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Die vorliegende Anmeldung betrifft Vorrichtungen zum Bearbeiten, insbesondere Polieren, von Werkstücken, beispielsweise optischen Werkstücken. Insbesondere betrifft sie Vorrichtungen zum Polieren von asphärischen Linsenelementen.
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Asphärische Linsenelemente oder andere asphärische Formen benötigen bei heutigen Produktionstechniken einen höheren Fertigungsaufwand als sphärische Komponenten, beispielsweise Optikkomponenten. Beispielsweise kann abhängig vom Verlauf von lokalen Krümmungsradien der Fertigungsaufwand ein Vielfaches vergleichbarer sphärischer Optikkomponenten betragen.
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Für einen Durchmesserbereich von optischen Werkstücken, in welchen beispielsweise klassische Präzision- und Geräteoptiken oder auch Hochleistungsoptiken wie Lithographieoptiken fallen, beispielsweise in einem Durchmesserbereich kleiner als 1 m, insbesondere < 50 cm, existieren eine Reihe passiver, kleinflächiger Polierwerkzeuge zur Bearbeitung asphärischer oder freigeformter Werkstückgeometrien. Typische Größenverhältnisse von Werkzeug zu Werkstück sind dabei für ein Polieren wie ein Durchpolieren bei Geräteoptiken oder ein Vorpolieren bei Präzisionsoptiken im Bereich von 1:10 sowie für ein nachfolgendes Glättpolieren im Bereich 1:5. Für das Durchpolieren asphärischer Optiken hat sich dabei das sogenannte „Bonnet-Polieren” als Standardtechnologie etabliert.
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Zur anschließenden Formkorrektur der asphärischen Optik existiert eine Reihe von Verfahren zur lokalen Materialentfernung mit geringer Abtragsrate. Typische hier angewendete Verfahren sind eine MRF(Magneto Rheological Finishing)-Radpolitur, IBF (Ion Beam Figuring) oder CCP(Computer Controlled Polishing)-Padpolitur.
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Für den Formgebung- und Polierprozess zur Herstellung asphärischer optischer Funktionsflächen können dabei Mehrachs-CNC-Maschinen und/oder Roboteranordnungen zum Einsatz kommen.
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Ein wesentlicher Kostentreiber bei der Herstellung derartiger asphärischer Optiken ist der Prozess des Vor- bzw. Durchpolierens. Im Gegensatz zu sphärischen Optiken erfolgt dieser wie oben erläutert mit kleinflächigen Polierwerkzeugen, um die im Schleifprozess auf rund 1 μm ausgearbeitete Asphärenform nicht zu verfälschen. Beim Vor- bzw. Durchpolieren wird dabei eine durch einen vorherigen Schleifprozess gestörte Grenzschicht von etwa 15–25 μm entfernt, wobei der Abtrag über die gesamte Fläche konstant sein sollte, um die Asphärenform nicht zu stören. Ein derartiger Materialabtrag mit einem kleinflächigen Polierwerkzeug weist eine relativ hohe Prozesszeit auf, was die Kosten erhöht. Zudem weisen kleinflächige Polierwerkzeuge den Nachteil auf, dass diese aufgrund ihrer kleinen Werkzeugeingriffsfläche mittel- bis höherfrequentierte Formfehler in dem polierten Werkstück generieren können. Derartige Störanteile müssen dann in nachfolgenden Glätt- und/oder Korrekturpoliervorgängen wieder entfernt werden, was aufwendig sein kann.
