EP4680428A1 - Verfahren zum polieren von werkstücken durch bearbeitung mit energetischer strahlung - Google Patents

Verfahren zum polieren von werkstücken durch bearbeitung mit energetischer strahlung

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EP4680428A1
EP4680428A1 EP24711537.1A EP24711537A EP4680428A1 EP 4680428 A1 EP4680428 A1 EP 4680428A1 EP 24711537 A EP24711537 A EP 24711537A EP 4680428 A1 EP4680428 A1 EP 4680428A1
Authority
EP
European Patent Office
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processing
energetic radiation
workpiece
machining
radiation
Prior art date
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Pending
Application number
EP24711537.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Jung
Edgar Willenborg
Karsten Braun
Emra ULUZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
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    • B23K26/3576—Diminishing rugosity, e.g. by grinding, polishing or smoothing
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    • B23K2103/42—Plastics other than composite materials
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    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the application relates to a method for polishing workpieces, in particular made of glass or plastic, by processing with energetic radiation, in particular laser radiation, comprising the following method steps: providing a workpiece which has a first surface and a second surface lying opposite it, polishing the first surface by irradiation with energetic radiation with first processing parameters and polishing the second surface by irradiation with energetic radiation with second processing parameters.
  • Polishing surfaces with energetic radiation is based on the absorption of the energetic radiation in a thin surface layer of the workpiece, so that temperatures close to the surface are achieved just below the material-specific evaporation temperature of the respective material.
  • the viscosity of the material is reduced by heating, which results in the surface being smoothed by the surface tension. In principle, this results in a fundamentally different operating principle compared to conventional polishing processes. Instead of physically removing material through mechanical processing, the surface is smoothed by remelting it, i.e. by redistributing the material.
  • WO 2012 / 1 19 761 A1 describes a method for manufacturing optical elements by processing with energetic radiation.
  • blanks made of quartz glass are first treated with coarse removal and then polished with energetic radiation.
  • Surface parameters are then compared with a target value. If the surface parameters are outside a defined tolerance range, further steps of fine removal of Material using energetic radiation until the surface parameters are within the defined tolerance range.
  • the surface of the workpiece to be processed is scanned with a radiation source in parallel paths, for example in a meandering shape.
  • the object of the present invention is therefore to provide an efficient method for smoothing and polishing thin glasses and thermoplastics by processing with energetic radiation, which causes smaller deviations in the shape of the workpiece geometry when smoothing or polishing the workpieces with energetic radiation.
  • a method is to be specified with which very smooth and highly precise surfaces of optical elements or other thin workpieces made of glass or thermoplastics can be produced.
  • the object is achieved with the method according to patent claim 1.
  • Advantageous embodiments of the method are the subject of the subclaims or can be taken from the following description and the embodiments.
  • the object is achieved by a method for polishing workpieces, in particular made of glass or plastic, by processing with energetic radiation, in particular laser radiation.
  • a workpiece is provided which has a first surface and a second surface opposite it. The first surface is polished by irradiation with energetic radiation with first processing parameters and the second surface is polished by irradiation with energetic radiation with second processing parameters.
  • the method is characterized in that the first processing parameters for polishing the first surface and the second processing parameters for polishing the second surface are selected such that by irradiating the second surface with energetic radiation with second processing parameters, the second surface is subjected to a higher thermal stress than the first surface by irradiation with energetic radiation with the first processing parameters, in order to thereby reduce distortion of the workpiece.
  • the inventors of the present invention have found that by machining the second surface with second machining parameters that induce a higher thermal stress in the workpiece than is the case with machining the first surface with the first machining parameters, a smaller distortion of the workpiece can be achieved than in comparison to machining the workpiece on one side or in comparison to machining the first and second surfaces of the workpiece with identical machining parameters.
  • the thermal stress that arises in the workpiece when machining the second surface with the second machining parameters is increased compared to machining the first surface with the first machining parameters by selecting the appropriate parameters in order to reduce the distortion of the workpiece. To do this, either individual machining parameters or several machining parameters in combination can be adjusted, whereby the total thermal stress generated when machining the second surface must be higher than when machining the first surface.
  • thermal stress is mentioned in connection with the method according to the invention, what is meant is, strictly speaking, thermally induced mechanical stress.
  • this has the technical advantage that there is no need for complex mechanical regrinding after processing a workpiece with energetic radiation to compensate for distortion. This technical advantage is reflected in a reduction in processing time and processing costs. Furthermore, no foreign substances such as chemicals and polishing agents need to be applied to the surfaces of the workpiece, which can prevent contamination and the resulting loss of surface quality. In addition, occupational safety is increased because avoiding mechanical regrinding prevents the release of fine material dust, which the operator should avoid inhaling for health reasons.
