DE102006043774A1

DE102006043774A1 - Production of molding inserts from glass, ceramic or glass-ceramic comprises producing preform, forming molding surface on it by addition or removal of material; and finishing it using laser beam

Info

Publication number: DE102006043774A1
Application number: DE102006043774A
Authority: DE
Inventors: Jens Prof. Dr. Bliedtner; Hartmut Dr. Müller; Kerstin Hecht
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Production of molding inserts (1) from glass, ceramic or glass-ceramic comprises: (A) producing a preform; (B) forming the molding surface (2) on it by addition or removal of material; and (C) finishing it using a laser beam.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formeinsatzes aus Glas, keramischen Werkstoffen und Glaskeramik, insbesondere aus Quarzglas, für Werkzeuge zur Produktion von Formteilen, wobei der Formeinsatz die negative Außenkontur des Formteiles aufweist. Das Verfahren schließt die Anfertigung eines Rohlings des Formeinsatzes aus einem der genannten Materialien, das Ausbilden der negativen Außenkontur durch Materialabtrag und/oder durch Materialauftrag sowie die Feinbearbeitung des Formeinsatzes mindestens im Bereich der negativen Außenkontur durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung ein.The The invention relates to a method for producing a mold insert made of glass, ceramic materials and glass ceramic, in particular made of quartz glass, for Tools for the production of molded parts, wherein the mold insert the negative outer contour of the molded part. The method includes the preparation of a blank the mold insert of one of said materials, the forming the negative outer contour by material removal and / or by material application and fine machining the mold insert at least in the negative outer contour by energy input by means of laser radiation.

Herkömmliche Formen und Formeinsätze in der kunststoffverarbeitenden Industrie bestehen vorwiegend aus metallischen Werkstoffen. Die Herstellung dieser Werkzeugteile ist zeitaufwendig und kostenintensiv, da sie kaum automatisierbar ist und viele Bearbeitungsschritte manuell erfolgen müssen. Insbesondere dann, wenn hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Kunststoffformteile gestellt werden, ist eine langwierige manuelle Politur der Formen notwendig, welche nur teilweise durch spezielle Geräte unterstützt werden kann. Um eine hochfeine Endpolitur zu erreichen, müssen Verfahrensschritte wie Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren mit immer feiner werdenden Poliermitteln erfolgen. Die typischen Polierzeiten liegen dabei bei etwa 30 min/cm² und es sind Rautiefen von Ra < 0,01 μm erreichbar. Der Nachteil der maschinellen Polierverfahren besteht darin, dass komplexe dreidimensionale oder sehr kleine (Mikro-)Geometrien nicht poliert werden können, weil es nicht möglich ist, den Werkzeugdurchmesser entsprechend klein zu gestalten. Weiterhin ist die Lebensdauer der metallischen Werkzeugteile durch Korrosion, Wechselwirkungen mit Kunststoffen/Formteilwerkstoffen und mechanischen Verschleiß begrenzt.Conventional molds and mold inserts in the plastics processing industry consist mainly of metallic materials. The production of these tool parts is time consuming and costly because it is hardly automated and many processing steps must be done manually. In particular, when high demands are placed on the surface quality of the plastic moldings, a lengthy manual polishing of the molds is necessary, which can only be partially supported by special equipment. In order to achieve a very fine final polish, process steps such as rough grinding, fine grinding and polishing must be carried out with increasingly fine polishing agents. The typical polishing times are about 30 min / cm ² and it can reach roughness Ra <0.01 microns. The disadvantage of machine polishing processes is that complex three-dimensional or very small (micro) geometries can not be polished because it is not possible to make the tool diameter correspondingly small. Furthermore, the life of the metallic tool parts by corrosion, interactions with plastics / molding materials and mechanical wear is limited.

Insofern besteht die Notwendigkeit, Verfahren zu entwickeln, die den Herstellungsprozess der Formen und Formeinsätze automatisieren und mit deren Hilfe diese Werkzeugteile aus Materialien hergestellt werden können, die eine wesentlich höhere Lebensdauer garantieren und gesteigerte Qualitätsanforderungen erfüllen sowie neue konstruktive Möglichkeiten zulassen.insofar There is a need to develop procedures that affect the manufacturing process forms and mold inserts automate and with their help these tool parts made of materials can be produced the much longer life guarantee and meet increased quality requirements as well new constructive possibilities allow.