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Für asphärische Astrospiegel kann zum Polieren die sogenannte „Stressed Lap”-Technologie verwendet werden, welche beispielsweise in der
US 7,364 493 B1 beschrieben ist. Ein in dieser Druckschrift verwendetes Werkzeug ist ein aktives, subaperturiges Polierwerkzeug im Durchmesserbereich von 1–1,5 m, mit welchem Spiegel mit einem Durchmesser von etwa 8 m durchpoliert werden können. Stellwege eines derartigen Polierwerkzeugs zum Erstellen einer gewünschten Oberflächenform liegen dabei im unteren Millimeterbereich. Die in dieser Druckschrift verwendeten Techniken sind jedoch nur schwer auf optische Elemente für klassische Optiken wie Objektive oder Mikroskope übertragbar.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2014 109 654 beschreibt Poliervorrichtungen, bei welchen eine gewünschte Form für eine Bearbeitung über Aktoren eingestellt werden kann. Dies ermöglicht eine Anpassung des Werkzeugs, z. B. Polierwerkzeugs, an verschiedene zu polierende Werkstücke, beispielsweise verschiedene Asphärenformen. Auf der anderen Seite ist ein derartiger Aufbau mit Aktoren relativ komplex. Eine derartige flexible Einstellbarkeit ist auch nicht notwendigerweise für alle Anwendungen nötig. Beispielsweise kann, wenn eine feste Asphärenform in großen Stückzahlen hergestellt wird, auf eine derartige Einstellmöglichkeit verzichtet werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, welche einfach zu implementieren sind und welche ein Bearbeiten, insbesondere Polieren von Werkstücken wie optischen Werkstücken, insbesondere asphärischen optischen Elementen, auf einfache Weise ermöglichen und möglichst ein vollaperturiges Bearbeiten, insbesondere Polieren, ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere optischen Werkstücken, bereitgestellt, umfassend:
eine ortsfeste Fluidlageranordnung mit einer Oberseite, welche eine fest vorgegebene Form aufweist, und
ein Bearbeitungselement mit einer Bearbeitungsoberfläche zum Bearbeiten eines optischen Werkstücks,
wobei das Bearbeitungselement im Betrieb über ein Fluidkissen derart mit der Fluidlageranordnung gekoppelt ist, dass das Bearbeitungselement eine Form aufweist, welche zumindest teilweise durch die Form der Oberseite vorgegeben ist,
wobei das Bearbeitungselement zum Bearbeiten des Werkstücks relativ zu der Fluidlageranordnung um eine Achse rotierbar ist.
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Durch ein Fluidlagerelement mit fester vorgegebener Oberflächenform kann verglichen mit einem Aufbau, welcher Aktoren aufweist, ein vereinfachter Aufbau erzielt werden.
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Das Fluid ist dabei bevorzugt ein Gas, insbesondere Luft. Es sind jedoch auch Flüssigkeiten wie z. B. Öle möglich.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiter eine Halterung für das Werkstück, wobei das Werkstück mittels der Halterung rotierbar ist.
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Eine Rotationsrichtung des Werkstücks ist dabei bevorzugt gleichläufig zu einer Rotationsrichtung des Bearbeitungselements. Zudem können Rotationsgeschwindigkeiten des Werkstücks und des Bearbeitungselements zumindest näherungsweise (z. B. in einem Bereich von +/–10% oder +/–5%) gleich sein.
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Eine Rotationsachse des Werkstücks kann dabei unter einem Winkel, der von 0° verschieden ist, zu einer Rotationsachse des Bearbeitungselements stehen. Durch diesen Winkel und eine damit verbundene Lagerung des Werkstücks außermittig zum Bearbeitungselement ergibt sich eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungselement und dem Werkstück, welche zum Bearbeiten (z. B. Polieren) des Werkstücks genutzt werden kann. Durch geeignete Wahl der Parameter (z. B. Winkel und Rotationsgeschwindigkeiten) kann dabei z. B. bei einem Polierprozess ein gleichmäßiger Materialabtrag erzielt werden.
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Die Fluidlageranordnung kann ein poröses Material umfassen, wobei die Vorrichtung weiter eine Fluidzuführung zum Zuführen von Luft in Poren des porösen Materials umfassen kann.
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Durch die Verwendung eines porösen Materials kann das Fluidlagerelement auf einfache Weise implementiert werden.
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Das poröse Material kann poröses Graphit, eine poröse Sinterkeramik und/oder Sintermessing umfassen.
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Ein poröses Graphitmaterial eignet sich besonders gut als poröses Material. Hier kann gleichsam eine sehr hohe Dichte von Luftauslässen erreicht werden. Zudem weist Graphit gute Notlaufeigenschaften bei einem Ausfall eines zugeführten Fluidstroms auf, und Graphitstaub ist nicht schädlich für verwendete Lager.
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Alternativ zu dem porösen Material kann die Fluidlageranordnung auch eine Vielzahl von diskret verteilten Fluidauslässen, z. B. Luftdüsen, umfassen.
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Die Vorrichtung kann weiter ein auf einer Oberseite der Fluidlageranordnung bereitgestelltes Nadelkissen umfassen, wobei das Nadelkissen eine insbesondere sphärische Grundform für das Werkstück bereitstellt, wobei in die Oberfläche der Fluidlageranordnung insbesondere asphärische Abweichungen von der sphärischen Grundform eingearbeitet sind.
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Auf diese Weise müssen in die Oberfläche nur Abweichungen von der Grundform eingearbeitet werden.