  • laser polishing also enables the selective polishing of workpieces with different complex geometries.
  • the energetic radiation is directed, preferably vertically, onto one of the surfaces of the workpiece.
  • the energetic radiation is absorbed within a thin edge layer close to the surface, which heats up the material. In the case of quartz glass, for example, this is an edge layer area on the order of several micrometers.
  • the increase in temperature reduces the viscosity of the material and the material begins to flow. As a result, surface roughness is smoothed out by the surface tension without any material being removed.
  • WLI White light interferometry
  • AFM atomic force microscopy
  • laser scanning microscopy or profilometry are suitable for determining surface roughness.
  • WLI White light interferometry
  • laser interferometry laser scanning microscopy or profilometry are suitable for determining the shape deviations in the workpiece geometry.
  • the so-called peak-to-valley distance is measured in white light interferometry. This distance is the distance between the highest and lowest point on the surface being measured.
  • the peak-to-valley distance can be measured in accordance with the standards DIN EN ISO 101 10-5 and ISO 14999-4.
  • the method according to the invention has its advantageous effect particularly in the case of thin workpieces. Accordingly, the advantages of the method according to the invention are particularly evident in the case of workpieces that have a first and a second surface that are considerably larger in relation to the other outer surfaces of the workpiece. The distance between the first and the second surface corresponds to the thickness of the workpiece. This particularly applies to workpieces with a thickness in the range of 0.5 mm to 10 mm.
  • Workpieces made of materials such as glass, in particular quartz glass, borosilicate crown glass (e.g. N-BK7) and heavy flint glass (e.g.
  • thermoplastics such as polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA) and polyamides (PA) are suitable for the method according to the invention. It should be noted that the materials made of thermoplastics do not necessarily have to be transparent.
  • the workpieces include, for example, imaging optics, aspherical lenses or free-form lenses.
  • the first and second surfaces of the workpiece can be prefabricated by cutting, drawing, forming, grinding, injection molding, laser ablation or additive manufacturing processes.
  • the energetic radiation is preferably laser radiation that is absorbed close to the surface. It is particularly preferably infrared laser radiation from a CO 2 laser.
  • a laser can be operated in continuous, pulsed or modulated mode and a laser power of between 1 W and 4000 W, preferably between 100 W and 2000 W, can be used. If, for example, a laser is used in pulsed mode, the laser can be operated with a pulse duration of 1 ps to 1000 ps and a repetition rate of 1000 Hz to 150,000 Hz.
  • Infrared radiation, microwave radiation or electron radiation are also suitable as energetic radiation.
  • the surface section to be processed can be irradiated over its entire surface by expanding a laser beam with suitable optics, such as lens systems, or it can be scanned by at least one energetic beam.
  • the beam can be guided over the surface section to be processed using mirrors and/or machine axes.
  • Several beams of energetic radiation can also be used for simultaneous or consecutive processing of the surface, for example to achieve a more uniform temperature application to the workpiece or a higher surface rate. Either consecutive processing of the first and then second surface or simultaneous processing of the first and second surfaces.
  • the gases argon, helium, carbon dioxide and nitrogen are particularly suitable for this. This prevents contamination from burning into the surface of the workpiece during processing with energetic radiation and reduces the surface roughness.
  • the first and second processing parameters are selected from the group comprising process temperature, interaction time of the energetic radiation with the respective surface, scanning speed, beam diameter, track spacing and combinations thereof.
  • the process temperature is the maximum temperature of the workpiece within the interaction zone of the energetic radiation with the workpiece.
  • the interaction zone represents the area in which the energetic radiation interacts with one of the surfaces during irradiation.
  • Process temperatures range between 300 °C and 2500 °C for glass and between 100 °C and 500 °C for plastics.
  • the interaction time is the time in which the energetic radiation interacts with the material.
  • the interaction time is in the range between 0.5 s and 10 s for glasses and 1 s and 1000 s for plastics, with interaction times over 60 s being particularly relevant for extremely rough surfaces (surface roughness Ra > 3 pm), such as additively manufactured components.
  • the beam diameter of the energetic radiation can be in the range of 100 pm to 25 mm, preferably in the range of 1 mm to 10 mm.
  • the track spacing is the distance between the individual processing tracks on which a surface is treated with the energetic radiation being processed are offset from each other.
