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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Bearbeitung von Werkstücken
mit gekrümmten
Oberflächen,
insbesondere zum Polieren, Feinschleifen oder Läppen optischer Funktionsflächen wie
Linsen, Spiegeln und anderer hochgenauer optischer und mechanischer
Funktionsflächen.
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An die Oberflächengüten und Oberflächengenauigkeiten
optischer Bauelemente wie Linsen oder Spiegel, werden zunehmend
höhere
Anforderungen gestellt. Dies betrifft auch die lithographischen
Prozesse in der Halbleiterindustrie, welche mit immer feineren Strukturen
ausgebildet werden sollen. Diese Anforderungen werden auch an andere Abbildungsoptiken,
wie an optische Messgeräte
und spezielle Kameras, gestellt, wobei diese erhöhten Oberflächengüten und Oberflächengenauigkeiten auch
an hochgenauen mechanischen Funktionsflächen, zum Beispiel Dichtflächen oder
auch Flächen im
Formenbau, beispielsweise von Flächen
an Presswerkzeugen oder Spritz-Gieß-Werkzeugen für optische
Bauelemente, gefordert werden.
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Die bekannten Fertigungsverfahren
und die dazugehörigen
Einrichtungen/Vorrichtungen arbeiten weitestgehend nach dem Prinzip
der mehrkomponentigen Relativbewegung zwischen dem formübertragenden
Werkzeug und dem Werkstück.
Beim Läppen
wird mit festen Werkzeugen und einer Läpp-Suspension ein loses Abrasivmittel,
welches in einer Flüssigkeit
verteilt ist, gearbeitet, während
im Gegensatz dazu das Feinschleifen dadurch charakterisiert ist,
dass Werkzeuge mit gebundenem Abrasivmittel angewendet werden und
nur eine Flüssigkeit
zur Kühlung
und Schmierung zugeführt
wird. Für
das Polieren sind elastische bzw. viskoelastische Poliermittelträger und
Suspensionen mit sehr feinkörnigen
Abrasivmitteln charakteristisch, deren abtrennende/glättende Wirkung
zum Teil durch chemische Effekte unterstützt wird, allgemein unter dem
Begriff chemo-mechanisches Polieren bekannt.
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Das Polieren von Werkstücken mit
gekrümmten
Oberflächen,
beispielsweise von Linsen, erfolgt derzeit auf Poliermaschinen mit
mindestens zwei sich gegenüberstehenden,
unabhängig
voneinander rotorisch angetriebenen Spindeln. An einer dieser Spindeln
ist die zu polierende Linse befestigt, während die andere Spindel das
Formwerkzeug trägt. Üblicherweise
sind die Spindeln senkrecht übereinander
angeordnet, wobei die eine eine vertikale Rotationsachse aufweist,
während
die andere schräggestellt
werden kann. Durch diese Schrägstellung
der einen Spindel werden die zum Polieren benötigten Relativgeschwindigkeiten
zwischen dem Formwerkzeug und dem Werkstück, der Linse, erzeugt. Beim
Polieren wird die Poliermaschine so eingerichtet, dass sich die
Spindelachsen im Radienmittelpunkt der zu bearbeitenden Linsenoberflächen schneiden,
wobei das Werkzeug und das Werkstück miteinander so in Verbindung
gebracht werden, dass diese während
des Poliervorganges mit einem genau festgelegten Arbeitsdruck gegeneinander
gepresst werden. Sie rotieren gleichsinnig und mit ähnlicher Drehzahl,
wobei sie von den beiden Spindeln angetrieben werden. Der Poliervorgang
läuft dann
unter Zugabe von Poliersuspension ab, die aufgrund ihrer Zusammensetzung
für den
erwünschten
Materialabtrag sorgt und gleichzeitig als Kühlflüssigkeit dient.