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Alternativ können in eine Seite der Fluidlageranordnung, welche dem Werkstück zugewandt ist, eine sphärische Form und asphärische Abweichungen von der sphärischen Form eingearbeitet sein. In einem derartigen Fall wird kein Nadelkissen benötigt.
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Die Vorrichtung kann eine Poliervorrichtung zum Polieren des Werkstücks sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein entsprechendes Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks bereitgestellt, welches die oben beschriebene Vorrichtung benutzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Querschnittsansicht einer Poliervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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3 eine Querschnittsansicht einer Poliervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. So ist beispielsweise eine Darstellung oder Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten wesentlich sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche dieser Elemente oder Komponenten weggelassen sein oder durch alternative Elemente oder Komponenten ersetzt werden. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen können zusätzlich zu den dargestellten Komponenten oder Elementen weitere Elemente oder Komponenten, beispielsweise herkömmlicherweise in Poliervorrichtungen oder anderen Vorrichtungen zum Bearbeiten optischer Werkstücke eingesetzter Komponenten, bereitgestellt sein.
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Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Beispielsweise können Modifikationen oder Abwandlungen, welche für eines der diskutierten Ausführungsbeispiele dargestellt werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Vorrichtungen zum Polieren von optischen Werkstücken, beispielsweise zur Herstellung asphärischer Linsen, insbesondere rotationssymmetrische Asphären. Bei derartigen optischen Elementen wird wie zum Beispiel auch bei sphärischen Linsen die Linsenform üblicherweise zunächst durch einen Schleifprozess festgelegt und dann das so erhaltene Werkstück poliert. Polierschritte hierzu können das bereits eingangs erwähnte Vor- bzw. Durchpolieren zum Entfernen einer durch das schleifen gestörten Oberflächenschicht, ein Glättpolieren zum Glätten der Oberfläche und/oder ein Korrekturpolieren umfassen. Im Folgenden wird bei manchen Ausführungsbeispielen ein Polieren, z. B. Durchpolieren, als Beispiel einer Bearbeitung eines optischen Werkstücks verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch auf andere Bearbeitungsprozesse, zum Beispiel andere Polierprozesse wie Vorpolieren, angewendet werden. Zudem ist die vorliegende Erfindung auch auf die Bearbeitung anderer Werkstücke als optischer Werkstücke anwendbar, z. B. auf das Polieren von Formen (Molds) oder Blankpresswerkzeugen zur Herstellung optischer Werkstücke oder auf das Polieren, insbesondere asphärische Polieren, aerodynamisch relevanter Teile.
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In 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks 18, beispielsweise eines optischen Werkstücks wie einer Linse oder anderer refraktiver Optik oder eines Spiegels, dargestellt. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 zum Polieren, aber auch gegebenenfalls für andere Arten der Bearbeitung wie Schleifen oder Läppen des Werkstücks 18 verwendet werden. Anhand der Vorrichtung 10 werden zunächst einige Konzepte allgemein erläutert. Detailliertere Implementierungen werden dann unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 umfasst eine ortsfeste Fluidlageranordnung 12. Ortsfest bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Fluidlageranordnung 12 in Betrieb der Vorrichtung 10 nicht bewegt.
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Die ortsfeste Fluidlageranordnung 12 weist eine dem Werkstück 18 zugewandte Oberseite 112 auf, an welcher durch Fluidausstoß aus der Fluidlageranordnung 12 ein Fluidfilm erzeugt werden kann. Die Oberseite 112 weist eine fest vorgegebene Form auf. Hierzu kann, wie später näher erläutert werden wird, die Fluidlageranordnung 12 beispielsweise ein poröses Material umfassen. Eine Form der Oberseite 112 bestimmt zudem eine Form für die Bearbeitung des Werkstücks 18, wie es später noch näher erläutert werden wird. Die Fluidlageranordnung 12 kann mehrteilig ausgebildet sein und insbesondere verschiedene Komponenten umfassen Zur Erzeugung des Fluidfilms kann der Fluidlageranordnung 12 dabei über einen Kanal 17 ein Fluid zugeführt werden. Als Fluid kann dabei beispielsweise ein Gas wie beispielsweise Luft oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch verwendet werden, beispielsweise reiner Stickstoff. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann statt eines Gases als Fluid auch eine Flüssigkeit, z. B. ein Öl, verwendet werden. Wegen der geringen Reibung und der einfachen Handhabung (z. B. bezüglich Verschmutzung) sind Gase jedoch bevorzugt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der
1 ist eine Form der Oberseite
112 unveränderlich, sodass eine jeweilige Fluidlageranordnung
12 speziell für eine bestimmte Form des Werkstücks
18 bereitgestellt wird. Dies vereinfacht die Fluidlageranordnung
12 beispielsweise verglichen mit der eingangs erwähnten
DE 10 2014 109 654 , bei welchen zwar vorteilhafterweise eine Verstellmöglichkeit gegeben ist, was jedoch wiederum den Nachteil eines komplexeren Aufbaus mit sich bringt. In Fällen, in denen auf eine derartige Verstellmöglichkeit verzichtet werden kann, kann die Vorrichtung der
1 daher kostengünstiger zu implementieren sein.