Aus der DE 102 28 743 A1 ist ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung bekannt, wobei dieses Verfahren vorwiegend für das Polieren von Metalloberflächen aus Stahl oder Titan insbesondere für die Endbearbeitung von Werkzeugen und Formen im Maschinenbau einzusetzen ist. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Bearbeitungsprozess, der in eine Grob- und eine Feinstbearbeitung unterteilt werden kann. In einer ersten Bearbeitungsstufe mit entsprechenden Bearbeitungsparametern wird die zu glättende Oberfläche bis zu einer Umschmelztiefe, welche größer als die Strukturtiefe der zu glättenden Strukturen der Oberfläche und kleiner 100 μm ist, umgeschmolzen. In einer zweiten Bearbeitungsstufe mit zweiten Bearbeitungsparametern werden die verbleibenden Mikrorauhigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmelztiefe, kleiner als die erste, und durch Verdampfen der Rauheitsspitzen eingeebnet. Das Verfahren kann auch für andere Metalle und Kunststoffe angewendet werden und sollte unter Schutzgasabschirmung erfolgen.From the DE 102 28 743 A1 is a method for smoothing and polishing surfaces by machining with energetic radiation, in particular laser radiation known, this method is mainly used for polishing metal surfaces of steel or titanium in particular for the finishing of tools and molds in mechanical engineering. This method is characterized by a multi-stage machining process, which can be divided into a coarse and a Feinstbearbeitung. In a first processing stage with corresponding processing parameters, the surface to be smoothed is remelted to a remelting depth which is greater than the structure depth of the structures of the surface to be smoothed and less than 100 μm. In a second processing stage with second processing parameters, the remaining micro-roughnesses are leveled by remelting to a second remelting depth, smaller than the first, and by evaporation of the roughness peaks. The method can also be applied to other metals and plastics and should be done under protective gas shielding.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem die Oberfläche von Glas, beispielsweise BK7 mittels Laserstrahlung geglättet wird. Die Glättung erfolgt überwiegend, indem der Laserstrahl die Oberfläche des Glaskörpers spiralförmig bearbeitet. Für das Verfahren sind umfangreiche Aufbauten und Prozessabläufe erforderlich, und es werden nur ebene Flächen aber keine komplexen Geometrien bearbeitet. Ferner ist eine Vorwärmung der Glaskörper mittels Mikrowellentechnik unbedingt erforderlich. Das hat wiederum eine relativ aufwendig konstruierte, aus geeignetem Material bestehende Aufnahme der Werkstücke zur Folge. Einen weiteren Nachteil dieses Verfahrens stellt die negative Wechselwirkungsbeziehung zwischen Rauheit und Welligkeit der polierten Oberflächen dar. Es ist nicht möglich, bei gleichzeitigem Erreichen guter Oberflächenrauheit eine Wellenbildung zu reduzieren bzw. zu verhindern. Die Verfahrenscharakteristik bedingt außerdem eine ungleichmäßige Bearbeitung der Oberflächen der Glaskörper. Auch die fehlende Anwendbarkeit in industriellen Maßstäben ist für dieses Bearbeitungsverfahren nachteilig. Der Anwendungsbereich des Polierverfahrens liegt vor allem in der Optik zum Beispiel bei der Endbearbeitung von Linsen.It Furthermore, a method is known in which the surface of Glass, for example, BK7 is smoothed by means of laser radiation. The smoothing takes place predominantly, by the laser beam the surface of the vitreous spirally processed. For the process requires extensive structures and processes, and it will only be flat surfaces but no complex geometries edited. Furthermore, a preheating of vitreous absolutely necessary by means of microwave technology. That has again a relatively expensive constructed, made of suitable material Picking up the workpieces result. Another disadvantage of this method is the negative interaction relationship between roughness and waviness the polished surfaces It is not possible corrugation while achieving good surface roughness to reduce or prevent. The process characteristics conditional Furthermore an uneven processing the surfaces the vitreous. Also the lack of applicability on industrial scales is for this Processing method disadvantageous. The scope of the polishing process is mainly in optics, for example, during finishing of lenses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur effektiveren Herstellung von Formen und Formeinsätzen zu schaffen.Of the Invention is based on the object, a method for more effective Production of molds and mold inserts to create.

Erfindungsgemäß ist bei einem solchen Verfahren vorgesehen, dass

– der Rohling des Formeinsatzes angefertigt wird und durch Materialabtrag bzw. Materialauftrag eine negative Außenkontur erhält, und
– anschließend eine Feinbearbeitung der negativen Außenkontur mittels Laserstrahlung erfolgt.

According to the invention, it is provided in such a method that

- The blank of the mold insert is made and receives by material removal or material application a negative outer contour, and
- Subsequently, a fine machining of the negative outer contour by means of laser radiation.

Der Materialabtrag erfolgt vorzugsweise durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Schleifen, Fräsen, ultraschallunterstütztes Fräsen oder Ultraschallschwingläppen. Es ist ebenso möglich, Material durch Energieeintrag abzuschmelzen, wodurch die Schaffung von Außenkonturen bis in den Bereich der Mikrogeometrien möglich ist.Of the Material removal is preferably carried out by mechanical processing methods like grinding, milling, ultrasonic-assisted Milling or Ultrasonic machining. It is also possible Material by energy input melt, thereby creating of outer contours into the range of microgeometries is possible.

Der Schutzbereich der Erfindung erstreckt sich auch auf die Herstellung der Außenkontur durch Materialauftrag, der durch generative Verfahren, bevorzugt mittels Laserstrahlung, erfolgt. Dabei wird Material beispielsweise in fester oder pulvriger Form verwendet, das Schicht für Schicht auf die Oberfläche des Formeinsatzes aufgeschmolzen wird, wodurch die gewünschte negative Außenkontur entsteht.Of the The scope of the invention also extends to the manufacture the outer contour by material application, which by generative method, preferred by means of laser radiation. This material is for example used in solid or powdered form, layer by layer on the surface of the mold insert is melted, whereby the desired negative outer contour arises.

