DE102005043209A1 - Method and device for machining workpieces made of glass or glass ceramic - Google Patents

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Sven C. Dr.-Ing. Lange
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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken (1) aus Glas und Glaskeramik mit Werkzeugen (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide vorgestellt. Hierzu wird das Material des Werkstückes (1) zunächst durch Erwärmung lokal begrenzt entfestigt und das Werkstück (1) anschließend im entfestigten Bereich spanend bearbeitet.A method and a device for processing workpieces (1) made of glass and glass ceramic using tools (4, 5) with a geometrically defined cutting edge are presented. For this purpose, the material of the workpiece (1) is initially softened in a locally limited manner by heating and the workpiece (1) is then machined in the softened area.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus Glas oder Glaskeramik.The The invention relates to a method and a device for cutting Machining of workpieces made of glass or glass ceramic.

Organische Glaswerkstoffe und Glaskeramikwerkstoffe finden auf Grund ihrer sehr geringen thermischen Ausdehnung und guten chemischen Resistenz neben optischen Anwendungen zunehmend ihren technischen Einsatz z. B. im Bereich der Präzisionsmesstechnik, der Halbleiterindustrie, insbesondere beim anodischen Bonden von Siliziumwafern, oder der Medizintechnik, zum Beispiel als Substratträger.organic Glass materials and glass ceramic materials are based on their very low thermal expansion and good chemical resistance in addition to optical applications increasingly their technical use z. In the field of precision metrology, the semiconductor industry, especially in the anodic bonding of Silicon wafers, or medical technology, for example, as a substrate carrier.

Ein Glaswerkstoff ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im Wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt. Im Gegensatz zu kristallinen Festkörpern, bei denen eine sprunghafte Änderung physikalischer Größen im Bereich der Schmelztemperatur zu beobachten ist, erfolgt beim Glaswerkstoff ein kontinuierlicher Übergang von der Glasschmelze in den glasigen Festkörper. Glas wird in der Literatur auch als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet, wobei auf Grund der sehr hohen Viskosität bei Raumtemperatur ein Verschieben der Moleküle stark behindert wird. Daher zeigen Glaswerkstoffe im abgekühlten Zustand bei mechanischer Belastung ein spröd-brüchiges Verhalten, welchem nur eine äußerst geringe plastische Verformung vorausgeht.One Glass material is an inorganic melt product that is essentially solidified without crystallization. Unlike crystalline solids, at a sudden change physical quantities in the range the melting temperature is observed, takes place in the glass material a continuous transition from the molten glass to the glassy solid. Glass is in the literature also as undercooled liquid designated, due to the very high viscosity at room temperature a shifting of the molecules is severely hampered. Therefore show glass materials in the cooled state under mechanical stress a brittle-brittle behavior, which only an extremely small plastic one Preceding deformation.

Glaskeramik unterscheidet sich von den Werkstoffen Glas und Keramik sowohl durch seine Eigenschaften als auch durch die angewandten Herstellungsverfahren: Nach dem Verschmelzen des Gemenges definierter Zusammensetzung erfolgt die Bearbeitung durch Pressen, Blasen, Walzen oder Gießen. Die hierdurch hergestellten Formkörper weisen auch alle typischen Merkmale eines Glases auf. Im folgenden Bearbeitungsschritt werden die Halbzeuge durch eine spezifische Temperaturbehandlung in einen polykristallinen Werkstoff umgewandelt, das heißt keramisiert (siehe z. B. Scheidler, H.: Herstellung und Eigenschaften von Glaskeramik-Werkstoffen; Silicat – Journal 11, 1975). Glaskeramikwerkstoffe zeichnen sich durch ihre äußerst geringe Wärmeausdehnung aus, die bei bestimmten Glaskeramikwerkstoffen auf Grund des negativen Ausdehnungskoeffizienten der kristallinen Phase und des positiven Koeffizienten in der Glasphase weitgehend kompensiert werden.ceramic differs from the materials glass and ceramics both by its characteristics as well as by the applied manufacturing processes: After the fusion of the mixture of defined composition takes place processing by pressing, blowing, rolling or pouring. The Moldings produced thereby also have all the typical features of a glass. Hereinafter Processing step, the semi-finished products by a specific Temperature treatment converted into a polycrystalline material, this means ceramized (see, for example, Scheidler, H .: Production and Properties of glass-ceramic materials; Silicate - Journal 11, 1975). Glass ceramic materials are characterized by their extremely low thermal expansion for certain glass-ceramic materials due to the negative Expansion coefficients of the crystalline phase and the positive coefficient be largely compensated in the glass phase.

