils um weitere Beleuchtungen ergänzt werden kann.

Genauigkeit garantiert - durch spezielle Kalibrierung

Jedes ZFokus®-System wird bei senswork im Rahmen eines Kalibrierprozesses überprüft und kalibriert. Hierzu wurde eigens ein Kalibriernormal entwickelt, welches die ermittelten Z-Werte im Arbeitsbereich des Systems überprüft und sicherstellt.

Die aktuell erzielbare Auflösung in Z-Richtung liegt bei 10µm bei einem maximalen Blickfeld von 11,5 x 11,5 mm. Die Scan-Dauer ist abhängig von unterschiedlichen Faktoren, und beträgt typischerweise 1-3 Sekunden. Eine Weiterentwicklung der Kamera hin zu noch größeren Blickfeldern ist aktuell in Planung.

Anwendungsbereiche

ZFokus – hochauflösende 3D-Inline-Inspektion

Die Hersteller von Steckerkomponenten werden mit stetig steigenden Anforderungen an die Präzision der Steckverbindungen und deren Kompaktheit konfrontiert, um den steigenden funktionellen Ansprüchen für hochfrequente digitale Daten gerecht zu werden.

Lötstellen-Inspektion mit ZFokus

Berühungslose Lötstellen-Inspektion mit ZFokus

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