Die Feinbearbeitung erfolgt durch Energieeintrag mit kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung, wobei der Laserstrahl scannend Zeile für Zeile über die zu bearbeitende negative Außenkontur geführt wird. Der Zeilenabstand beträgt dabei bevorzugt 25 μm oder wird entsprechend der Qualitätsanforderungen, der Werkzeugansprüche und/oder der erforderlichen Oberflächensollkennwerte angepasst.The Fine machining is done by energy input with continuous or pulsed laser radiation, wherein the laser beam is scanning line for line over the to be machined negative outer contour is performed. The line spacing is preferably 25 microns or is according to the quality requirements, the tool claims and / or the required surface nominal values customized.

Für die Feinbearbeitung des Formeinsatzes wird der Laserstrahl fokussiert oder defokussiert auf die Materialoberfläche gerichtet, wodurch das Material aufgrund des Energieeintrages bis in eine Tiefe von 0,1 mm bis 0,2 mm aufgeschmolzen, aber nicht abgetragen wird. Durch die Oberflächenspannung und die mit zunehmender Temperatur der Schmelzschicht abnehmende Viskosität tritt eine Glättung der Materialoberfläche ein bevor sie erkaltet und erstarrt.For fine machining of the mold insert, the laser beam is focused or defocused on the material surface directed, causing the material due to the energy input up melted to a depth of 0.1 mm to 0.2 mm, but not worn away becomes. Due to the surface tension and the viscosity decreases with increasing temperature of the melt layer a smoothing the material surface one before she cools and freezes.

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Streckenenergie, die sich aus der Geschwindigkeit und der Leistung des Laserstrahles ergibt, so angepasst, dass sie der optischen Eindringtiefe des Laserstrahles, welche vom jeweils verwendeten Material abhängig ist, entspricht. So wird die Erwärmung des Ma terials des Formeinsatzes minimiert und die auftretenden Materialspannungen werden gering gehalten.In In a particular embodiment of the method according to the invention, the path energy, resulting from the speed and power of the laser beam adjusted to match the optical penetration depth of the laser beam, which depends on the material used, corresponds. So will the warming minimizes the Ma material of the mold insert and the material stresses occurring are kept low.

Der Schutzbereich der Erfindung erstreckt sich auch auf Ausgestaltungsvarianten, bei denen der Feinbearbeitung ein Vorwärmprozess voraus geht. Dieser kann innerhalb eines Ofenprozesses getrennt von der Feinbearbeitung oder auch in Verbindung mit der Feinbearbeitung erfolgen. Hierfür bietet sich ein Hybridverfahren an, bei dem der Formeinsatz durch eine Wärmequelle, beispielsweise eine Heizplatte, direkt im Bearbeitungsraum des Lasers vorgewärmt wird. Auch sind Verfahren denkbar, bei denen die Vorwärmung in Verbindung mit der Feinbearbeitung mit Hilfe weiterer Laserstrahlen erfolgt.Of the Scope of the invention also extends to design variants, where the finishing is preceded by a preheating process. This can be separated from the finishing process within a furnace process or also in connection with the fine machining. This is possible a hybrid method in which the mold insert is heated by a heat source, For example, a hot plate is preheated directly in the processing room of the laser. Also, methods are conceivable in which the preheating in conjunction with the Fine machining with the help of further laser beams takes place.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Laserstahl für die Feinbearbeitung so zu modifizieren, dass er in mehreren Bearbeitungsschritten zunächst die Materialoberfläche bis auf eine Temperatur nahe dem Schmelz- bzw. Transformationspunkt vorwärmt und anschließend mit veränderten Parametern die Materialoberfläche aufschmilzt, sodass beim Erstarren dieser die Oberflächenglättung eintritt. Die Vorwärmung kann auch durch einen Flammenprozess vor der Feinbearbeitung erfolgen.Farther it is possible, the laser steel for to modify the finishing so that it can be processed in several steps first the material surface to a temperature near the melting or transformation point preheats and subsequently with changed Parameters the material surface melts, so when solidifying this surface smoothing occurs. The preheating can also be done by a flame process before finishing.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Feinbearbeitung durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung in mehreren Schritten möglich, wobei in jedem Schritt die Laserstrahlung Zeile für Zeile über den zu bearbeitenden Bereich geführt wird und die Parameter der Laserstrahlung insbesondere im Hinblick auf Leistung und Vorschubgeschwindigkeit von Schritt zu Schritt verändert werden. Die Streckenenergie des Lasers wird dabei so angepasst, dass in einem ersten Bearbeitungsschritt grobe Unebenheiten geglättet werden und in einem zweiten Schritt mit verminderter Streckenenergie verbleibende feinere Unebenheiten beseitigt werden.in the The scope of the invention is also a fine machining by energy input using laser radiation in several steps, with each step the laser radiation line for Line over guided the area to be processed is and the parameters of the laser radiation in particular with regard to on performance and feed rate from step to step changed become. The path energy of the laser is adjusted that in a first processing step rough bumps are smoothed and remaining in a second step with reduced energy trace remaining finer bumps are eliminated.