Glas und Glaskeramiken werden auf Grund ihrer geringen Wärmeausdehnung und ihrer hohen Maß- und Formstabilität für mechanisch-optische Präzisionswerkstücke, zum Beispiel metrology frames, Längennormalen in der Präzisionsmesstechnik, Spiegelabstandhalter in Lasersystemen und als Spiegelträger für Röntgenteleskope, Wettersatelliten sowie Kometensonden verwendet. Zur Gewichtsreduzierung werden häufig in diese Spiegelträger mittels zeit- und kostenintensiven Schleif- und Läpp-Operationen Leichtgewichtstrukturen, zum Beispiel Wabenstrukturen, eingearbeitet.Glass and glass ceramics are due to their low thermal expansion and their high degree of and dimensional stability for mechanical-optical precision workpieces, for Example metrology frames, length normals in precision metrology, mirror spacers in laser systems and as a mirror carrier for X-ray telescopes, weather satellites and Comet probes used. For weight loss are often in these mirror carriers by means of time-consuming and cost-intensive grinding and lapping operations Lightweight structures, for example honeycomb structures incorporated.

Für die Fertigung von Werkstücken aus Glas oder Glaskeramik werden die Bekannten Maßnahmen Urformen, Umformen und Trennen eingesetzt.For the production of workpieces made of glass or glass ceramic are the known measures Forms, forming and separating used.

Glas besitzt im Vergleich zu Stahlwerkstoffen eine geringe Dichte und weist auch bei hohen Temperaturen eine große Viskosität und Oberflächenspannung auf. Diese Eigenschaften führen beim Urformen durch Gießen zu einer geringen Fließfähigkeit und schlechten Benetzung, weshalb sich Gießverfahren bei Glaswerkstoffen lediglich zur Herstellung von Halbzeugen eignet.Glass has a low density and compared to steel materials exhibits high viscosity and surface tension even at high temperatures on. These properties lead when molding by casting to a low flowability and poor wetting, which is why casting process in glass materials only suitable for the production of semi-finished products.

Bei der Umformung von Glas sind in der Regel Temperaturen von 500°C bis 1.100°C erforderlich. Als umformende Fertigungsverfahren sind derzeit im Bereich der Optikherstellung aus Glaswerkstoffen das Blankpressen und das Präzisionsumformen von Bedeutung.at The transformation of glass usually temperatures of 500 ° C to 1,100 ° C are required. Forming manufacturing processes are currently in the field of optical production From glass materials, the pressing and the precision forming of importance.

Im Bereich der Trennverfahren wird für die Glasbearbeitung das Schleifen, Läppen sowie das Polieren eingesetzt. Die Maß- und Formgenauigkeiten optischer Glas- und Glaskeramikoberflächen werden derzeit im Wesentlichen durch schleifende bzw. läppende Bearbeitungsverfahren erzielt, denen ein spröder Abtragsmechanismus zu Grunde liegt, welcher die Bildung von Mikrorissen zur Folge hat. Das Vorschleifen er möglicht Rauhtiefen von Rt = 10 μm bis 20 μm, beim Feinschleifen sind Werte von Rt = 1 μm bis 4 μm erreichbar. Aufwändige Schleifverfahren können Bearbeitungszeiten von mehreren Stunden erfordern.In the field of separation processes, grinding, lapping and polishing are used for glass processing. The dimensional and shape accuracies of optical glass and glass ceramic surfaces are currently achieved essentially by grinding or lapping processing methods, which are based on a brittle removal mechanism, which results in the formation of microcracks. Pre-grinding allows roughness depths of R t = 10 μm to 20 μm, while fine grinding achieves values of R t = 1 μm to 4 μm. Elaborate grinding procedures may require processing times of several hours.

Das Läppen erzielt im Vergleich zum Schleifen ein geringeres Zeitspanvolumen und findet überall dort Anwendung, wo die Formgebung durch Schleifmaschinen nicht praktikabel ist. Als Beispiel seien hier astronomische Spiegel angeführt. Die Werkstückoberfläche kann mit diesem Verfahren ebenfalls bis zum Erreichen der makroskopischen Form bearbeitet werden. Durch eine Läppbearbeitung sind Rauhtiefen von Rt = 1 μm bis 3 μm realisierbar.Lapping achieves a lower chip removal rate compared to sanding, and is used wherever grinding tooling is impractical. As an example, astronomical mirrors are mentioned here. The workpiece surface can also be processed with this method until reaching the macroscopic shape. Roughness depths of R t = 1 μm to 3 μm can be achieved by lapping.