  • the track spacing is in the range of 1 pm to 2000 pm, preferably in the range of 5 pm to 200 pm.
  • the workpiece cools between the machining of the first and second surfaces during consecutive machining of the first and then the second surface.
  • the workpiece cools to a temperature below the material-specific glass transition temperature or melting temperature in the case of materials with a fixed melting temperature. It is preferred that the workpiece has the same initial temperature at the start of processing the second surface as at the start of processing the first side, thereby achieving a reproducible polishing result.
  • the processing of the second surface with energetic radiation with the second processing parameters produces a higher temperature gradient in the workpiece than the processing of the first surface with energetic radiation with the first processing parameters.
  • the second surface Due to the higher temperature gradient between the temperature on the second surface and the internal temperature of the workpiece, which is caused by processing the second surface with energetic radiation using the second processing parameters in the workpiece, the second surface is subjected to a higher thermal stress than the first surface. This results in the surprising technical effect that the distortion of the workpiece is reduced when processing the workpiece with energetic radiation according to the invention.
  • the process temperature when machining the second surface is higher than the process temperature when machining the first surface.
  • the process temperature is in the range from 100°C to 2500°C, preferably in the range between the material-specific glass transition temperature or melting temperature for materials with a fixed melting temperature and the material-specific evaporation temperature of the workpiece.
  • process temperature for processing the first and second surface depends heavily on the material.
  • a temperature in degrees Celsius that is 0.1% to 30% higher than that for processing the first surface should be selected for processing the second surface.
  • the workpiece is subjected to a higher thermal stress when the second surface is machined and a higher temperature gradient is generated in the workpiece, so that the technical advantage is achieved that the distortion of the workpiece when machining the workpiece with energetic radiation is lower than with conventional laser polishing processes.
  • the interaction time of the energetic radiation when processing the second surface is higher than the interaction time when processing the first surface.
  • interaction time for processing the first and second surface is highly dependent on the material.
  • an interaction time that is 1% to 500% longer than that for processing the first surface must be selected.
  • the energetic radiation interacts with the second surface for a longer period when irradiating the second surface than when irradiating the first surface.
  • the workpiece is subjected to a higher overall thermal stress when machining the second surface due to the longer interaction time.
  • the workpiece is preheated before irradiation with energetic radiation.
  • the preheating temperature is selected to be lower during consecutive processing of the first and then second surface before irradiating the second surface with second processing parameters than before irradiating the first surface with first processing parameters.
  • the preheating temperature is selected material-specifically in the range between 25°C and 1300°C. Preheating provides the technical advantage that the development of thermal stresses in the workpiece can be regulated when processing a surface with energetic radiation. Higher preheating temperatures lead to lower thermal stresses in the workpiece.
  • the preheating temperature when irradiating the second surface with second processing parameters is therefore selected to be lower than when irradiating the first surface with first processing parameters.
  • irradiating the second surface with the second processing parameters creates a higher temperature gradient in the workpiece and subjects the workpiece to a higher thermal stress, which reduces the distortion of the workpiece.
  • a temperature of the first and/or second surface is monitored and in particular controlled during processing, wherein in particular the process temperature of the first and/or second surface is measured.
  • the respective temperature can be measured at one or more fixed positions relative to the interaction zone or at one or more variable positions on the first and/or second surface. These measurements can be carried out using a point, line or area thermal camera or using a pyrometer.
  • the thermal radiation in the immediate interaction area of the energetic radiation on the surface of the workpiece can be measured and the temperature determined from this.
  • a pyrometer can be permanently connected to the energetic radiation source.
  • the temperature recorded in this way can be used, for example, to adjust the power of the radiation source.
  • the scanning speed can be adjusted instead of the power of the radiation source in order to achieve the desired process temperature.
  • the temperature can be controlled, for example, for heat-sensitive materials or for workpieces with localized Particularly sensitive surface areas or complex workpiece geometries where different heat conduction properties exist at different positions must be kept within a specific tolerance range between a maximum and a minimum temperature.
  • the first and second processing parameters are adjusted in such a way that a constant process temperature or a defined temperature profile is produced on the first and/or second surface.
  • a pyrometer can be used to determine the temperature and, via a suitable control technology, the temperature recorded in this way can be used, for example, to adjust the first and second processing parameters in such a way that a constant process temperature or a defined temperature profile is achieved.
  • the energetic radiation is directed at the respective surface for irradiation and is guided over the respective surface at a relative speed so that the energetic radiation is formed into a quasi-line, wherein the respective surface is polished in particular by repeatedly passing over the respective surface with energetic radiation formed into the quasi-line.