Im Anschluss an die Feinbearbeitung des Formeinsatzes kann sich erfindungsgemäß ein Temperierungsprozess anschließen, bei dem der Formeinsatz einer, seinem Material und den durch die Bearbeitung hervorgerufenen Spannungen angepassten Temperatur-Zeit-Steuerung unterworfen wird. Diese Temperierung kann bevorzugt mittels Laserstrahlung gleich im Anschluss und gegebenenfalls mit dem bis dahin verwendetem Laserstrahl oder mit einem weiteren Laserstrahl erfolgen. Es ist auch möglich, den Temperierungsprozess in einem Ofen mit entsprechender Temperatur-Zeit-Steuerung ablaufen zu lassen.in the Connection to the fine machining of the mold insert can according to the invention a tempering process connect, in which the mold insert one, its material and by the Processing induced voltages adapted temperature-time control is subjected. This temperature control can preferably by means of laser radiation immediately afterwards and if necessary with the one used until then Laser beam or done with another laser beam. It is also possible, the tempering process in a furnace with appropriate temperature-time control to expire.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Prozesssteuerung der Feinbearbeitung des Formeinsatzes. Diese Steuerung kann temperaturgeregelt erfolgen, indem die Oberfläche des Materials während der Bearbeitung beispielsweise durch Temperatursensoren überwacht wird und die Prozessparameter nach Auswertung der Messergebnisse fortlaufend dem Bearbeitungszustand angepasst werden, sodass die gewünschte Oberfläche entsteht. Die Steuerung kann gleichfalls geometrisch optisch erfolgen, wobei die fertig bearbeiteten Oberflächenbereiche noch während der Feinbearbeitung durch optische Sensoren vermessen und analysiert werden und die Prozessparameter entsprechend der Messergebnisse kontinuierlich so angepasst werden, dass die gewünschte Oberfläche entsteht.Farther The invention relates to the use of process control the fine machining of the mold insert. This control can be temperature controlled done by the surface of the Material during the processing monitored for example by temperature sensors and the process parameters after evaluation of the measurement results be continuously adapted to the state of editing, so that the desired Surface arises. The control can also be done geometrically optically, wherein the finished surface areas while still Fine machining can be measured and analyzed by optical sensors and the process parameters continuously according to the measurement results be adjusted so that the desired surface is created.

Um die gewünschten Bearbeitungsergebnisse in jedem der beschriebenen Verfahrensvarianten zu erzielen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei unsymmetrischer Intensitätsverteilung innerhalb des Laserfokus das Laserstrahlprofil der jeweiligen Bearbeitungsrichtung angepasst wird.Around the desired Processing results in each of the described variants of the method achieve is provided according to the invention, that with asymmetrical intensity distribution within the Laser focus the laser beam profile of the respective machining direction is adjusted.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Formeinsätze, die aus mehreren vorgefertigten und feinbearbeiteten Formeinsatzteilen zusammengefügt werden.The The invention further relates to mold inserts consisting of a plurality of prefabricated and fine-machined mold inserts are joined together.

Erfindungsgemäß besteht ferner die Möglichkeit, die Formeinsätze in einem Beschichtungsverfahren mit einer Funktions- oder Schutzschicht zu versehen. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus metallischen oder keramischen Werkstoffen. Die Beschichtung kann in herkömmlichen Verfahren oder mittels Laserstrahlung erfolgen.According to the invention furthermore the possibility the mold inserts in a coating process with a functional or protective layer to provide. This layer is preferably made of metallic or ceramic materials. The coating can be in conventional Procedure or by means of laser radiation.

Die Erfindung betrifft die Verwendung von nach den vorgenannten Verfahrensschritten hergestellten Formeinsätzen zum Spritzen, Gießen, Pressen oder Prägen von Formteilen aus Kunststoffen, insbesondere von optischen Elementen und von Mikrosystembauteilen. Dabei können diese Formeinsätze die gesamte Negativform oder einen Teilbereich des zu erstellenden Kunststoffobjektes darstellen. Das hat den Vorteil der Funktionsintegration innerhalb des Werkzeuges für die Herstellung der Kunststoffteile. So können Formteile in einem Arbeitsschritt entstehen, die auf bestimmten Oberflächenbereichen Geometrien, Strukturen oder Oberflächen ausweisen, welche durch die Abformung des Bereiches des Formeinsatzes entstanden sind. Diese Oberflächenelemente sind bevorzugt solche, die sich auf herkömmliche Weise nur schlecht oder gar nicht herstellen lassen bzw. für die zusätzliche nachträgliche Bearbeitungsschritte notwendig sind.The The invention relates to the use of after the aforementioned process steps produced mold inserts for spraying, casting, Pressing or embossing of moldings made of plastics, in particular of optical elements and microsystem components. These mold inserts can entire negative mold or a portion of the plastic object to be created represent. This has the advantage of functional integration within of the tool for the production of plastic parts. This allows moldings in one step arise on certain surface areas geometries, structures or surfaces identify, which by the impression of the area of the mold insert have arisen. These surfels are preferably those which are poor in a conventional manner or can not be produced at all or for the additional subsequent processing steps necessary.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörige Zeichnungen zeigtThe Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the associated Drawings shows