Das Polieren ermöglicht als letzte Stufe der Bearbeitung von optischen Bauteilen die Erzeugung optischer Oberflächen mit Rauhtiefen kleiner als Rt = 2 nm. Ein hierfür typisches Polieraufmaß beträgt 50 μm, welches bei Linsen Polierzeiten von bis zu 3 Stunden erfordert.Polishing allows, as a final stage of the processing of optical components, the production of optical surfaces with roughness depths smaller than R t = 2 nm. A polishing allowance typical for this is 50 μm, which requires polishing times of up to 3 hours for lenses.

Trenntechniken mit definierter Schneide, wie z. B. Drehen oder Fräsen konnten bislang auf Grund der Sprödigkeit des Materials nicht in praktikabler Weise eingesetzt werden.separation techniques with a defined cutting edge, such. B. turning or milling could so far due to the brittleness of the material can not be used in a practical way.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die das Spektrum der möglichen Bearbeitung von Glas- und Glaskeramikwerkstoffen erheblich erweitert.It Now is an object of the present invention, a method and a Device of the type mentioned above to provide the spectrum the possible Machining of glass and glass ceramic materials significantly expanded.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe gelöst, indem das Glas oder die Glaskeramik durch lokale Erwärmung des Werkstückes entfestigt wird und die spanende Bearbeitung im entfestigten Bereich stattfindet.at a method of the type mentioned, the problem is solved by the glass or glass ceramic softened by local heating of the workpiece and the machining takes place in the softened area.

Dabei wird die Erwärmung so weit vorangetrieben, dass ein duktiler Zerspanmodus möglich ist.there will the warming so far advanced that a ductile Zerspanmodus is possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Bearbeitung mit einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide erfolgt. Insbesondere bei derartigen Werkzeugen, z. B. einem Drehwerkzeug oder einer Fräse, führt der duktile Zerspanmodus zu erheblichen Vorteilen. Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide können erstmals für Werkstücke aus Glas oder Glaskeramik ohne regelmäßige Zerstörung des Werkstückes eingesetzt werden. Damit eröffnen sich im Vergleich zu den Bearbeitungsverfahren nach dem Stand der Technik neue Möglichkeiten zur Steigerung in der Bearbeitungsflexibilität und der Wirtschaftlichkeit. So können zeit- und kostenintensive Schleif- und Läpp-Operationen durch das duktile Warmzerspanen substituiert werden. Erstmals können an optischen Funktionsflächen, z. B. sphärischen Flächen, asphärischen Flächen und Freiformflächen von anorganischen Glasoptiken, z. B. Brillengläsern, das Orthogonal-, Unrund- und Runddrehen realisiert werden. Allgemeiner betrachtet wird eine gesamtheitliche Erweiterung des Fertigungstechnologiespektrums in der Glas- und Glaskeramikindustrie erreicht. Hieraus folgt nicht nur eine Steigerung der Bearbeitungsflexibilität, sondern – insbesondere auf Grund der kürzeren Bearbeitungszeiten – auch der Wirtschaftlichkeit in der Glas- und Glaskeramikbearbeitung.The inventive method can also be done that way Be that editing with a geometric tool certain cutting edge takes place. Especially with such tools, eg. B. a turning tool or a milling cutter, leads the ductile Zerspanmodus to considerable advantages. Tools with a geometrically defined cutting edge can be used for the first time for workpieces Glass or glass ceramic used without regular destruction of the workpiece become. Open up Compared to the processing method according to the state of Technology new possibilities for increasing processing flexibility and cost-effectiveness. So can Time-consuming and costly grinding and lapping operations due to ductile hot cutting be substituted. For the first time on optical functional surfaces, z. B. spherical surfaces, aspherical surfaces and freeform surfaces of inorganic glass optics, e.g. Eyeglass lenses, the orthogonal, non-circular and turning round be realized. More generally, a holistic one is considered Expansion of the production technology spectrum in the glass and glass industry Glass-ceramic industry achieved. It does not just follow an increase in the Machining flexibility but - especially on Reason of the shorter ones Processing times - including the Efficiency in glass and glass ceramic machining.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die lokale Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt. Hier kann vorteilhaft ein Laser, insbesondere ein CO2-Laser verwendet werden.The method according to the invention can also be carried out in such a way that the local heating takes place by means of electromagnetic radiation. Here, advantageously, a laser, in particular a CO 2 laser can be used.