  • the energetic radiation is moved back and forth along a line, wherein the length of the line is at least as long as an extension of the surface to be polished.
  • the translatory oscillating movement component has a scanning speed in the range of 100 mm/s to 10000 mm/s, preferably in a range of 2000 mm/s to 10000 mm/s
  • the feed movement component has a feed speed in the range of 0.1 mm/s to 50 mm/s, preferably in a range of 1 mm/s to 10 mm/s.
  • a quasiline which is generated by the energetic radiation oscillating in a translatory manner at high speed on the workpiece and which is moved over the surface at the feed rate. If the surface is irradiated with energetic radiation in this way, this is also referred to as a quasiline processing strategy.
  • the quasi-line processing strategy is chosen, especially for polishing glasses, but also thermoplastics, using energetic radiation.
  • the surface of the workpiece is polished by passing over the respective surface once. It is also possible to polish the respective surface by passing over the corresponding surface several times with the energetic radiation.
  • the number of passes can be between 1 and 20. The number of passes depends, among other things, on the scanning speed used. Processing with a single pass is particularly preferred. At high scanning speeds, more passes tend to be required, with each individual pass partially reducing the surface roughness and healing or melting the microcracks in the area of the surface and in the area just below the surface close to the surface.
  • the respective energy input can be set lower when using several individual passes than when using a single pass, the overall energy input is more homogeneous.
  • passing over a workpiece surface several times has the technical advantage that a low surface roughness can be achieved in a more gentle manner than when using a single pass.
  • the process pause between the individual passes on a surface achieves the technical advantage that the workpiece can move during the pause can cool down and thus overheating of the surface due to preheating from previous passes can be avoided, thereby preventing unwanted material evaporation.
  • the number of passes is between 1 and 20, preferably between 1 and 5, wherein the number of passes when machining the second surface is higher, preferably 1 to 2 passes higher, than when machining the first surface.
  • the energetic radiation interacts with the second surface for a longer time overall when irradiating the second surface than when irradiating the first surface.
  • the workpiece is subjected to a higher overall thermal stress when machining the second surface due to the longer overall interaction time.
  • thermoplastics As a rule, a higher number of passes is selected for processing thermoplastics than for processing glass, and the other processing parameters are adjusted accordingly to suit the material. This enables the workpiece to be processed more gently and reduces distortion, which plastics are generally more susceptible to.
  • the first surface is machined with one pass and the second surface is machined with several passes, wherein when machining the second surface in the first pass the second machining parameters are identical to the first machining parameters for machining the first surface.
  • the workpiece can be examined and in particular the surface quality of the first or second or both surfaces can be determined. Furthermore, the distortion of the workpiece can be measured after one or a certain number of passes and the processing parameters can be adjusted based on these measurement results. For example, one or both surfaces can be optically measured and with a target surface contour and target surface roughness. If such measurements show deviations outside a specified tolerance range, a further pass is carried out. With a further pass, any remaining waviness or other deviations from the target surface contour or target surface roughness can be reduced. This allows the process to be flexibly adapted to the respective workpiece.
  • the process temperature corresponds to 10% to 90% of the process temperature during the first pass and/or the interaction time corresponds to 10% to 90% of the interaction time during the first pass.
  • the workpiece can be examined and in particular the surface quality of the first or second or both surfaces can be determined. Furthermore, the distortion of the workpiece can be measured after one or a certain number of passes and the processing parameters can be adjusted step by step with each subsequent pass based on these measurement results. In particular, the process temperature and/or the interaction time can be selected to be gradually lower with each subsequent pass of the second surface. This step-by-step processing process can be carried out until the measurement results are within a desired tolerance range.
  • the process can be flexibly adapted to the workpiece.
  • the energetic radiation for irradiation is directed onto the respective surface and guided over the respective surface at a relative speed such that the energetic radiation is formed into a quasi-tophat distribution.
  • the processing strategy in which the energetic radiation is formed into a quasi-tophat distribution is characterized by the fact that, unlike the quasi-line processing strategy, the feed movement component of the scanning speed is also very high, so that the entire surface of the workpiece to be processed is scanned with the energetic radiation in a very short time, typically in less than a second. After each scanning cycle, the surface area to be processed is immediately scanned again, so that scanning takes place several times per second.
  • the orientation of the scanning paths is preferably rotated by an angle, e.g. 90°.
