Interférométrie laser : donner à la fabrication automatisée la précision

Par Tyler Steele, chef de produit – interféromètres laser, Zygo

Dans cet article, le fabricant de miroirs en béryllium de précision Cambridge Technology explique comment l'utilisation de solutions matérielles et logicielles d'interférométrie a rationalisé ses processus de fabrication et ajouté des efficacités ainsi que des économies de temps et de coûts à travers l'entreprise.

Les avancées technologiques ces dernières années ont élevé la métrologie du statut de « mal nécessaire » dans les scénarios de fabrication à celui de technologies habilitantes, permettant la mesure de caractéristiques de pièces auparavant impossibles et stimulant ainsi l'innovation à travers de nombreux secteurs industriels.

On peut arguer que les solutions de métrologie best-in-class sont le catalyseur qui entraîne la tendance vers la miniaturisation, la précision plus élevée, le débit plus rapide et moins de rebuts.

Comme le dit le vieil adage, « Si vous ne pouvez pas le mesurer, vous ne pouvez pas le faire », mais si vous pouvez mesurer avec la précision requise de manière répétable, alors le ciel est la limite en termes de production de pièces et composants de pointe.

Une entreprise opérant à la pointe de la précision est Cambridge Technology, basée à Taunton au Royaume-Uni.

Cambridge Technology se vante d'un pedigree de plus de 50 ans dans la fabrication de miroirs en béryllium revêtus ultra-légers pour son installation mère à Bedford, Massachusetts, USA.

Ces miroirs qui sont intégrés dans des assemblages de déviation de faisceau laser sont utilisés dans diverses applications du perçage PCB à la chirurgie oculaire au laser.

Cambridge Technology avait pour objectif de faire progresser ses capacités de conception et fabrication avec un focus sur l'intégration et l'exploitation de la métrologie de processus pour optimiser le contrôle qualité et les rendements de fabrication.

La nature exacte des miroirs fabriqués par Cambridge Technology a signifié qu'au fil du temps, elle a appris à s'associer à des fournisseurs de technologie innovants pour permettre des processus de fabrication optimaux.

L'entreprise choisie pour aider à faire progresser ses capacités de métrologie était Zygo, qui a fourni à Cambridge Technology de nouveaux systèmes d'interféromètre laser de pointe fonctionnant sur le logiciel de métrologie Mx de Zygo.

Cet article analyse le rôle de l'interférométrie laser comme partie intégrante d'un processus de fabrication automatisé optimisé, soulignant les enjeux clés dans la sélection du fournisseur et fournissant un témoignage de première main de Cambridge Technology sur la façon dont il a utilisé les solutions de métrologie optique avancées de Zygo pour faire progresser l'innovation dans la conception de produit et le développement de processus de fabrication.

Évaluer le paysage de la métrologie avancée

Zygo a élevé le statut de la métrologie à une technologie disruptive et habilitante, avec ses profileurs optiques 3D sans contact, non destructifs et interféromètres laser.

La métrologie optique est extrêmement polyvalente et a un rôle important dans la vérification de la qualité et de l'intention de conception.

Aujourd'hui, dans de nombreux scénarios, elle est devenue la solution préférée, bénéficiant du fait qu'elle est sans contact (signifiant qu'elle peut être utilisée pour mesurer des composants déformables délicats), non destructive, rapide, hautement sensible, et présente des caractéristiques de résolution et de précision exceptionnelles.

Pour Zygo, cependant, l'utilisation de ses instruments de métrologie optique va bien au-delà du contrôle qualité car ses bénéfices sont utilisés en R&D avancée, développement de processus, contrôle de processus et optimisation globale de la fabrication.

Cambridge Technology comprend que l'interférométrie est le choix logique pour la caractérisation avancée de ses pièces critiques et a reconnu qu'il n'y a pas d'autres innovateurs de solutions de métrologie qui approchent le niveau d'expérience et de compréhension de Zygo.

Cambridge Technology et l'interférométrie laser de Zygo

Cambridge Technology utilise l'interférométrie laser pour mesurer la forme de surface de presque chaque miroir en béryllium de précision qu'il fabrique, et à divers stades du cycle de vie de production pour une compréhension claire des caractéristiques de performance.

La solution originale d'interférométrie laser de l'entreprise était considérée comme déficiente dans deux domaines clés. Premièrement, elle était sujette aux vibrations environnementales, et deuxièmement les données de mesure étaient stockées comme fichiers texte individuels (ou rapports texte) ce qui signifiait qu'il était extrêmement difficile à analyser.

Chaque miroir unique dans la gamme Cambridge Technology nécessitait une application différente qui à son tour nécessitait une configuration spécifique de l'interféromètre laser.

Cela rendait la métrologie intensive en opérateur, et exigeait des techniciens de charger manuellement différents masques pour chaque type de miroir et pour chaque mesure effectuée, parfois trois fois par miroir.

Pour surmonter ces déficiences, l'entreprise avait besoin d'une solution de métrologie qui favoriserait l'automatisation du processus et soulagerait la pression de charge de travail manuelle tout en minimisant la sensibilité aux vibrations environnementales qui avaient conduit à certains miroirs nécessitant une re-mesure.

La solution choisie a été de remplacer les interféromètres laser existants par des instruments de génération actuelle fonctionnant sur le logiciel Mx de Zygo, ce qui a immédiatement permis à l'entreprise de réaliser des améliorations dans les temps de traitement et une réduction des erreurs d'opérateur.