Für die gezielte Entfestigung des Grundwerkstoffes erfolgt die Wärmeinduzierung mittels lokaler Laserstrahlenergieeinkopplung durch Absorption in der Zerspanzone vor dem Eingriff der Werkzeugschneide(n). Die an der Oberfläche des Werkstücks laserinduzierte Wärmequelle und die daraus resultierende dreidimensionale Ausbreitung der Temperaturfelder im Werkstück sind von den spezifischen optischen und thermischen Werkstoffeigenschaften, der Werkstückgeometrie, der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes sowie den Laserstrahlparametern abhängig. Transparente anorganische Glaskeramikwerkstoffe absorbieren beispielsweise nicht oberhalb der Wellenlänge von ca. 4,5 μm, so dass die Wellenlänge λ der zu absorbierenden Laserstrahlung diesen Wert übersteigen muss. CO2 – Laserstrahlung emittiert mit einer Wellenlänge von λ = 10,6 μm und wäre somit für das genannte Anwendungsbeispiel geeignet.For the targeted softening of the base material, the heat is induced by local laser beam energy absorption by absorption in the Zerspanzone before the engagement of the tool cutting edge (s). The laser-induced heat source on the surface of the workpiece and the resulting three-dimensional propagation of the temperature fields in the workpiece are dependent on the specific optical and thermal material properties, the workpiece geometry, the surface condition of the workpiece and the laser beam parameters. For example, transparent inorganic glass-ceramic materials do not absorb above the wavelength of approximately 4.5 μm, so that the wavelength λ of the laser radiation to be absorbed must exceed this value. CO 2 laser radiation emitted with a wavelength of λ = 10.6 microns and would thus be suitable for the said application example.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so ausgeführt werden, dass die Erwärmung mittels eines Partikelstrahls erfolgt. Hier könnte beispielsweise ein Elektronenstrahl eingesetzt werden.The inventive method but can also be done that way be that warming by means of a particle beam. For example, here could be an electron beam be used.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass das Werkstück vor der spanenden Bearbeitung mit einer Absorptionsschicht beschichtet wird und die Erwärmung des Werkstückes über die Absorptionsschicht erfolgt. Hiermit wäre eine von den optischen Werkstoffeigenschaften im Wesentlichen unabhängige Möglichkeit zur Energieeinkopplung gegeben. Somit können auch Laser eingesetzt werden, für deren Wellenlänge das Glas oder die Glaskeramik des Werkstücks transparent ist. In dem Fall würde eine Absorptionsschicht eingesetzt, die die verwendete Laserstrahlung absorbiert und die so zugeführte Wärmeenergie an das Werkstück weitergibt. Aber auch in solchen Fällen, in denen der Werkstoff des Werkstücks die vom Laser oder von anderen Mitteln zugeführte Energie in Wärme zumindest zum Teil umwandelt, kann eine zusätzliche Absorptionsschicht sinnvoll sein, zum Beispiel wenn sie eine bessere Absorptionsfähigkeit als das Werkstückmaterial oder aber auch eine andere, z. B. höhere, Wärmeleitfähigkeit aufweist. Mit der Absorptionsschicht könnte auch bewusst die Temperaturverteilung im Werkstück beeinflusst werden. Eine mögliche Variante einer Absorptionsschicht ist eine auf das Werkstück aufgebrachte Farbe, z. B. eine schwarze Lackfarbe.The inventive method can also be done that way be that the workpiece coated with an absorption layer before machining will and the warming of the workpiece over the Absorption layer takes place. This would be one of the optical material properties in the Essentially independent possibility given for energy input. Thus, lasers can also be used be, for their wavelength the glass or the glass ceramic of the workpiece is transparent. By doing Case would an absorption layer is used, which uses the laser radiation absorbed and fed so Thermal energy to the workpiece passes. But even in such cases where the material of the workpiece the energy supplied by the laser or other means into heat at least Partly converted, can be an additional absorption layer be useful, for example, if they have better absorbency as the workpiece material or another, for. B. has higher thermal conductivity. With the absorption layer could also aware of the temperature distribution in the workpiece to be influenced. A possible Variant of an absorption layer is applied to the workpiece Color, z. B. a black paint color.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine Oberfläche des Werkstückes erfolgt, die einem zur spanenden Bearbeitung vorgesehenen Werkzeug abgewandt ist. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn eine Absorptionsschicht vorhanden ist. So könnte zum Beispiel mittels eines Lasers durch das für das Laserlicht transparente Material des Werkzeugs hindurch die Absorptionsschicht mit dem Laserlicht beaufschlagt werden. Denkbar wäre auch eine Variante, bei der die Zufuhr der Wärmeenergie über mehrere Eintrittsstellen im Werkstück erfolgt, z. B. über gegenüberliegende Seiten des Werkstückes. Hierfür können auch unterschiedliche Energiequellen, z. B. unterschiedliche Laserarten, eingesetzt werden, beispielsweise ein auf die Absorptions schicht wirkender Laser, für den das Werkstückmaterial transparent ist, und ein weiterer, unmittelbar auf das Werkstückmaterial wirkender Laser.The method according to the invention can also be carried out in such a way that the supply of the energy intended for heating takes place via a surface of the workpiece which faces away from a tool intended for machining. This can be advantageous in particular if an absorption layer is present. For example, the laser light could be applied to the absorption layer by means of a laser through the material of the tool which is transparent to the laser light. A Varian would also be conceivable te, in which the supply of heat energy via multiple entry points in the workpiece takes place, for. B. over opposite sides of the workpiece. For this purpose, different sources of energy, eg. As different laser types are used, for example, a layer acting on the absorption laser, for which the workpiece material is transparent, and another, acting directly on the workpiece material laser.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass während der Bearbeitung an mindestens einer Stelle des Werkstückes die Temperatur gemessen wird. Anhand dieser Messungen kann bei bekannten Werkstoffeigenschaften festgestellt werden, ob eine Temperaturverteilung gegeben ist, die eine hinreichende Duktilität des zu bearbeitenden Materials gewährleistet. Zur Schaffung eines für die Bearbeitung optimalen Temperaturfeldes kann es ebenfalls sinnvoll sein, die zur Erwärmung vorgesehene Energie über mehrere Eintrittsstellen am Werkstück einzustrahlen.The inventive method can also be done that way be that while the processing at at least one point of the workpiece, the temperature is measured. Based on these measurements, known material properties can be determined be determined whether a temperature distribution is given, the a sufficient ductility ensures the material to be processed. To create a for the Processing optimal temperature field may also make sense be intended for warming Energy over irradiate several entry points on the workpiece.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die mindestens eine gemessene Temperatur zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen, insbesondere der Leistung und Form der zur Erwärmung vorgesehenen Energieeinstrahlung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs, eingesetzt wird.Finally, can the inventive method so executed be that the at least one measured temperature for control or control of processing variables, in particular the power and shape of the energy radiation intended for heating and / or the feed rate of a tool used becomes.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe gelöst mit einer Aufnahme für das Werkstück, einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide und Mitteln zur lokalen Erwärmung des Werkstückes. Weitere Ausbildungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen dargelegt.at a device for implementation the method according to the invention the task is solved with a recording for the workpiece, a tool with geometrically defined cutting edge and means for local warming of the workpiece. Further Embodiments of the device are set forth in the subclaims.