  • the aim of this processing strategy is to achieve a temperature field that is as homogeneous as possible across the entire surface area to be processed.
  • the scanning speed can be varied within the surface area to be processed and/or during a scanning cycle. This makes it possible, for example, to compensate for the increased heat dissipation at the edge of the surface area to be processed.
  • the scanning process which consists of a large number of scanning cycles, is repeated for a fixed time corresponding to the interaction time.
  • thermoplastics which are processed at a lower process temperature than glass.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the machining method according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the processing of the workpiece by means of energetic radiation in quasi-line distribution.
  • Fig. 3 is a schematic representation of the processing of the workpiece by means of energetic radiation in quasi-tophat distribution.
  • Fig. 1 shows a workpiece 1 whose first surface 1 1 and second surface 12 are polished by means of energetic radiation 2.
  • the first surface 1 1 is polished by irradiation with energetic radiation 21 with first processing parameters.
  • the workpiece 1 ' which has already been polished on one side, is further processed in a subsequent step and the second surface 12 is polished with energetic radiation 22 with second processing parameters. If the surface parameters of interest lie outside a defined tolerance range after the first 1 1 and second surface 12 have been processed once, further steps of polishing using energetic radiation are carried out until the surface parameters of both surfaces (1 1, 12) lie within the desired tolerance range and the workpiece 1 ” has been polished to the desired extent.
  • Fig. 2 shows the movement of the energetic radiation 2 over the workpiece 1 in the quasi-line machining strategy.
  • the energetic radiation 21 with first machining parameters is directed onto the first surface 1 1.
  • Fig. 2 also shows how the energetic radiation 21 with first machining parameters is guided over a partial area 1 1 1 of the first surface.
  • the energetic radiation 21 with first machining parameters is moved back and forth along a line 21 a and, in addition, the entire line 21 a is guided over the partial area 1 1 1 of the first surface.
  • This movement is generated by the superposition of a translationally oscillating movement component v scan y and a feed movement component v scan x .
  • the second surface 12 can be polished with second machining parameters in the quasi-line machining strategy, even if this is not explicitly shown in Fig. 2.
  • Fig. 3 shows the movement of the energetic radiation 2 over the workpiece 1 in the quasi-tophat processing strategy.
  • the energetic radiation 21 with first processing parameters is directed onto the first surface 1 1 .
  • Fig. 3 also shows how the energetic radiation 21 with first processing parameters is guided over a partial area 1 1 1 of the first surface at the scanning speed v scan . After a scanning cycle, the partial area 1 1 1 of the first surface is immediately scanned again, with the alignment of the scanning paths being rotated by an angle.
  • the second surface 12 can be polished with second machining parameters in the quasi-tophat machining strategy, even if this is not explicitly shown in Fig. 3.
  • the method according to the invention can be used to polish a thin workpiece 1 made of N-BK7 glass using laser radiation.
  • a quasi-line scanning strategy is selected as the scanning strategy.
  • the workpiece 1 has a thickness of 5 mm.
  • a laser power of 700 W, a beam diameter of 20 mm and a feed rate of 8 mm/s are selected and the machining is carried out within one pass.
  • two passes are carried out.
  • a laser power of 700 W, a beam diameter of 20 mm and a A feed rate of 8 mm/s is selected.
  • an adjusted laser power of 350 W is selected, while the beam diameter and feed rate are maintained as in the first pass.
  • the distortion of the workpiece 1" is then determined using white light interferometry via the peak-to-valley distance.
  • a peak-to-valley distance of 9 pm is measured on the second surface 12, which corresponds to a geometric deviation from the planar target geometry, i.e. the distortion of the surface.
  • the machining parameters selected are those which are used in the application of the method according to the invention when machining the first surface 11 of the N-BK7 workpiece 1 to be compared.
  • first the first surface 1 1 and then the second surface 12 of the reference workpiece 1 are machined with a laser power of 700 W, a beam diameter of 20 mm and a feed rate of 8 mm/s using a quasi-line machining strategy.
  • the method according to the invention can be used for polishing a thin workpiece 1 made of the thermoplastic polymethyl methacrylate (PMMA) using laser radiation.
  • a quasi-line processing strategy with temperature control that keeps the process temperature constant is selected as the scanning strategy.
  • the workpiece 1 has a thickness of 3 mm.
  • a process temperature of 225°C and a feed rate of 2 mm/s are selected and the machining is carried out within one pass.
  • a process temperature of 225°C and a feed rate of 2 mm/s are selected for the first pass.
  • a process temperature of 180°C and a feed rate of 2 mm/s are selected.