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Die Nachteile dieser bekannten Verfahren und
Vorrichtungen bestehen darin, dass infolge von Prozessschwankungen
Fehler in den zu bearbeitenden Oberflächen entstehen. Ursachen solcher
Fehler sind neben Verschleißerscheinungen,
Schwankungen von Materialeigenschaften, Ungleichmäßigkeiten
bei der Verteilung der Poliersuspension, vor allem thermische Effekte.
Diese führen
entweder zu Positionierfehlern zwischen Werkstück und Werkzeug, vor allem
aber zu aus der Temperaturverteilung bedingten Deformationen der
Kontur des Werkstückhalters, des
Werkstückes
und des Werkzeuges. Daraus resultieren, vor allem durch ungleichförmigen Abtrag, Qualitätsminderungen,
welche zu Nacharbeiten, teilweise auch zum Ausschuss des zu bearbeitenden Werkstückes führen.
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Aus dem Stand der Technik sind Werkzeuge zum
Läppen
und Polieren bekannt geworden, so wird mit der
DE 44 07 148 C2 ein Läpp- und
Polierwerkzeug vorgeschlagen, bei der zur Erzeugung der Form und/oder
der Korrektur der Form einer Werkzeugwirkfläche Mittel zur definierten
Verspannung dieser Werkzeugwirkfläche vorgesehen sind, die zur
feinfühligen
Formkorrektur des zugehörigen
Werkzeugkörpers
führen.
Dies soll derart erreicht werden, dass im Werkzeug als Mittel zur
Verspannung ein piezoelektrisches Stellglied zentrisch angeordnet
ist, welches gegenüber
dem Werkzeuggrundkörper
durch Lager derart gelagert ist, dass es von der Drehbewegung des
Werkzeuges entkoppelt ist und ferner mit nach außen führenden elektrischen Anschlussdrähten versehen
ist und durch Spannungsänderungen an
den Anschlussdrähten
derart steuerbar sein soll, dass seine Längenänderungen auf den Werkzeuggrundkörper weiterleitbar
sind.
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Diese Lösung ist allerdings mit erheblichen Nachteilen
behaftet. Zum einen führt
die Entkopplung von rotierendem Werkzeug und stehendem Stellglied über ein
axiales Lager zu Ungenauigkeiten bei der Überarbeitung des Stellweges,
die aus Lagerspiel, Reibkräften
und Rundlauffehlern resultieren. Anderseits ist maschinenseitig
eine nicht rotierende Arretiermöglichkeit
sowie eine axial durchgängige Öffnung zur
Durchführung
der Kabel vorzusehen, was eine spezielle Maschinenkonstruktion erfordert
und an den vorhandenen Maschinen kaum mit vertretbarem Aufwand nachgerüstet werden
kann. Zusätzlich ergeben
sich Einschränkungen
der Möglichkeit
der Zufuhr der Poliersuspension durch die hohle Spindel. Außerdem ist
durch die sehr lange Übertragung
des Stellsignals ein starker Einfluss thermischer Verformungen zu
erwarten. Ein weiterer Nachteil der vorgestellten Lösung besteht
in der Verbindung von Aufnahmeteil und Werkzeuggrundkörper. Im
Bereich von Verschraubungen und anderen Kontaktstellen auftretende
Reibungs- und Hystereseeffekte können
die erforderlichen Positioniergenauigkeiten nachteilig beeinflussen.