Im Folgenden werden eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Ausbildungsform der Vorrichtung anhand von Figuren dargestellt.in the Below are an advantageous embodiment of the method according to the invention and an embodiment of the device illustrated by figures.

Es zeigen schematischShow it schematically

1: ein Drehwerkzeug beim Eingriff in ein Werkstück, 1 a turning tool when engaging a workpiece,

2: ein Fräswerkzeug beim Eingriff in ein Werkstück, 2 : a milling tool when engaging a workpiece,

3: die Ausbreitung eines laserinduzierten Temperaturfeldes im Werkstück, 3 : the propagation of a laser-induced temperature field in the workpiece,

4: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, 4 a device according to the invention,

5: die Vorrichtung gemäß 4 in einer um 90° um eine vertikale Achse gedrehten Ansicht. 5 : the device according to 4 in a view rotated by 90 ° about a vertical axis.

1 zeigt schematisch ein Werkstück 1 aus Glas, das mit einem CO2-Laserstrahl lokal begrenzt beaufschlagt wird. Die Absorption des Laserlichts durch das Material des Werkstücks 1 führt zu einer lokalen Erwärmung und damit zu einer Entfestigung des Werkstückmaterials. Die Ziffer 3 kennzeichnet den für einen duktilen Zerspanprozess hinreichend entfestigten Bereich. Ein Drehwerkzeug 4 greift mit der Schnitttiefe ap in das Werkstück 1 ein, während das Werkstück 1 mit der Schnittgeschwindigkeit Vc relativ zum Drehwerkzeug 4 bewegt wird. 1 schematically shows a workpiece 1 made of glass, which is acted upon locally limited by a CO 2 laser beam. The absorption of the laser light by the material of the workpiece 1 leads to a local heating and thus to a softening of the workpiece material. The numeral 3 indicates the area sufficiently softened for a ductile machining process. A turning tool 4 engages with the cutting depth a p in the workpiece 1 one while the workpiece 1 with the cutting speed V c relative to the turning tool 4 is moved.