1 einen Formeinsatz als Rohling, in welchen eine nutenförmige, hinterschnittene Geometrie eingebracht ist, 1 a mold insert as a blank, in which a groove-shaped, undercut geometry is introduced,

2 einen Querschnitt durch den Formeinsatzrohling aus 1, der unter einer Strahlungsquelle angeordnet ist, 2 a cross section through the mold insert blank 1 which is arranged under a radiation source,

3 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt des in Bearbeitung befindlichen Formeinsatzes mit einer teilweise aufgeschmolzenen Oberfläche, 3 a detail of the cross section of the mold insert being processed with a partially melted surface,

4 den Ausschnitt aus 3 mit einer Sublimatschicht, 4 the cutout 3 with a sublimate layer,

5 den Formeinsatz nach der Bearbeitung in einer Spritzgussform, 5 the mold insert after machining in an injection mold,

6 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt durch die Spritzgussform aus 5, 6 a section of the cross section through the injection mold 5 .

7 eine Anordnung von Formeinsatz, Strahlquelle, Lasersteuerung und Sensor zur Prozessteuerung, 7 an arrangement of mold insert, beam source, laser control and sensor for process control,

8 Anordnungsmöglichkeiten mehrerer Laserstrahlen zur Feinbearbeitung, Vorwärmung und Temperierung, 8th Arrangement of several laser beams for fine machining, preheating and temperature control,

9 die Anpassung des Querschnitts des Laserfokus an die jeweilige Scanrichtung, 9 the adaptation of the cross section of the laser focus to the respective scanning direction,

10 die Vorwärmung des Formeinsatzes während der Bearbeitung mittels einer zusätzlichen Wärmequelle. 10 the preheating of the mold insert during processing by means of an additional heat source.

1 zeigt einen Formeinsatz 1 als Rohling aus Quarzglas mit einer quaderförmigen Geometrie und ebenen Oberflächen. In diesen wird mit Hilfe eines Schleifprozesses eine nutenförmige Kontur 2 eingebracht. 1 shows a mold insert 1 as a blank of quartz glass with a cuboid geometry and even surfaces. In these, with the help of a grinding process, a groove-shaped contour 2 brought in.

2 zeigt einen Querschnitt durch den bearbeiteten Formeinsatz 1 aus 1. Die entstandene Oberfläche der Nut wird nun mit der Energie eines fokussierten oder defokussierten Laserstrahles aus einer, über der Oberfläche des Formeinsatzes positionierten, Strahlquelle 3 beaufschlagt. Die Bearbeitung der Materialoberfläche erfolgt zeilenweise scannend. 2 shows a cross section through the processed mold insert 1 out 1 , The resulting surface of the groove is now with the energy of a focused or defocused laser beam from a, positioned over the surface of the mold insert, the beam source 3 applied. The processing of the material surface is done line by line scanning.

Im gewählten Beispiel wird die Oberfläche zunächst für den Polier- bzw. Glättungsprozess vorbereitet, indem der Laserstrahl mit den angegeben Parametern einige Zeilen weit über die zu bearbeitbetende Oberfläche geführt wird. Dadurch erfolgt eine Vorwärmung des zu glättenden Oberflächenbereiches. Anschließend wird der Laserstrahl ausgehend vom Beginn des vorbreiteten Bereiches mit den beschriebenen Parametern zeilenweise scannend über die gesamte Nutenoberfläche geführt. Dabei dringt der Laserstrahl ca. 0,1 bis 0,2 mm tief in das Material des Formeinsatzes ein und schmilzt seine Oberfläche auf.in the selected For example, the surface is first used for the polishing or smoothing process prepared by the laser beam with the specified parameters a few lines over the surface to be treated guided becomes. This results in a preheating to be smoothed Surface area. Subsequently the laser beam starts from the beginning of the vorbreiteten area with the described parameters line by line scanning over the entire groove surface guided. The laser beam penetrates approximately 0.1 to 0.2 mm deep into the material of the mold insert and melts its surface.

3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt durch den in Bearbeitung befindlichen Formeinsatz mit der augenblicklich aufgeschmolzenen Oberfläche 4. Durch die bei Flüssigkeiten üblicherweise vorhandene Oberflächenspannung und die mit steigender Materialtemperatur abnehmende Viskosität erfolgt vor der Erstarrung der verflüssigten Oberfläche eine Glättung derselben. 3 shows a section of the cross section through the mold insert being processed with the instant melted surface 4 , As a result of the surface tension which is normally present in liquids and the viscosity which decreases as the material temperature increases, the liquefied surface is solidified before solidification of the same.