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Um die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsvorganges
beim Polieren von Linsen zu steigern und dabei gleichzeitig die
Genauigkeit der optisch aktiven Oberflächen der erzeugten Linsen zu
steigern, wurde mit der
DE
101 06 007 A1 eine Lösung
bekannt, die sich auf eine Poliermaschine bezieht, bei der ein variables
Formwerkzeug benutzt wird. Dieses variable Formwerkzeug wird vor
dem eigentlichen Poliervorgang mit seiner nachgiebigen Arbeitsfläche mit
der zu bearbeitenden Linse in festen Kontakt gebracht, wobei die
Arbeitsfläche
die Kontur der Linse als Negativabdruck annimmt. Dieser Negativabdruck
wird anschließend
fixiert, wodurch die Arbeitsfläche
des Formwerkzeuges für
den Poliervorgang benötigte Form
während
des Polierens beibehält.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist,
dass der einmal vom Werkstück
abgenommene Abdruck für die
Bearbeitungsvorgänge
von Bedeutung ist, Nachregelungen, um Unebenheiten oder andere Fehler
zu beseitigen, sind nicht möglich,
was zu Nacharbeiten führt
und teilweise auch zum Ausschuss der behandelten Werkstücke.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit
gekrümmten
Oberflächen
zu entwickeln, dessen Werkzeugoberfläche verformbar ausführbar ist
und mit dem die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend
beseitigt werden.
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Ausgehend von den eingangs beschriebenen
Maschinen und Vorrichtungen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst,
weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So wurde gemäß der Erfindung eine Vorrichtung
zur Bearbeitung von Werkstücken
mit gekrümmten
Oberflächen
geschaffen, deren Werkzeug so ausgebildet ist, dass durch präzises Verstellen
der Form der Werkzeugoberfläche
aus Prozessschwankungen resultierender Ungenauigkeiten, hervorgerufen
durch Verschleiß,
Temperatureinflüsse
und Schwankungen von Materialeigenschaften, diese durch gezielte
Verstellung und Herausbildung der Form der Werkzeugoberfläche ausgeglichen
werden.
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Dabei ist erfindungswesentlich, dass
die Oberfläche
des Werkzeuges als eine aktiv deformierbare und verformbare Werkzeugmembran
gestaltet ist, wobei das Verstellen der Werkzeugoberfläche der Werkzeugmembran
mittels aufgebrachtem Unterdruck oder Überdruck oder durch punktförmig oder flächig angreifende
Stellelemente, die auf die Rückseite
der Werkzeugoberfläche
einwirken, bewirkt wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch
realisiert, dass rückseitig
der Werkzeugoberfläche
in dem Werkzeug eine Druckkammer vorgesehen ist, welche pneumatisch
oder hydraulisch mit Unterdruck oder Überdruck beaufschlagbar ist,
wobei gleichfalls zur Erfindung gehört, dass alternativ zur Verstellung
bzw. Herausbildung der gewünschten
Oberflächenstruktur der
Werkzeugmembran mittels Unterdruck oder Überdruck, die aktiv deformierbare
Herausbildung der Werkzeugoberfläche über vorgesehene
Stellelemente, einzeln oder in Mehrfachanordnung auf die Rückseite
der Werkzeugoberfläche
wirkend, erfolgt und bewirkt wird.
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Es ist auch erfinderisch, dass die
verformbare Werkzeugmembran über
Feststoffgelenke mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden ist, somit eine spiel-
und hysteresefreie Führung
sowie Lagerung und somit eine hohe Stellgenauigkeit gewährleistet sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, die
elastisch verformbare membranartige Struktur der Werkzeugoberfläche, die
Werkzeugmembran durch vorab durchgeführte FEM-Berechnungen in ihrem
Querschnitt so auszulegen, dass sich ganz bestimmte vorher festgelegte
Formän derungen
einstellen, die der Endstruktur des Werkstückes entsprechen. Zur Herausbildung
der Oberfläche
der Werkzeugmembran ist es möglich,
dass ihr Dickenverlauf so festgelegt wird, dass bei Änderung
des Druckes in der Druckkammer des Werkzeuges oder bei Änderung
des Weges der vorgesehenen Stellelemente stets eine sphärische Oberfläche des
Werkzeuges erhalten bleibt, wobei lediglich der Radius verändert wird,
was steuerungstechnisch einfach zu realisieren ist.
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Es gehört auch zur Erfindung, dass
die punkt- oder flächenartig
auf der Rückseite
der Werkzeugmembran angreifenden Stellelemente in Form von Piezoaktoren,
Präzisionsspindeln,
elektrostriktiven, elektrochemischen oder thermischen Aktoren ausgebildet
sind.