  • the distortion of the workpiece 1" is then determined using white light interferometry via the peak-to-valley distance.
  • a peak-to-valley distance of 8.7 pm is measured on the first surface 11 and a peak-to-valley distance of 9.4 pm is measured on the second surface 12, which corresponds to a geometric deviation from the planar target geometry.
  • the machining parameters used in the inventive application of the method for machining the first surface 11 of the PMMA workpiece to be compared are selected. Specifically, first the first surface 11 and then the second surface 12 of the reference workpiece are machined with one pass, a process temperature of 225°C and a feed rate of 2 mm/s with a quasi-line scanning strategy and a temperature control that keeps the process temperature constant. This leads to a distortion measured by white light interferometry on the first surface 11 of 21.7 pm and on the second surface 12 of 23.8 pm.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polieren von Werkstücken (1), insbesondere aus Glas oder Kunststoff, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung (2), insbesondere Laserstrahlung. Zunächst wird ein Werkstück (1) bereitgestellt, das eine erste Oberfläche (11) und gegenüber liegend eine zweite Oberfläche (12) aufweist. Dann wird die erste Oberfläche (11) durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung (21) mit ersten Bearbeitungsparametern poliert und die zweite Oberfläche (12) durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung (22) mit zweiten Bearbeitungsparametern poliert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Bearbeitungsparameter zum Polieren der ersten Oberfläche und die zweiten Bearbeitungsparameter zum Polieren der zweiten Oberfläche derart gewählt werden, dass durch das Bestrahlen der zweiten Oberfläche (12) mit energetischer Strahlung (22) mit zweiten Bearbeitungsparametern die zweite Oberfläche (12) mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt wird als die erste Oberfläche (11) durch das Bestrahlen mit energetischer Strahlung (21) mit den ersten Bearbeitungsparametern.

Description

Patentanmeldung:
Verfahren zum Polieren von Werkstücken durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Polieren von Werkstücken, insbesondere aus Glas oder Kunststoff, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Werkstücks, das eine erste Oberfläche und gegenüber liegend eine zweite Oberfläche aufweist, Polieren der ersten Oberfläche durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung mit ersten Bearbeitungsparametern und Polieren der zweiten Oberfläche durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern.
Die Glättung von Oberflächen hochpräziser optischer Komponenten und Oberflächen dünner Gläser und thermoplastischer Kunststoffe erfolgt heutzutage weitestgehend durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Polieren. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere Oberflächen optischer Elemente höchste Präzision in Bezug auf Oberflächengüte, wie etwa Oberflächenrauheit, und Formgenauigkeit erfordern. Beim konventionellen Schleifen wird über definierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück und bei einem definierten Schleifdruck Material mechanisch von der Oberfläche abgetragen. Üblicherweise wird bei der konventionellen Bearbeitung in einem ersten Bearbeitungsschritt die gewünschte Form des Werkstücks durch Schleifen erzeugt. Jedoch entstehen bei diesem Abtragprozess eine Vielzahl von Mikrorissen im Bereich der Oberfläche und im Bereich knapp unterhalb der Oberfläche (auch „sub surface damage" SSD genannt). Dies begünstigt bei spröden Werkstoffen, wie etwa Gläsern und thermoplastischen Kunststoffen, die Bildung von Rissen, deren Ausbreitung sowie die Bildung und Ausbreitung von Brüchen.
Zur Korrektur und vollständigen Beseitigung der Mikrorisse an und knapp unterhalb der Oberfläche werden bei der konventionellen Bearbeitung von Oberflächen mehrstufige Schleifzyklen und anschließend mehrstufige Polierzyklen mit immer feiner werdenden Werkzeugen und Schleif- bzw. Poliermitteln durchgeführt. Abhängig von der zu glättenden Oberfläche können mit dieser Methode Oberflächenrauheiten in der Größenordnung von Ra = 1 nm erzielt werden. Allerdings führt dieses konventionelle Verfahren zu einem entsprechend großen Zeitaufwand und dem Verschleiß von Werkzeug und Verbrauchsmaterial. Ferner können sich Schleif- und Poliermittel in der Oberfläche einlagern und die Oberflächengüte durch Absorptions- und Streuverluste vermindern. Zudem wird beim Schleifen Material statistisch zufällig von der Oberfläche abgetragen, was zu Ungenauigkeiten und höheren Bearbeitungszeiten führen kann.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Polieren von Oberflächen, insbesondere von Oberflächen optischer Komponenten, mit energetischer Strahlung, wie etwa Laserstrahlung, bekannt. Diese Verfahren ermöglichen eine vollständige Beseitigung von Mikrorissen im Bereich der Oberfläche und im Bereich knapp unterhalb der Oberfläche innerhalb eines einzigen Polierschrittes, wodurch das konventionell aus mehrstufigen Schleifzyklen und anschließenden mehrstufigen Polierzyklen bestehende Bearbeitungsverfahren vereinfacht oder ersetzt werden kann.