2 zeigt anstelle des Drehwerkzeuges 4 ein Fräswerkzeug 5 beim Eingriff in das Werkstück 1, wobei der Laserstrahl 2 und das Fräswerkzeug 5 mit der Vorschubgeschwindigkeit Vf relativ zum Werkstück bewegt werden. Entsprechend zu 1 geht auch hier die Tiefe des entfestigten Bereichs 3 über die Schnitttiefe ap des Fräswerkzeugs 5 hinaus. 2 shows instead of the turning tool 4 a milling tool 5 when engaging in the workpiece 1 , where the laser beam 2 and the milling tool 5 be moved relative to the workpiece at the feed rate V f . Correspondingly too 1 Here, too, goes the depth of the softened area 3 about the cutting depth a p of the milling tool 5 out.

Sowohl für die Variante mit Drehwerkzeug 4 als auch mit Fräswerkzeug 5 gilt, dass die Schnittgeschwindigkeit Vc, bzw. die Vorschubgeschwindigkeit Vf, der Neigungswinkel α des Laserstrahls 2 relativ zum Werkstück 1 sowie der Abstand Δ XW-L zwischen Werkzeugeingriff und Schnittpunkt der Achse des Laserstrahls 2 mit der Oberfläche des Werkstücks 1 wichtige Einflussgrößen auf den Zerspanprozess darstellen.Both for the variant with turning tool 4 as well as with milling tool 5 is that the cutting speed V c , and the feed rate V f , the inclination angle α of the laser beam 2 relative to the workpiece 1 and the distance ΔX WL between the tool engagement and the intersection of the axis of the laser beam 2 with the surface of the workpiece 1 represent important factors influencing the machining process.

3 zeigt die Ausbreitung eines laserinduzierten Temperaturfeldes im Werkstück 1 ohne Werkzeug. Der Laserstrahl 2 bewegt sich mit der Vorschubgeschwindigkeit Vf über das Werkstück 1 hinweg. Der Pfeil 7 symbolisiert den absorbierten Anteil der Laserstrahlung; Pfeil 8 steht für den reflektierten Anteil und Pfeil 9 für den transmittierten Anteil des Laserlichts. Die an der Oberfläche des Werkstücks 1 laserinduzierte Wärme und die daraus resultierende dreidimensionale Ausweitung des Temperaturfelds 6 im Werkstück 1 stehen in Abhängigkeit zu den spezifischen optischen und thermischen Werkstoffeigenschaften, der Werkstückgeometrie, der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 1 sowie zu den Laserstrahlparametern in der vom Werkstück 1 absorbier ten Laserstrahlung. Die Wellenlänge des Laserstrahls 2 ist unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen optischen Eigenschaften des Werkstückes 1, insbesondere Absorptionsgrad A, Reflektionsgrad R, Transmissionsgrad T (mit A + R + T = 1) und Absorptionstiefe so zu wählen, dass eine wirtschaftliche Absorption der Laserstrahlung gewährleistet ist. Anorganische Glaskeramikwerkstoffe absorbieren beispielsweise Licht oberhalb der Wellenlänge von ca. 4,5 μm, so dass die Wellenlänge von λ = 10,6 μm eines CO2 Lasers für dieses Anwendungsbeispiel geeignet ist. Der absorbierte Anteil 7 der Laserstrahlung sorgt für eine Erwärmung, die sich über Wärmeleitung, symbolisiert durch den Pfeil 10, im Werkstück 1 ausbreitet. Eine durch den Pfeil 11 symbolisierte Konvektion sorgt für einen Wärmeverlust. Insgesamt entsteht das Temperaturfeld 6, das in 3 durch unterschiedliche Graustufen dargestellt ist. 3 shows the propagation of a laser-induced temperature field in the workpiece 1 without tools. The laser beam 2 moves with the feed speed V f over the workpiece 1 time. The arrow 7 symbolizes the absorbed portion of the laser radiation; arrow 8th stands for the reflected portion and arrow 9 for the transmitted portion of the laser light. The on the surface of the workpiece 1 laser-induced heat and the resulting three-dimensional expansion of the temperature field 6 in the workpiece 1 are dependent on the specific optical and thermal material properties, the workpiece geometry, the surface finish of the workpiece 1 as well as the laser beam parameters in the workpiece 1 absorb laser radiation. The wavelength of the laser beam 2 is taking into account the material-specific optical properties of the workpiece 1 , in particular absorbance A, reflectance R, transmittance T (with A + R + T = 1) and absorption depth to be chosen so that an economic absorption of the laser radiation is ensured. Inorganic glass-ceramic materials, for example, absorb light above the wavelength of approximately 4.5 μm, so that the wavelength of λ = 10.6 μm of a CO 2 laser is suitable for this application example. The absorbed fraction 7 The laser radiation ensures a warming, which is about Wärmelei tion, symbolized by the arrow 10 , in the workpiece 1 spreads. One by the arrow 11 symbolized convection ensures heat loss. Overall, the temperature field arises 6 , this in 3 represented by different gray levels.