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Zudem weist die Vorrichtung der 1 ein Bearbeitungselement 13 auf. Das Bearbeitungselement 13 ist mittels Befestigungen 14 an einem Gehäuse 11 befestigt. Die Fluidlageranordnung 12 befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel der 1 innerhalb des Gehäuses 11. Das Bearbeitungselement 13 ist dabei insoweit flexibel, dass es sich an eine Form der Oberseite 112 anpassen kann. Im Betrieb der Vorrichtung 10 wird durch die Fluidlageranordnung 12 in einem Zwischenraum 111 zwischen der Oberseite 112 und dem Bearbeitungselement 13 wie bereits erwähnt ein Fluidfilm erzeugt, sodass sich das Bearbeitungselement 13 mit geringer Reibung über die Oberseite 112 bewegen kann und seine Form dabei einer Form der Oberseite 112 anpassen kann. Zu bemerken ist, dass das Bearbeitungselement 13 nicht direkt auf der Oberseite 112 angeordnet sein muss, sondern auch zusätzliche Elemente wie beispielsweise ein Nadelkissen, welches später beschrieben wird, zwischen dem Bearbeitungselement 12 und der Oberseite 112 angeordnet sein können.
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Beispielsweise kann bei der Vorrichtung 10 der 1 das Gehäuse 11 um eine Achse 15 rotieren, wie durch einen Pfeil 16 angedeutet. Dabei führt auch das Bearbeitungselement 13 eine entsprechende Rotationsbewegung durch. Bei der Vorrichtung 10 verläuft der Fluidkanal 17 innerhalb der Achse 15, dreht sich jedoch nicht mit der Achse 15 mit, wenn das Gehäuse 11 rotiert wird. Dies ist lediglich ein Beispiel einer Anordnung, wie das Gehäuse 11 bei gleichzeitig feststehender Fluidlageranordnung 12 rotieren kann. Andere Anordnungen sind hierfür ebenso möglich, wie später auch noch erläutert werden wird. Auch ist es nicht erforderlich, dass das gesamte Gehäuse 11 rotiert, solange das Bearbeitungselement 13 eine entsprechende Rotation durchführt.
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Eine dem Werkstück 18 zugewandte Seite des Bearbeitungselements 13 dient als Bearbeitungsoberfläche zum Bearbeiten des Werkstücks 18. Beispielsweise kann diese Bearbeitungsoberfläche als Poliermittelträger dienen, auf welchen ein Poliermittel zum Polieren des Werkstücks 18 aufgebracht werden kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Bearbeitungsoberfläche beispielsweise zum Schleifen des Werkstücks 18 ausgestaltet sein. Zum Bearbeiten des Werkstücks 18 wird dann das Gehäuse 11 entsprechend dem Pfeil 16 rotiert, wodurch sich das Bearbeitungselement 13 über der Fluidlageranordnung 12 in einer Rotationsbewegung bewegt. Durch diese Bewegung wird das Werkstück 18 bearbeitet. Zudem kann sich, wie durch einen Pfeil 110 angedeutet, das Werkstück 18 bei der Bearbeitung in einer Halterung befinden, die schematisch als Achse 19 dargestellt ist, und um diese Achse 19 rotiert werden. Diese Rotation erfolgt bevorzugt gleichläufig, d. h. mit gleichem Drehsinn, wie die Rotation des Bearbeitungselements 13. Zudem sind bevorzugt die Rotationsgeschwindigkeiten zumindest näherungsweise gleich. Es können jedoch auch gegenläufige Rotationen und/oder unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten verwendet werden. Durch eine außermittige Anordnung des Werkstücks 18 relativ zu dem Bearbeitungselement 13 (d. h. so, dass die Rotationsachsen nicht identisch sind) und/oder eine Verkippung der Rotationsachse des Werkstücks 18 zu der Rotationsachse des Bearbeitungselements 13 wird eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungselement 13 und dem Werkstück 18 erzeugt. Diese Relativgeschwindigkeit führt zum Bearbeiten des Werkstücks (z. B. zu einem Materialabtrag bei einem Schleifen, Läppen oder Polieren). Durch geeignete Wahl der Parameter (z. B. relative Lage der Rotationsachsen, Rotationsgeschwindigkeit) kann dabei eine gleichmäßige Bearbeitung des Werkstücks 18 erreicht werden. Beispielsweise kann erreicht werden, dass die Relativgeschwindigkeit und somit die Bearbeitung über das Werkstück näherungsweise konstant ist, beispielsweise in einem Bereich von ±20%, ±10% oder ±5% konstant. Dies führt bei einem Schleifen oder Polieren beispielsweise zu einem zumindest näherungsweise gleichmäßigen Materialabtrag.