Das Polieren von Oberflächen mit energetischer Strahlung beruht auf der Absorption der energetischen Strahlung in einer dünnen Randschicht des Werkstücks, so dass oberflächennah Temperaturen knapp unterhalb der materialspezifischen Verdampfungstemperatur des jeweiligen Werkstoffs erzielt werden. Dabei wird die Viskosität des Werkstoffs durch die Erhitzung reduziert, wodurch sich durch die Oberflächenspannung eine Glättung der Oberfläche ergibt. Grundsätzlich ergibt sich daher im Vergleich zu konventionellen Polierverfahren ein grundlegend anderes Wirkprinzip. Anstelle eines physischen Abtrags von Material durch mechanische Bearbeitung erfolgt die Glättung der Oberfläche durch deren Umschmelzen, also eine Materialumverteilung.
Beispielsweise beschreibt die WO 2012 / 1 19 761 A1 ein Verfahren zur Fertigung optischer Elemente durch eine Bearbeitung mit energetischer Strahlung. Hierbei werden Rohlinge aus Quarzglas zunächst über einen Grobabtrag behandelt und anschließend mit energetischer Strahlung poliert. Anschließend werden Oberflächenparameter mit einem Sollwert verglichen. Sofern die Oberflächenparameter außerhalb eines definierten Toleranzbereiches liegen, erfolgen so lange weitere Schritte eines Feinstabtrags von Material mittels energetischer Strahlung, bis die Oberflächenparameter innerhalb des definierten Toleranzbereiches liegen. Dazu wird die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes mit einer Strahlungsquelle in parallelen Bahnen beispielsweise mäanderförmig abgerastert.
Zwar bieten die bisher zum Polieren von Oberflächen mit energetischer Strahlung eingesetzten Technologien Vorteile gegenüber konventionellen mechanischen Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Polieren, jedoch bewirkt der beim Polieren mit energetischer Strahlung inhärente thermische Einfluss auf das Werkstück einen Verzug der Werkstückgeometrie. Dies erweist sich insbesondere bei der Fertigung von dünnen Bauteilen, wie etwa optischen Elementen, als unvorteilhaft. In der Praxis muss der durch das Polieren mit energetischer Strahlung entstandene Verzug anschließend oftmals durch konventionelles mechanisches Polieren korrigiert werden. Um dabei nicht weitere Mikrorisse zu verursachen, muss dieser Polierschritt sehr fein sein, was, je nach Stärke des Verzugs, zu sehr hohen Nachbearbeitungszeiten führen kann. Aufgrund der oftmals zur Korrektur eines durch Polieren mit energetischer Strahlung entstandenen Verzugs notwendigen Nachbearbeitungen werden daher die grundsätzlichen praktischen Vorteile der Politur mit energetischer Strahlung in Bezug auf die Minimierung der Bearbeitungsschritte und der Bearbeitungszeit zum Teil aufgehoben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein effizientes Verfahren zum Glätten und Polieren dünner Gläser und thermoplastischer Kunststoffe durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung bereitzustellen, das geringere Formabweichungen in der Werkstückgeometrie beim Glätten oder Polieren der Werkstücke mit energetischer Strahlung verursacht. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit welchem sehr glatte und hoch präzise Oberflächen von optischen Elementen oder anderen dünnen Werkstücken aus Glas oder thermoplastischen Kunststoffen gefertigt werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Polieren von Werkstücken, insbesondere aus Glas oder Kunststoff, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung gelöst. Dazu wird ein Werkstück bereitgestellt, das eine erste Oberfläche und gegenüber liegend eine zweite Oberfläche aufweist. Die erste Oberfläche wird durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung mit ersten Bearbeitungsparametern poliert und die zweite Oberfläche wird durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern poliert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Bearbeitungsparameter zum Polieren der ersten Oberfläche und die zweiten Bearbeitungsparameter zum Polieren der zweiten Oberfläche derart gewählt werden, dass durch das Bestrahlen der zweiten Oberfläche mit energetischer Strahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern die zweite Oberfläche mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt wird als die erste Oberfläche durch das Bestrahlen mit energetischer Strahlung mit den ersten Bearbeitungsparametern, um dadurch einen Formverzug des Werkstücks zu reduzieren.