4 zeigt den Querschnitt aus 3 nach dem ersten Bearbeitungszyklus durch den Laserstrahl. Im gewählten Beispiel ist die Energie des Laserstrahles so hoch, dass beim Aufschmelzen des Materials an der Oberfläche des Formeinsatzes auch geringe Materialmengen sublimiert werden. Dieses Material liegt nun als dünne Schicht 5 auf der bearbeiteten Oberfläche. Zur Beseitigung dieser Schicht und zusätzlich zur Endbearbeitung wird der Laserstrahl ein zweites Mal über die Nutoberfläche geführt. Dabei wird die Strahlgeschwindigkeit gegenüber dem ersten Bearbeitungsschritt erhöht, womit die eingebrachte Streckenenergie sinkt. 4 shows the cross section 3 after the first processing cycle by the laser beam. In the example chosen, the energy of the laser beam is so high that even small amounts of material are sublimated when the material melts on the surface of the mold insert. This material is now as a thin layer 5 on the machined surface. To remove this layer and in addition to finishing the laser beam is passed a second time on the groove surface. In this case, the jet velocity is increased compared to the first processing step, whereby the introduced path energy decreases.

Nach den beschriebenen erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorgängen kann ein Temperprozess folgen. Der Formeinsatz aus Quarzglas wird hierbei zunächst in einem Ofen bei einer Temperatur, welche Spannungsrisse verhindert, gelagert. Anschließend wird die Ofentemperatur bis unterhalb der Schmelztemperatur des Quarzglases erhöht. Diese Temperatur wird einige Zeit gehalten, damit sich der gesamte Glaskörper gleichmäßig erwärmen kann. Abschließend erfolgt eine langsame Abkühlung. Dieser Vorgang baut die bei der Bearbeitung mit dem Laserstrahl entstandenen Spannungen im Material ab und verhindert die Bildung von Rissen im Formeinsatz. Der Prozess kann modifiziert und für den jeweils verwendeten Formeinsatzwerkstoff angepasste werden.According to the described inventive ßen machining operations can follow a tempering process. The quartz glass mold insert is first stored in an oven at a temperature which prevents stress cracks. Subsequently, the furnace temperature is increased to below the melting temperature of the quartz glass. This temperature is maintained for some time, so that the entire glass body can heat evenly. Finally, a slow cooling takes place. This process reduces the stresses in the material created during processing with the laser beam and prevents the formation of cracks in the mold insert. The process can be modified and adapted for the mold insert material used in each case.

5 zeigt den fertig bearbeiteten Formeinsatz in der dafür vorgesehenen Spritzgussform 6. Diese besteht aus Aluminium in welches ein Hohlraum 7 entsprechend der Größe des Formeinsatzes eingebracht ist. Der Formeinsatz wird durch eine Hochtemperatursilikonschicht mit der Form verbunden. Das Verbinden kann auch durch mechanisches Klemmen oder andere Schraubverbindungen realisiert werden. Des Weiteren ist ein Angusskanal 8 in der Form vorhanden. 5 shows the finished mold insert in the appropriate injection mold 6 , This consists of aluminum in which a cavity 7 is introduced according to the size of the mold insert. The mold insert is connected to the mold by a high temperature silicone layer. The connection can also be realized by mechanical clamping or other screw connections. Furthermore, there is a sprue 8th present in the form.

6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt durch die Spritzgussform 6 aus 5. Deutlich ist die Verbindungsschicht 9 aus Silikon zu sehen. Diese Schicht ermöglicht die temperaturbedingte Ausdehnung des Aluminiums bei der Erwärmung durch den heißen Spritzgusskunststoff während des Gießprozesses. Die Expansion des Alu miniums führt zu einer Verengung des Hohlraumes, in welchem sich der Formeinsatz befindet. Wenn dieser Hohlraum bei Raumtemperatur genau dieselbe Größe wie der Formeinsatz hätte, wäre er nach der Expansion des Aluminiums kleiner und es würden sehr große Druckkräfte auf den Formeinsatz wirken, die ihn sogar zerstören könnten. Wäre den Hohlraum in seiner Größe so ausgelegt, dass er während des Spritzgießprozesses die Größe des Formeinsatzes aufweisen würde, so wäre dieser bei Raumtemperatur nicht gefasst und von einem umlaufenden Spalt umgeben. Der Einsatz des flexiblen Silikons erweißt sich damit als sehr vorteilhaft, da der Spalt zwischen Aluminiumform und Formeinsatz bei Raumtemperatur geschlossen ist und gleichzeitig die Ausdehnung des sich erwärmenden Aluminiums während des Spritzgießprozesses ausgeglichen wird. 6 shows a section of the cross section through the injection mold 6 out 5 , The connection layer is clear 9 Made of silicone. This layer allows the temperature-induced expansion of the aluminum during heating by the hot injection plastic during the casting process. The expansion of the aluminum leads to a narrowing of the cavity in which the mold insert is located. If this cavity were exactly the same size at room temperature as the mold insert, it would be smaller after the expansion of the aluminum and very large compressive forces would act on the mold insert, which could even destroy it. If the cavity were designed in size so that it would have the size of the mold insert during the injection molding process, it would not be captured at room temperature and surrounded by a circumferential gap. The use of the flexible silicone proves to be very advantageous because the gap between the aluminum mold and mold insert is closed at room temperature and at the same time the expansion of the heating aluminum is compensated during the injection molding process.

Für den Polier- bzw. Glättungsprozess kann beispielsweise ein CO₂-Laser im cw-Betrieb mit Planfeldoptik verwendet werden, wobei die zu bearbeitende Oberfläche 50 mm außerhalb des Strahlfokus liegt.For the polishing or smoothing process, for example, a CO ₂ laser can be used in CW operation with a plan field optics, wherein the surface to be machined is 50 mm outside the beam focus.