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Die Form einer Oberfläche der Fluidlageranordnung 12 kann dabei insbesondere in einem Bereich, in dem das Werkstück 18 mit dem über der Oberseite 112 liegenden Bearbeitungselement 13 in Kontakt steht, so geformt sein, dass es einer gewünschten Form des Werkstücks 18 entspricht, beispielsweise einer asphärischen Form.
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Im Folgenden werden detailliertere Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zum Bearbeiten optischer Werkstücke, insbesondere Poliervorrichtungen, unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert. Optische Werkstücke, insbesondere asphärische Linsen, werden dabei als Beispiel für Werkstücke verwendet. Die dargestellten Konzepte sind jedoch auch auf andere Arten von Werkstücken anwendbar. Die 2 und 3 zeigen insbesondere detailliertere Ausführungsbeispiele einer ortsfesten Luftlageranordnung, welche Beispiele für die Fluidlageranordnung 12 der 1 darstellen. Auch wenn in den 2 und 3 eine Luftlageranordnung verwendet wird, sind die dargestellten Konzepte auch auf andere Fluide anwendbar. Die oben unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Varianten und Merkmale sind auch auf die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 anwendbar und werden daher nicht nochmals im Detail diskutiert. Beispielsweise können auch in den 2 und 3 Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsachsen eines Bearbeitungselements und eines Werkstücks so aufeinander abgestimmt werden, dass ein im Wesentlichen gleichmäßiger Materialabtrag erfolgt.
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In 2 ist eine Poliervorrichtung 20 zum Polieren einer asphärischen Linse 28 in Querschnittsansicht dargestellt. Die asphärische Linse 28 dient dabei als Beispiel für ein optisches Werkstück. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel kann dabei insbesondere zum Polieren rotationssymmetrischer asphärischer Linsen dienen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist eine ortsfeste Luftlageranordnung, umfassend ein poröses Luftlagerelement 25 bereitgestellt. Das poröse Luftlagerelement 25 ist aus einem porösen Material gefertigt. Dem Luftlagerelement 25 wird zudem Luft über einen Kanal 212 zugeführt, was dazu führt, dass aus den Poren des Luftlagerelements 25 Luft austritt. Bei geeigneter Porosität und Porenverteilung kann damit auf einer der asphärischen Linse 28 zugewandten Seite des Luftlagerelements 25 ein relativ gleichmäßiges Luftkissen erzeugt werden.
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Ein bevorzugtes Material für das poröse Luftlagerelement 25 ist poröses Graphit. Dieses Material ist zum einen gut spanend und/oder erosiv bearbeitbar, und zum anderen bietet es gute Notlaufeigenschaften für den Fall eines abrupten Druckluftabfalls der Luftzuführung, z. B. wenn diese wegen einer Fehlbedienung oder eines technischen Defekts (z. B. Ausfall eines Ventils, Defekt in einem Schlauch etc.) ausfällt. Ein Luftlagerelement aus porösen Graphit kann z. B. nachgeben, wenn ein erzeugtes Luftkissen ausfällt und so Komponenten, die vorher von dem Luftkissen getragen wurden, auf das Luftlagerelement 25 „fallen”. Durch das Nachgeben kann eine Beschädigung derartiger Komponenten vermieden werden. Zudem ist bei Materialabrieb erzeugter Graphitstaub nicht schädlich für Lager wie nachfolgend erläuterte Kugellager.
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Andere Materialien können jedoch ebenso verwendet werden, beispielsweise poröse Sinterkeramiken, Sintermessing oder andere Werkstoffe mit geeigneter definierter Porosität und geeigneter spanender und/oder erosiver Bearbeitbarkeit, um insbesondere gewünschte Oberflächenformen ausbilden zu können.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Luftlagerelement
25 eine Vielzahl diskreter Luftdüsen aufweisen. Derartige Luftdüsen können beispielsweise grundsätzlich wie in der
DE 10 2014 109 654 beschrieben implementiert sein, wobei lediglich die in der
DE 10 2014 109 654 beschriebene Verstellmöglichkeit, d. h. die Aktoren, weggelassen werden, die Luftzufuhr jedoch ansonsten entsprechend implementiert ist.