Die Bestimmung der optimalen Schnitttiefe ap und der in den Figuren nicht dargestellten Eingriffsbreite erfordern die Kenntnis der dreidimensionalen Temperaturverteilung, da möglichst lediglich das abzutragende Zerspanvolumen entfestigt werden soll, um eine thermische Schädigung der Schnittflächen, die möglicherweise zugleich Funktionsflächen sein sollen, zu vermeiden. Im Gegenzug dürfen die Schnitttiefen ap und die Eingriffsbreite den entfestigten Werkstückbereich nicht überschreiten, um sprödbrüchigem Materialabtrag und einem frühzeitigen Werkzeugversagen vorzubeugen. Die Bestimmung der Temperaturfelder auf der Bauteiloberfläche kann mittels pyrometrischen Messungen realisiert werden. Die diesbezüglichen Mittel sind in den Figuren nicht dargestellt. Die dreidimensionalen Temperaturfeldverläufe werden mit Hilfe numerischer Simulationsmodelle, deren Kalibrierung auf Basisrückkopplungen der pyrometrischen Messung erfolgt, determiniert.The determination of the optimum depth of cut a p and the engagement width not shown in the figures require the knowledge of the three-dimensional temperature distribution, since only the ablated Zerspanvolumen should be softened as possible in order to avoid thermal damage to the cut surfaces, which should also be functional surfaces at the same time. In return, the cutting depths a p and the engagement width must not exceed the softened workpiece area in order to prevent brittle material removal and premature tool failure. The determination of the temperature fields on the component surface can be realized by means of pyrometric measurements. The relevant means are not shown in the figures. The three-dimensional temperature field profiles are determined with the aid of numerical simulation models whose calibration is based on the base feedback of the pyrometric measurement.

Die 4 und 5 zeigen eine Drei-Achs-Fräsmaschine mit vertikaler Spindelanordnung in zwei um 90° zueinander verdrehten Ansichten.The 4 and 5 show a three-axis milling machine with vertical spindle assembly in two rotated by 90 ° to each other views.

Auf einem Maschinentisch 12 ist ein erster Schlitten 13 in X-Richtung verfahrbar. Auf dem ersten Schlitten 13 ist ein zweiter Schlitten 14 in Y-Richtung verfahrbar. Der zweite Schlitten 14 trägt eine CO2-Laserquelle 15, dessen Laserstrahl 2 über ein Strahlführungssystem 16 zum Werkstück 1 geführt wird, dessen Halterung in den 4 und 5 nicht explizit gezeigt ist. Die Austrittsöffnung 17 des Strahlführungssystems 16 ist zum einen um eine Achse B schwenkbar und zum anderen in Y-Richtung und X-Richtung verschiebbar. In 5 ist zu erkennen, dass die Verschiebung in X-Richtung durch eine Relativbewegung zwischen zwei ineinander geschobenen Rohren 18 und 19 des Strahlführungssystems 16 realisiert ist. Die sonst übliche Leitung des Laserlichts mittels Lichtleitfasern ist beim CO2-Laser aufgrund der Wellenlänge des Lasers nicht möglich Ein Werkzeugschlitten 20 mit einer Fräse 21 ist am zweiten Schlitten 14 in Z-Richtung verfahrbar.On a machine table 12 is a first sled 13 movable in X-direction. On the first sledge 13 is a second sled 14 movable in Y-direction. The second sled 14 carries a CO 2 laser source 15 , whose laser beam 2 via a beam guidance system 16 to the workpiece 1 is guided, whose holder in the 4 and 5 not explicitly shown. The outlet opening 17 of the beam guidance system 16 is on the one hand pivotable about an axis B and on the other hand in the Y-direction and X-direction displaceable. In 5 It can be seen that the displacement in the X direction by a relative movement between two telescoped tubes 18 and 19 of the beam guidance system 16 is realized. The otherwise usual direction of the laser light by means of optical fibers is not possible with the CO 2 laser due to the wavelength of the laser 20 with a milling cutter 21 is on the second sled 14 movable in Z-direction.