Für den ersten Bearbeitungsschritt mittels Laserstrahlung kann die Laserleitung 548 W betragen und der Strahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/s, in Zeilen mit einem Abstand von je 25 μm über die Oberfläche des Formeinsatzes geführt werden.For the first Processing step by means of laser radiation, the laser line 548 W and the beam at a feed rate of 500 mm / s, in lines of 25 μm each over the surface led the mold insert become.

Bei Bedarf kann die eventuell auf der bearbeiteten Fläche verbleibende Sublimatschicht in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit entfernt werden.at Need can possibly remain on the machined surface Sublimate layer in a second processing step with a higher feed rate be removed.

Im Rahmen des Ofenprozesses zum Abbau der Materialspannungen des Formeinsatzes kann der Quarzglaskörper zunächst 2h bei 400°C warm gehalten werden, um anschließend 2h lang bis auf 1050°C erwärmt zu werden. Diese Temperatur wird 0,5h gehalten und anschließend erfolgt eine langsame Abkühlung des Formeinsatzes über mehrere Stunden. Es ist möglich, diesen Prozess anzupassen bzw. zu modifizieren und ihn auf wenige Stunden zu verkürzen.in the Frame of the furnace process to reduce the material stresses of the mold insert can the quartz glass body first 2h at 400 ° C be kept warm, then to be heated for 2h up to 1050 ° C. This temperature is maintained for 0.5h and then followed by a slow Cooling of the mold insert several hours. It is possible, adapt or modify this process and reduce it to a few Shorten hours.

Die Temperatur der Spritzgussmasse, welche die Erwärmung und damit die Ausdehnung der Aluminiumform bewirkt, kann 265°C und mehr betragen. Sie ist vom verwendeten Kunststoff bzw. seiner Verarbeitungstemperatur abhängig.The Temperature of the injection molding compound, which is the heating and thus the expansion The aluminum mold can be 265 ° C and more. she is depending on the plastic used or its processing temperature.

Neben dem bisher beschriebenen betreffen weitere Anwendungsbeispiele die Verwendung von Formen und Formeinsätzen aus Glas, keramischen Werkstoffen und Glaske ramik in welche wesentlich komplexere Geometrien wie beispielsweise Gitterstrukturen oder Freiformflächen eingebracht werden, welche herkömmlich nur schwer oder gar nicht poliert bzw. geglättet werden können. Hier stellt die Feinbearbeitung mittels Laserstrahlung, wie in der Erfindung beschrieben, eine einfache, kostengünstige und flexiblere Alternative dar.Next the previously described relate to other examples of application Use of molds and mold inserts made of glass, ceramic materials and Glaske ramik in which much more complex geometries such as Grid structures or free-form surfaces which are conventional difficult or impossible to polish or smooth. Here provides the fine machining by means of laser radiation, as described in the invention, a simple, inexpensive and more flexible alternative.

Weitere Anwendungsbeispiele betreffen die Verwendung einer Prozesssteuerung mittels Prozessüberwachung wie in 7 dargestellt. Der Zustand der Oberfläche des Formeinsatzes 1, hier versehen mit einer Gitterstruktur 10, wird mit Hilfe eines beispielsweise optischen Sensors 11 überwacht. Der Sensor 11 ermittelt die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Oberfläche und übermittelt diese Daten an eine Auswerte-/Steu-ereinheit 12, welche dann die Prozessparameter so regelt und an die Lasersteuerung 13 übermittelt, dass die Strahlquelle 3 einen Strahl aussendet, der die Entstehung einer Oberfläche ermöglicht, welche die an sie gestellten Anforderungen erfüllt.Further application examples concern the use of a process control by means of process monitoring as in 7 shown. The condition of the surface of the mold insert 1 , here provided with a grid structure 10 , is using an example optical sensor 11 supervised. The sensor 11 Determines the surface condition of the processed surface and transmits this data to an evaluation / control unit 12 which then regulates the process parameters and to the laser control 13 transmitted that the beam source 3 emits a beam that allows the formation of a surface that meets the requirements placed on it.

Es sind andere Anwendungsbeispiele nach 8 möglich, bei denen mit einem Zwei- oder Mehrstrahlverfahren gearbeitet wird. Die Anwendung reicht von der Verwendung eines ersten Laserstrahles 14 zum Vorwärmen der zu bearbeitenden Oberfläche des Formeinsatzes 1 und eines zweiten Laserstrahles 15 zur Feinbearbeitung der Oberfläche bis hin zum Einsatz eines dritten Laserstrahles 16 der zur Temperung der bereits bearbeiteten Oberflächenbereiche genutzt wird. Dieser dritte Strahl ermöglicht dann den Verzicht auf den im ersten Anwendungsbeispiel beschriebenen Temperprozess. Die Laserstrahlen können dabei entweder kollinear oder unter beliebigen Winkeln zueinander ausgerichtet sein.There are other examples of application 8th possible, where working with a two- or multi-jet process. The application ranges from the use of a first laser beam 14 for preheating the surface of the mold insert to be machined 1 and a second laser beam 15 for fine machining of the surface up to the use of a third laser beam 16 which is used for tempering the already processed surface areas. This third jet then makes it possible to dispense with the annealing process described in the first application example. The laser beams can be either collinear or aligned at any angle to each other.