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Auf dem Luftlagerelement 25 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ein Nadelkissen 26 angeordnet. Das Nadelkissen 26 umfasst dabei eine Vielzahl von langgestreckten Kopplungselementen, im Folgenden auch als Nadeln bezeichnet. Diese Nadeln können beispielsweise aus ferromagnetischem Stahl oder einem ähnlichen Material gefertigt sein. Permanentmagnete (in 2 nicht dargestellt) können bereitgestellt sein, um die Nadeln zu dem Luftlagerelement 25 hinzuziehen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist zwischen den Nadeln des Nadelkissens 26 und dem Luftlagerelement 25 eine flexibles, luftundurchlässige Membran 213 angeordnet.
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Eine genauere Beschreibung eines derartigen Nadelkissen findet sich in der bereits erwähnten
DE 10 2014 109 654 . Die dort beschriebenen Abwandlungen und Variationen für das dortige Nadelkissen sind auch auf das Nadelkissen
26 der
2 anwendbar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 weisen nicht alle Nadeln des Nadelkissens 26 die gleiche Länge auf, sondern die Länge wächst ausgehend von einer Achse 211 zu einem Rand hin an. Die Länge der Nadeln des Nadelkissens 26 sind bei dem Ausführungsbeispiel der 2 insbesondere so gewählt, dass sie sich auf einer der Linse 28 zugewandten Seite des Nadelkissens 26 bei einer flachen Oberfläche des Luftlagerelements 25 (wie beispielsweise auf der rechten Seite in 2) eine sphärische Form bildet. Die sphärische Form kann beispielsweise einen Radius entsprechend einem sphärischen Ersatzradius der Linse 28 oder eines Best-Fit-Radius der Linse 28 aufweisen.
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Auf dem Nadelkissen befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ein Bearbeitungselement 24, welches im Wesentlichen die Funktion des Bearbeitungselements 13 der 1 aufweist. Zwischen dem Bearbeitungselement 24 und dem Nadelkissen 26 kann zudem eine weitere luftdurchlässige Membran 214 bereitgestellt sein. Die Nadeln des Nadelkissens 26 können aber auch direkt mit dem Bearbeitungselement 24 in Kontakt stehen und mit diesem verbunden sein. Das Bearbeitungselement 24, die Membran 213 und die Membran 214 sind dabei in einem Rahmen 21 eingespannt, welcher sich beispielsweise kugelgelagert in Kugellagern 22 wie durch einen Pfeil 23 angedeutet drehen kann, sodass sich das Bearbeitungselement 24 im Betrieb zusammen mit den Membranen 213, 214 und dem Nadelkissen 26 um die Achse 211 dreht. Die Lagerung mittels Kugellagern 23 stellt eine Alternative zu der Achse 15 der 1 dar.
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Das Luftlagerelement 25 bleiben bei dieser Drehung stationär. Durch durch den Luftkanal 212 zugeführte Luft schwebt dabei die Membran 213 und auf der Membran das Nadelkissen 26, die Membran 214 und das Bearbeitungselement 24 gleichsam auf einem Luftkissen.. Zum Polieren der Linse 28 kann dann beispielsweise ein entsprechendes Poliermittel auf das Bearbeitungselement 24 aufgebracht werden, wie bereits unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
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Um nun dort, wo die asphärische Linse 28 mit dem Bearbeitungsbearbeitungselement 24 in Kontakt gerät, eine entsprechende asphärische Form zu erzielen, ist eine dem Nadelkissen 26 zugewandte Oberfläche des Luftlagerelements 25 in einem Bereich 27 entsprechend bearbeitet. Insbesondere wird in dem Bereich 27 von der planen Form der Oberfläche des Luftlagerelements 25 so abgewichen, dass sich zusammen mit der sphärischen Grundform des Nadelkissens 26 eine gewünschte asphärische Form zum Polieren der asphärischen Linse 28 ergibt. In diesem Fall sorgt also das Luftlagerelement 25 für asphärische Korrekturen der sphärischen Grundform, die durch das Nadelkissen 26 vorgegeben ist. In Betrieb, also bei der oben beschriebenen Rotationsbewegung des Rahmens 21 und somit der membranen 213, 214, des Nadelkissens 26 und des Bearbeitungselements 24 überträgt das Nadelkissen 24 dann die in den Bereich 27 eingearbeiteten Abweichungen von der planen Form auf das Bearbeitungselement 24. Die Bearbeitung des Bereichs 27, um eine geeignete Oberflächenkontur bereitzustellen, kann dabei beispielsweise durch eine Schleifbearbeitung mit einer konventionellen CNC-Freiformschleifmaschine erfolgen. Auch andere Bearbeitungsverfahren sind möglich, beispielsweise Ultrapräzisions(UP)-Drehen. Da Fehler in der Bearbeitung der Oberfläche des Luftlagerelements 25 in dem Bereich 27 direkt zu Fehlern in der asphärischen Linse 28 führen können, ist hier eine möglichst genaue Bearbeitung erforderlich.