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Zur Erfindung gehörend und als vorteilhafte Lösung wird
vorgeschlagen, dass das geschaffene Werkzeug zur Regelung und zur
Prozesskontrolle mit einer Sensorik auszubilden, mittels der eine
Regelung der Ansteuersignale für
den Druck innerhalb der Druckkammer möglich ist und diese Ansteuersignale auch
für die
Generierung der Stellelemente genutzt werden können.
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Dabei sind direkt in der Oberfläche der
Werkzeugmembran Druckmesselemente in Form von Piezoelementen oder
Druckmessfolien integriert, mittels denen die Messung der Druckverteilung
zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfolgt. Entsprechend der
Preston-Hypothese, wonach der erreichte Abtrag proportional zum
wirkenden Polierdruck ist, lässt
sich somit gezielt das Abtragsprofil und damit die Oberflächengestalt
der zu bearbeitenden Oberfläche
des Werkstückes
beeinflussen.
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Dabei gehört es auch zur Erfindung, dass mittels
Dehnungsmessstreifen oder Abstandssensoren induktiv oder kapazitiv
die Verformung bzw. die Gestalt der Werkzeugmembran gemessen wird
und die sich daraus ergebenden Steuersignale zur Regelung genutzt
werden.
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Denkbar ist auch, dass eine In-Prozessmessung
der Werkstückform
durch äußere Messeinrichtungen,
beispielsweise über
Laser, erfolgt und die Übertragung
der Ansteuersig nale drahtlos geschieht, um den Prozess nicht durch
zusätzliche Übertragungssysteme
negativ zu beeinflussen.
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Das Vorsehen einer Sensorik ist durchaus vorteilhaft
für die
Steuerung und Regelung der Prozessführung, allerdings nicht zwingend
notwendig, da eine gezielte Deformation der Werkzeugmembran auch
ohne die beschriebene und vorgestellte Sensorik realisiert werden
kann.
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In einer alternativen Anwendung ist
die geschaffene Vorrichtung mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten
Werkzeug als ein verstellbares Abrichtwerkzeug zum Abrichten der
Arbeitsflächen
von Polier-, Feinschleif- oder Läppwerkzeugen
einsetzbar. Dies erfolgt derart, dass auf die abzurichtenden Oberflächen der
Abrichtwerkzeuge die erfindungsgemäße Vorrichtung positioniert,
angesteuert und in Betrieb gesetzt wird.
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Die Erfindung wird anhand des Polierens
von Linsen auf Hebelmaschinen mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
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1:
die Vorrichtung nach dem bekannten Stand der Technik zum Polieren
von Werkstücken
mit gekrümmten
Oberflächenformen,
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2:
die Vorrichtung mit der erfindungsgemäß geschaffenen verformbaren
Werkzeugmembran mit vorgesehener Druckkammer im Werkzeuggrundkörper,
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3:
eine weitere Ausführung
des erfindungsgemäßen Werkzeuges
mit im Werkzeuggrundkörper
vorgesehenem Stellelement,
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4:
eine prinziphafte Darstellung des Werkzeuggrundkörpers mit integrierter Sensorik.