9 zeigt eine auf die Oberfläche des Formeinsatzes 1 aufgebrachte Geometrie 17, bei welcher der Laserstrahl zur Feinbearbeitung in einer gekrümmten Bahn geführt werden muss. Dafür ist, bei unsymmetrischer Leistungsverteilung innerhalb des Strahlfokus 18, eine kontinuierliche Anpassung des Laserstrahlprofiles an die aktuelle Bearbeitungsrichtung erforderlich. 9 shows one on the surface of the mold insert 1 applied geometry 17 in which the laser beam must be guided for fine machining in a curved path. This is, with asymmetrical power distribution within the beam focus 18 , a continuous adjustment of the laser beam profile to the current machining direction required.

10 zeigt eine Möglichkeit der Vorwärmung des Formeinsatzes 1 während der Feinbearbeitung mittels Laserstrahl 15 durch eine, beispielsweise elektrisch betriebene, Heizplatte 19. 10 shows a possibility of preheating the mold insert 1 during fine machining by laser beam 15 by a, for example electrically operated, heating plate 19 ,

11: Formeinsatzmold insert
22: Konturcontour
33: Strahlquellebeam source
44: Oberflächesurface
55: Schichtlayer
66: Spritzgussforminjection mold
77: Hohlraumcavity
88th: Angusskanalrunner
99: Verbindungsschichtlink layer
1010: Gitterstrukturlattice structure
1111: Sensorsensor
1212: Auswerte-/SteuereinheitEvaluation / control unit
1313: Lasersteuerunglaser control
14, 15, 1614 15, 16: Laserstrahllaser beam
1717: Geometriegeometry
1818: Strahlfokusbeam focus
1919: Heizplatteheating plate

Claims

Method for producing a mold insert ( 1 ) made of glass, ceramic materials and glass ceramic, in particular of quartz glass, for the production of molded parts, wherein the mold insert has the negative outer contour of the molded part characterized by the following method steps: a) preparation of a blank of the mold insert ( 1 b) forming the negative outer contour by material removal and / or material application, c) fine machining of the mold insert at least in the region of the negative outer contour by energy input by means of laser radiation.

Method according to claim 1, characterized in that that the material removal by grinding, milling, ultrasonic assisted milling, melting by energy input or Ultraschallschwingläppen done.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the material application by means of powder or rod material in one generative methods, in particular using laser radiation he follows.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the fine machining by energy input with continuous or pulsed laser radiation takes place, the Laser radiation scanning over guided the area to be processed becomes.

Method according to Claim 4, in which the laser beam scanning line by line guided the area to be processed is and the distance between each two lines preferably about 25 microns.

Method according to one of the preceding claims characterized characterized in that the energy input for fine machining means a laser beam is focused or defocused on the Material surface is directed, the material due to the Energy input to a depth of 0.1 mm to 0.2 mm melted and surface cooling occurs as the molten material cools.

The method of claim 6, wherein the selected path energy corresponds to the optical penetration depth of the laser beam, so that Material stresses are kept low.

Method according to one of the preceding claims, in the time before the fine machining a preheating of the mold insert takes place.

A method according to claim 8, wherein the preheating means one or more energy sources.

A method according to claim 9, characterized in that the energy input for fine machining by means of two laser beam paths takes place, - wherein a first laser beam path ( 14 ) is used for preheating the material to be melted up to a temperature close to the melting point or transformation point, and - the second laser beam path ( 15 ) heats the material above the melting point due to the energy input and melts to a predetermined depth, and - when cooling the molten material surface smoothing occurs.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the fine machining by energy input means Laser radiation is made in several steps, taking in each Step the laser radiation line by line over the area to be processed guided is and the parameters of the laser radiation in particular with regard to on performance and feed rate from step to step changed become.

A method according to claim 11, wherein - in one first step rough bumps through a laser beam with a be smoothed given energy - in one second step finer bumps through a laser beam with a lower energy compared to the first step be smoothed.

Method according to one of the preceding claims, in which the mold insert ( 1 ) is subjected to a tempering process with predetermined temperature-time control following the fine machining, preferably by means of a third laser beam ( 16 ).

Method according to one of the preceding claims, in which a process control is provided, wherein - temperature-controlled the temperature of the surface of the mold insert ( 1 ) is controlled as a function of the recorded measurement result, by adjusting the laser power and / or processing speed to a desired value, - geometrically determined the actual state of the surface and depending on the measurement result, the process parameters are adjusted so that the required surface characteristics are achieved.

Method according to one of the preceding claims, in the laser beam profile or the focus of the laser beams used adapted to the respective machining direction.

Method in which several parts of a mold insert are prefabricated and then converted into a mold insert ( 1 ) get connected.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that in a coating process metal, ceramic or other material applied as a functional layer on the mold insert becomes.

Use of mold inserts produced by the aforementioned method steps ( 1 ) for spraying, casting, pressing or embossing of molded plastic parts, in particular of optical elements and microsystem components.