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Das Luftlagerelement 25 und/oder das Nadelkissen 26 können dabei austauschbar sein. Durch verschiedene Luftlagerelemente 25 können beispielsweise verschiedene Asphärenformen erzeugt werden, während durch Austausch des Nadelkissens 26 verschiedene Grundformen (beispielsweise sphärische Grundformen mit verschiedenen Radien) vorgegeben werden können.
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Wird für die sphärische Grundformen des Nadelkissens 26 wie oben erwähnt ein Best-Fit-Radius als sphärischer Ersatzradius verwendet, wird die Abweichungssumme der asphärischen Form von diesem Radius minimiert, sodass die nötige Bearbeitung des Bereichs 27 minimiert wird. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ersatzradien möglich. Beispielsweise werden bei einer mathematischen Beschreibung einer Asphäre häufig ein sphärischer Ersatzradius, eine Kegelschnittkonstante sowie eine Reihe quadratischer Polynome, welche eine Abweichung von der sphärischen Grundform definieren, verwendet. Bei derartigen herkömmlichen Beschreibungen ist jedoch der sphärische Ersatzradius nicht so ausgelegt, dass die asphärischen Korrekturen (auch als Abweichungen bezeichnet) minimiert werden. In diesem Fall wäre also eine stärkere Bearbeitung des Bereichs 27 notwendig als bei der Verwendung eines Best-Fit-Radius, der beispielsweise mit einem Verfahren kleinster betragsmäßiger Abweichungen oder kleinster quadratischer Abweichungen bestimmt werden kann.
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In Betrieb wird dann eine zu bearbeitende Oberfläche 28A der asphärischen Linse 28 unter einem Winkel 210 zu der Achse 211, der von 0° verschieden ist, gegen das Bearbeitungselement 24 gedrückt und um eine Achse 29 rotiert, während der Rahmen 21 zusammen mit dem Bearbeitungselement 24 um die Achse 211 rotiert. Dabei wird ein Bearbeitungsmittel wie eine Polierpaste oder ein anderes Poliermittel auf das Bearbeitungselement 24 aufgebracht.
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Die Form des Bereichs 27 entspricht dann den um den Schwenkwinkel 210 gekippten und in Bewegungsrichtung der Nadeln des Nadelkissens 26 projizierenden Asphärenkoeffizienten. Aufgrund des Schwenkwinkels 210 weist die in den Bereich 27 einzuprägende Form dabei keine Rotationssymmetrie auf, sondern lediglich eine Spiegelsymmetrie entlang der durch die Werkstück- und Werkzeugachsen (29, 211) aufgespannten Ebene. Der Bereich 27 erstreckt sich dabei so weit, wie die asphärische Linse 28 mit dem Bearbeitungselement in Kontakt gerät. In anderen Bereichen kann die Oberfläche des Luftlagerelements 25 plan belassen werden.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch in verschiedenen Bereichen Formen für verschiedene Asphären in die Oberfläche des Luftlagerelements 25 eingeprägt sein, wobei dann für die Bearbeitung einer bestimmten asphärischen Linse nur ein jeweiliger Bereich genutzt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 dient das Nadelkissen 26 zum Vorgeben einer Grundform, insbesondere einer sphärischen Grundform, und durch eine Bearbeitung einer Oberfläche des Luftlagerelements 25 werden entsprechende asphärische Korrekturen bereitgestellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Luftlagerelement wie das Luftlagerelement 25 dazu dienen, die gesamte Form (sphärische Grundform plus asphärische Korrekturen) bereitzustellen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt.