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Den gegenwärtigen Stand der Technik zum Bearbeiten
von Werkstücken
mit gekrümmten
Oberflächen,
insbesondere des Polierens eines Werkstückes 1, stellt beispielhaft
die 1 dar. Das Werkstück 1 ist
zwischen einem konventionellen Polierwerkzeug 2 und dem
Werkstückhalter 5 vorgesehen, wobei
zum Polieren das Polierwerkzeug 2 als eine konventionelle
Polierschale ausgebildet ist, welche nach der Form der zu polierenden
Oberfläche
des Werkstückes 1,
konvex, konkav oder auch einer eben geformten Oberfläche angepasst
ist. Der Antrieb des Werkstückhalters 5 und
des Polierwerkzeuges 2 erfolgt über Wellen, die mit nicht näher dargestellten Antrieben
verbunden sind, wobei auch das in den Werkstückhalter 5 geführte Werkstück 1,
beispielsweise eine Linse, in Rotation versetzt wird. Zusätzlich führen entweder
das Werkstück 1 mit
seinem Werkstückhalter 5,
durch die Pfeile 13 veranschaulicht oder alternativ die
Polierschale 2 Schwenkbewegungen aus, um einen gleichmäßigen Poliervorgang
zu erreichen. Auf der Polierschale des Polierwerkzeuges 2 ist
ein Poliermittelträger 9 durch
Kleber oder Adhäsion
befestigt. Der Polierträger 9 wird
vor Bearbeitungsbeginn durch Werkzeuge so abgerichtet, dass die
eigentliche Werkzeugfläche
als Inverse der gewünschten
Werkstückoberfläche entstehen.
Während
des Läppens
bzw. Polierens wird das zu bearbeitende Werkstück 1 mit definiertem
Druck und unter Zufuhr eines Poliermittels oder einer Poliersuspension
gegen die Werkzeugoberfläche
gedrückt.
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Gestaltabweichungen des Werkstückes 1 im Ergebnis
eines Polierprozesses resultieren aus Abrichtfehlern, Werkzeugverschleiß, Fehlern
in der exakten Führung
und Positionierung von Werkzeugoberfläche und Werkstück 1 zueinander
sowie aus Einflüssen
unerwünschter
elastischer und thermischer Gestaltänderungen vom Polierwerkzeug 2, Werkstück 1 und/oder
den Maschinenteilen. Insgesamt gibt es eine Vielzahl von nicht oder
nicht genau determinierten und sich wechselseitig beeinflussenden
Faktoren, die das Ergebnis des Bearbeitungsvorganges beeinflussen.
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Die Bewegungs- und Prozessabläufe beim Polieren,
Feinschleifen oder auch Läppen
von Werkstücken
mit gekrümmter
Oberfläche
nach der Erfindung, laufen weitestgehend analog den technologischen
Abläufen
des Standes der Technik ab, allerdings besteht ein wesentlicher
Unterschied in der Ausgestaltung des Werkzeuges selbst, wie in der 2 gezeigt.
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Das zu bearbeitende Werkstück 1 ist
zwischen dem Werkstückhalter 5 und
dem Werkzeuggrundkörper 7 der
geschaffenen Vorrichtung gespannt, wobei der Werkzeuggrundkörper 7 in
seinem oberen Bereich mit einer verformbaren Werkzeugmembran 3 ausgebildet
ist. Die Oberfläche
der verformbaren Werkzeugmembran 3 ist der Form des zu bearbeitenden
Werkstückes 1 angepasst
und kann dabei sowohl konvex oder konkav ausgebildet sein, was immer
abhängig
sein wird von der Form des zu bearbeitenden Werkstückes 1.
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Die verformbare Werkzeugmembran 3,
als ein volumiges Bauteil ausgebildet, ist über Feststoffgelenke 4 zum
Werkzeuggrundkörper 7 befestigt, wobei
zwischen der verformbaren Werkzeugmembran 3 und dem Werkzeuggrundkörper 7 ein
Zwischenraum, in Form einer Druckkammer 6, wie in 2 gezeigt, vorgesehen ist.
Diese Druckkammer 6 ist mit einem pneumatischen oder hydraulischen
Medium befüllbar,
dies wiederum in der Art, dass je nach Bedarf ein Unterdruck oder
ein Überdruck
in der Druckkammer 6 erzeugt wird, welcher wiederum auf die
verformbare Werkzeugmembran 3 wirkt und diese an ihrer
Oberfläche
im Mikrometerbereich verformt.
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Wie gleichfalls in der 2 gezeigt, sind der Werkstückhalter 5 als
auch der Werkzeuggrundkörper 7 so
gelagert, dass diese beiden Bauteile in Rotation versetzt werden
können.