11
Werkstückworkpiece
22
Laserstrahllaser beam
33
entfestigter Bereichsoftened Area
44
Drehwerkzeugturning tool
55
Fräswerkzeugmilling tool
66
Temperaturfeldtemperature field
77
absorbierter Anteil der Laserstrahlungabsorbed Proportion of laser radiation
88th
reflektierter Anteil der Laserstrahlungreflected Proportion of laser radiation
99
transmittierter Anteil der Laserstrahlungof transmitted Proportion of laser radiation
1010
WärmeleitungspfeilHeat conduction arrow
1111
KonvektionspfeilKonvektionspfeil
1212
Maschinentischmachine table
1313
erster Schlittenfirst carriage
1414
zweiter Schlittensecond carriage
1515
CO2-LaserquelleCO 2 laser source
1616
StrahlführungssystemBeam guidance system
1717
Austrittsöffnungoutlet opening
1818
StrahlführungsrohrBeam guiding tube
1919
StrahlführungsrohrBeam guiding tube
2020
Werkzeugschlittentool slide
2121
Fräsemilling machine

Claims (17)

Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken (1) aus Glas oder Glaskeramik, bei dem das Glas oder die Glaskeramik durch lokale Erwärmung des Werkstückes (1) entfestigt wird und die spanende Bearbeitung im entfestigten Bereich (3) stattfindet.Method for machining workpieces ( 1 ) of glass or glass ceramic, in which the glass or the glass ceramic by local heating of the workpiece ( 1 ) and the machining in the de-stabilized area ( 3 ) takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mit einem Werkzeug (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that the machining with a tool ( 4 . 5 ) with geometrically determined cutting edge. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that local warming by means of electromagnetic radiation. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels mindestens eines Lasers (15) erzeugt wird.A method according to claim 3, characterized in that the electromagnetic radiation by means of at least one laser ( 15 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (15) ein CO2-Laser verwendet wird.Method according to claim 4, characterized in that as laser ( 15 ) a CO 2 laser is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels eines Partikelstrahls erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that warming by means of a particle beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) vor der spanenden Bearbeitung mit einer Absorptionsschicht beschichtet wird und die Erwärmung des Werkstückes über die Absorptionsschicht erfolgt.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the workpiece ( 1 ) is coated before the machining with an absorption layer and the heating of the workpiece via the absorption layer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine Oberfläche des Werkstückes (1) erfolgt, die einem zur spanenden Bearbeitung vorgesehenen Werkzeug (4, 5) abgewandt ist.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the supply of energy intended for heating over a surface of the workpiece ( 1 ), which is intended for machining ( 4 . 5 ) is turned away. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung an mindestens einer Stelle des Werkstückes (1) die Temperatur gemessen wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that during the Bearbei at least one point of the workpiece ( 1 ) the temperature is measured. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine gemessene Temperatur zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen, insbesondere der Leistung und Form der zur Erwärmung vorgesehenen Energieeinstrahlung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs (4, 5), eingesetzt wird.A method according to claim 9, characterized in that the at least one measured temperature for controlling or regulating processing variables, in particular the power and shape of the energy irradiation provided for heating and / or the feed rate of a tool ( 4 . 5 ) is used. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Aufnahme für das Werkstück (1), einem Werkzeug (4, 5) mit geometrisch bestimmter Schneide und Mitteln zur lokalen Erwärmung des Werkstückes.Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 10, with a receptacle for the workpiece ( 1 ), a tool ( 4 . 5 ) with geometrically defined cutting edge and means for local heating of the workpiece. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalen Erwärmung mindestens einen Laser (15) umfassen.Apparatus according to claim 11, characterized in that the means for local heating at least one laser ( 15 ). Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (15) ein CO2-Laser ist.Device according to claim 12, characterized in that the laser ( 15 ) is a CO 2 laser. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalen Erwärmung mindestens einen Partikelbeschleuniger umfassen.Device according to claim 11, characterized in that that the means of local warming at least include a particle accelerator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Messung mindestens einer Temperatur des Werkstückes (1) im Bearbeitungsbereich vorgesehen sind.Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that means for measuring at least one temperature of the workpiece ( 1 ) are provided in the processing area. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Steuerung oder Regelung von Bearbeitungsgrößen mittels der mindestens einen gemessenen Temperatur vorgesehen sind.Device according to claim 15, characterized in that in that means for controlling or regulating processing variables by means of the at least one measured temperature are provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für das Werkstück (1), das Werkzeug (4, 5) sowie die Mittel zur lokalen Erwärmung des Werkstückes derart angeordnet sind, dass die Zufuhr der zur Erwärmung vorgesehenen Energie über eine dem Werkzeug (4, 5) abgewandte Oberfläche des Werkstücks (1) erfolgt.Device according to one of claims 11 to 16, characterized in that the receptacle for the workpiece ( 1 ), the tool ( 4 . 5 ) and the means for local heating of the workpiece are arranged such that the supply of energy intended for heating via a tool ( 4 . 5 ) facing away from the surface of the workpiece ( 1 ) he follows.
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