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Die 3 zeigt eine Vorrichtung 30, welche auf der Vorrichtung 20 der 2 basiert. Elemente und Komponenten, welche in den 2 und 3 gleich sind, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die Kombination aus Luftlagerelement 25 und Nadelkissen 26 der 2 durch ein einziges Luftlagerelement 30 ersetzt. Dieses kann wie das Luftlagerelement 25 aus einem entsprechenden porösen Material gefertigt sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist dabei in eine Oberfläche des Luftlagerelements 30, welche der asphärischen Linse 28 zugewandt ist, eine sphärische Grundform eingearbeitet. In einem Bereich 30A, in dem die asphärische Linse, insbesondere die zu bearbeitende Oberfläche 28A der asphärischen Linse 28, mit dem Bearbeitungselement 24 in Kontakt gerät, sind zusätzlich asphärische Korrekturen eingearbeitet, während in einem Bereich 30B beispielsweise nur die sphärische Grundform vorhanden ist. Letztendlich ist jedoch nur die Form in dem Bereich 30A relevant, da diese die Form des Bearbeitungselements 24 zur Bearbeitung vorgibt.
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Der Krümmungsradius der sphärischen Grundform ist dabei bei dem Ausführungsbeispiel der 3 entsprechend dem sphärischen Ersatzradius oder einem Best-Fit-Radius der asphärischen Linse 28 ausgeführt. Der Krümmungsmittelpunkt der Sphäre liegt dabei auf der Rotationsachse 211. Entsprechend dem Schwenkwinkel 210 wird dann die Asphärenkontur in den Bereich 30A eingearbeitet, wobei die Dicke der Membran des Bearbeitungselements 24 sowie gegebenenfalls vorhandener weiterer Schichten wie einer Membran berücksichtigt werden.
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Auch hier kann das Bearbeitungselement 30 austauschbar sein, sodass für verschiedene Werkstücke lediglich das Luftlagerelement 30 ausgetauscht werden muss.
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Im Vergleich zu der in der eingangs beschriebenen
DE 10 2014 109 651 weisen die hier dargestellten Lösungen verschiedene Vorteile auf, solange die erhöhte Flexibilität bei der Einstellung der Form in der
DE 10 2014 109 654 nicht benötigt wird. So können die Herstellungskosten für die Poliervorrichtung deutlich niedriger liegen, beispielsweise um einen Faktor 3–5 niedriger liegen, da der mechanische Aufbau deutlich vereinfacht ist. Durch den Verzicht auf eine Vielzahl von Verstellelementen oder Aktoren ist zudem die Fehleranfälligkeit verringert, und es entsteht keine zusätzliche Wärmequelle innerhalb des Werkzeugsaufbaus, welche eine thermische Drift verursachen könnte. Aktoren erzeugen nämlich im Betrieb Wärme, welche den Werkzeugaufbau erwärmen kann.
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Bei Bereitstellen einer entsprechenden Wechselschnittstelle, beispielsweise einfacher Befestigungsmittel, kann trotzdem relativ schnell auf eine andere Werkstückgeometrie gewechselt werden, indem beispielsweise nur das Luftlagerelement 25 oder 30 und/oder das Nadelkissen 26 ausgetauscht wird. Dabei sind die Herstellungskosten des Ausführungsbeispiels der 3 im Regelfall geringer als diejenigen des Ausführungsbeispiels der 2.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bearbeiten eines optischen Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses Verfahren benutzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie oben beschrieben, beispielsweise eine der unter Bezugnahme auf die 1–3 beschriebenen Vorrichtungen.
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In einem Schritt 40 wird ein Bearbeitungsmittel auf ein Bearbeitungselement der Vorrichtung aufgebracht, beispielsweise ein Poliermittel wie eine Polierpaste. Das Bearbeitungselement kann beispielsweise das Bearbeitungselement 13 der 1 oder das Bearbeitungselement 24 der 2 oder 3 sein.
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In Schritt 41 wird das zu bearbeitende Werkstück (zum Beispiel 18 der 1 oder 28 der 2 und 3) mit dem Bearbeitungselement in Kontakt gebracht und insbesondere mit einem vorgegebenen Druck gegen das Bearbeitungselement gepresst.
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In Schritt 42 werden dann das Werkstück und das Bearbeitungselement rotiert, bevorzugt mit gleichläufigem Drehsinn wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, um das Werkstück zu bearbeiten.
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Die obigen Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung. Insbesondere sind auch andere Aufbauten von Luftlageanordnungen möglich, so lange von einem ortsfesten Aufbau ein Luftkissen entlang einer vorgegebenen, starren Kontur erzeugt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7364493 B1 [0007]
- DE 102014109654 [0008, 0038, 0048, 0048, 0050, 0065]
- DE 102014109651 [0065]