Dies erfolgt über
nicht dargestellte Wellen, die wiederum mit Antrieben verbunden
sind. Neben der rotierenden Bewegung können entweder der Werkzeughalter 5 oder
der Werkzeuggrundkörper 7 verschwenkt
werden. Gezeigt ist die Verschwenkbarkeit des Werkstückhalters 5 in
den Pfeilrichtungen 13.
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Aus der 3 ergibt sich die Ausbildung des Werkzeuggrundkörpers 7 mit
der zugeordneten verformbaren Werkzeugmembran 3, welche
gleichfalls über
Feststoffgelenke 4 zum Werkzeuggrundkörper 7 verbunden ist
und es ist gezeigt, dass auch bei dieser Ausführungsform zwischen der verformbaren
Werkzeugmembran 3 und dem Werkzeuggrundkörper 7 ein
Zwischenraum vorgesehen ist, bei dieser Ausführung nicht als Druckraum gestaltet,
sondern als ein Freiraum, in den im Werkzeuggrundkörpers 7 angeordnete
Stellelemente 8 hineinragen. Der Einfachheit halber ist
nur ein Stellelement 8 gezeigt, entsprechend den technologischen
Forderungen sind mehrere Stellelemente 8 vorsehbar, die
im Werkzeuggrundkörper 7 gelagert
sind, dies derart, dass die Stellelemente 8 in den Zwischenraum 14 hineinragen und
an der unteren Fläche
der verformbaren Werkzeugmembran 3 anliegen.
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Als Stellelemente 8 können Piezoaktoren, Präzisionsspindeln,
elektrostriktive, elektrochemische oder thermische Aktoren eingesetzt
werden, welche punkt- oder flächenartig
im Werkzeuggrundkörper 7 gelagert
sind und in dieser punkt- oder flächenartigen Anordnung auf die
verformbare Werkzeugmembran 3, bei ihrer Aktivierung, einwirken
und eine gezielt gerichtete Verformung der Werkzeugmembran 3 bewirken,
die auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes 1 Einfluss
nimmt.
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Die vorgesehenen Feststoffgelenke 4,
mittels denen die jeweilige verformbare Werkzeugmembran 3 zum
Werkzeuggrundkörper 7 verspannt
und befestigt wird, gewährleisten
eine sichere Verbindung, dies bei Ausschluss von Spiel, Hystereseeffekten
oder Reibkräften
zwischen dem Werkzeuggrundkörper 7 und
der jeweiligen verformbaren Werkzeugmembran 3.
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Die bereits oben beschriebene Anordnung einer
Sensorik zur Regelung bzw. zur Prozesskontrolle des Bearbeitungsvorganges
wird prinziphaft in der 4 gezeigt.
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Direkt in die Oberfläche oder
oberflächennah integrierte
Druckmesselemente 10, welche beispielsweise als Piezoelemente
oder Druckmessfolien ausgebildet sein können, gestatten die Messung
der Druckverteilung zwischen dem Werkzeug, der Werkzeugmembran 3 und
dem Werkstück 1,
beispielweise einer Linse. Entsprechend der Preston-Hypothese, wonach
der erreichte Abtrag proportional zum wirkenden Polierdruck ist,
lässt sich
somit gezielt das Abtragsprofil und damit die Oberflächengestalt
der zu bearbeitenden Fläche
des Werkstückes 1,
beispielsweise eine Linse, beeinflussen. Weiter ist es möglich, mittels
Dehnungsmessstreifen 12 oder Abstandsstandssensoren 11 induktiv
oder kapazitiv oder mittels Wirbelstrom die Verformung bzw. die
Gestalt der Werkzeugmembran 3 zu messen und daraus über eine
Regelung Ansteuersignale für
den notwendigen Unter- oder Überdruck
bzw. für
die Stellelemente 8 zu generieren.