Greg Salter, Ingénieur Qualité chez Cambridge Technology continue, « La réduction des temps de traitement vient comme résultat de notre capacité à personnaliser Mx en utilisant du scripting.

« Les temps de traitement réduits pour les pièces avec masques multiples (ouvertures) ont été une amélioration massive, avec la suppression de la nécessité pour les opérateurs de devoir charger manuellement chaque masque, ou de devoir sélectionner différentes parties d'un masque pour ré-analyser différentes ouvertures d'un miroir. »

En utilisant le logiciel Mx de Zygo et des scripts Python, Cambridge Technology a maintenant une base de données de toutes ses pièces, avec tolérances, paramètres et masques correspondants qui est facilement sélectionnable par l'opérateur.

Les tolérances peuvent être ajustées à distance dans une base de données centralisée par l'ingénieur de production sans perturber le flux de travail de production.

Salter dit : « MX charge les masques et tolérances corrects pour chaque pièce automatiquement en sélectionnant le numéro de pièce dans un menu déroulant.

« Le logiciel d'interféromètre laser Zygo peut maintenant charger et échanger automatiquement différents masques pendant la mesure sans entrée d'opérateur, ce qui signifie que la mesure est plus rapide, le débit de miroirs est augmenté, et les erreurs d'opérateur ont été réduites.

« Les données de planéité sortent automatiquement vers une base de données pour analyse facile et surveillance de chaque stade de fabrication (SPC, etc.).

« Cela nous a déjà permis d'utiliser des limites de contrôle à divers stades de fabrication pour s'assurer que les miroirs seront conformes à la fin du processus de fabrication.

« Alors que nous améliorons continuellement nos méthodes de fabrication, l'analyse que ce système fournit nous permettra de réduire progressivement combien de miroirs nous inspectons par lot de miroirs, tout en fournissant encore la conformité de planéité. »

Salter continue : « Si un miroir n'est pas approprié pour l'application pour laquelle il était destiné, Mx peut vérifier des types de miroirs similaires et conseiller si nous pouvons utiliser ce miroir pour une application alternative, réduisant ainsi la ferraille.

« Notre société mère à Bedford, MA, USA utilise aussi notre base de données pour contrôler leurs interféromètres Zygo, elle est mise à jour instantanément sur les deux sites simultanément, ce qui a une fois pour toutes éliminé les divergences entre nos méthodes de mesure.

« Notre société mère stocke aussi les données de mesure donc nous pouvons surveiller la performance du miroir au fur et à mesure qu'il progresse dans la fabrication.

« Tout cela est réalisé en utilisant la capacité de Mx à nous permettre de personnaliser comment il fonctionne en utilisant des scripts Python pour s'adapter à nos méthodes requises. »

Il était vital que toute solution logicielle choisie par Cambridge Technology puisse être déployée sur plusieurs instruments à travers des installations de fabrication dans plusieurs lieux pour supporter une opération de fabrication 24/7.

Minimiser la quantité de temps d'arrêt et les niveaux de formation d'opérateur étaient impératifs, et cela a été réalisé grâce à un bon partenariat entre Zygo et Cambridge Technology.

Salter explique. « Nous avons trouvé MX être une solution simple, efficace et supportable qui minimisait l'impact sur les ressources et la capacité dans l'environnement de fabrication.

La conception intuitive de Mx et sa simplicité globale étaient hugely importantes, tout comme l'aide et l'assistance de Lambda Photometrics et Zygo avec nos problèmes et exigences particuliers quand il s'agissait de problèmes que nous ne savions pas comment surmonter, surtout avec les scripts Python.

Lambda et Zygo ont fourni une compréhension de comment atteindre certains objectifs en utilisant Python (incluant l'envoi d'exemples de code), et en nous fournissant un moyen d'utiliser un catalogue de masques Mx existants sur le nouvel interféromètre. »

Créer un environnement logiciel d'application « set-and-forget »

L'utilisation de la fonction de scripting dans le logiciel Mx de Zygo a permis à Cambridge Technology de créer une application pilotée par recette « set-and-forget ».

Salter dit : « Cela a été réalisé en utilisant une base de données que nous avons conçue et construite pour fonctionner dans Mx, contenant tous les paramètres requis pour permettre la mesure de n'importe quel miroir. Ceux-ci incluent noms de masques, nombre de masques et tolérances de planéité.

« Tout ce que l'opérateur a à faire est de sélectionner un numéro de pièce dans une liste (ou scanner un code-barres sur notre datapack de fabrication) et Mx applique les paramètres prédéterminés pour cette prescription de miroir particulière, enregistre son numéro de série, acquiert et analyse les données et informe l'opérateur si c'est un pass ou un fail en termes simples. »

« Avec les instruments de métrologie basés sur Mx de Zygo, notre contrôle de configuration est beaucoup plus efficace et nous avons maintenant la capacité de nous lancer dans une méthodologie de contrôle de processus statistique pour surveiller nos opérations.

« Les solutions de Zygo nous ont aidés à faire monter nos rendements miroirs à 99 pour cent avec une excellente corrélation entre nos deux sites. »

Éliminer les goulets d'étranglement

En utilisant le logiciel de métrologie Mx de ZYGO, Cambridge Technology a maintenant mis à niveau les capacités de ses interféromètres, réalisant des économies significatives.

Cela a conduit l'entreprise à pouvoir réaliser des économies de coûts en éliminant les goulets d'étranglement en production et contrôle qualité, et à son tour a fourni une meilleure utilisation des ressources de personnel et une amélioration globale des efficacités de fabrication.