Ein derartiges Verfahren erschien bisher zur Reduzierung von Formverzügen in laserpolierten Werkstücken nicht zielführend, da bei einer beidseitigen Bearbeitung eines Werkstücks zu erwarten war, dass die Bearbeitung der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mit identischen Bearbeitungsparametern zur Reduzierung von Formverzügen zu bevorzugen wäre.
Überraschenderweise wurde jedoch von den Erfindern der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass durch Bearbeitung der zweiten Oberfläche mit zweiten Bearbeitungsparametern, die eine höhere thermische Spannung im Werkstück induzieren als dies durch die Bearbeitung der ersten Oberfläche mit den ersten Bearbeitungsparametern der Fall ist, ein geringerer Formverzug des Werkstücks erzielt werden kann als im Vergleich zu einer einseitigen Bearbeitung des Werkstücks oder im Vergleich zu einer Bearbeitung der ersten und zweiten Oberfläche des Werkstücks mit identischen Bearbeitungsparametern. Dies widerspricht der geläufigen Annahme, dass eine Bearbeitung der ersten und zweiten Oberfläche mit identischen Parametern einen Formverzug in der Werkstückgeometrie ausgleichen sollte. Die thermische Spannung, die bei Bearbeitung der zweiten Oberfläche mit den zweiten Bearbeitungsparametern im Werkstück entsteht, wird im Vergleich zur Bearbeitung der ersten Oberfläche mit den ersten Bearbeitungsparametern durch geeignete Wahl der Parameter erhöht, um den Formverzug des Werkstücks zu reduzieren. Dazu können entweder einzelne Bearbeitungsparameter oder mehrere Bearbeitungsparameter in Kombination angepasst werden, wobei die insgesamt erzeugte thermische Spannung bei der Bearbeitung der zweiten Oberfläche höher sein muss als bei der Bearbeitung der ersten Oberfläche.
Wenn im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren von thermischer Spannung die Rede ist, ist genau genommen thermisch induzierte mechanische Spannung gemeint.
Dies hat im Vergleich zum konventionellen Polieren mit energetischer Strahlung u.a. den technischen Vorteil, dass auf ein aufwändiges mechanisches Nachschleifen nach der Bearbeitung eines Werkstücks mit energetischer Strahlung zum Ausgleich eines Formverzugs verzichtet werden kann. Dieser technische Vorteil schlägt sich in einer Reduzierung der Bearbeitungszeit und der Bearbeitungskosten nieder. Ferner müssen keine Fremdstoffe wie Chemikalien und Poliermittel auf die Oberflächen des Werkstücks aufgetragen werden, wodurch Kontaminationen und dadurch bedingte Einbußen in der Oberflächengüte vermieden werden können. Darüber hinaus wird die Arbeitssicherheit erhöht, da durch das Vermeiden eines mechanischen Nachschleifens das Freiwerden von feinen Materialstäuben verhindert wird, deren Inhalation durch den Bearbeiter aus gesundheitlichen Aspekten zu vermeiden ist.
Außerdem sind die allgemeinen Vorteile der Laserpolitur gegenüber konventionellen mechanischen Polierverfahren zu nennen wie eine hohe Flächenrate, eine hohe Geometriefreiheit und eine zu erzielende Mikrorauheit unter 1 nm. Für Quarzglas kann eine Flächenrate von bis zu 0,6 cm2/s erzielt werden und für N-BK7 eine Flächenrate von bis zu 4 cm2/s. Die Laserpolitur ermöglicht zudem das selektive Polieren von Werkstücken unterschiedlich komplexer Geometrien. Beim Polieren mit energetischer Strahlung wird die energetische Strahlung, vorzugsweise senkrecht, auf eine der Oberflächen des Werkstückes gerichtet. Die energetische Strahlung wird innerhalb einer dünnen Randschicht oberflächennah absorbiert, wodurch sich das Material erwärmt. Bei Quarzglas handelt es sich dabei beispielsweise um einen Randschichtbereich in der Größenordnung von mehreren Mikrometern. Durch den Temperaturanstieg erniedrigt sich die Viskosität des Materials und das Material beginnt zu fließen. Dadurch werden Oberflächenrauheiten durch die Oberflächenspannung geglättet ohne dass dabei ein Materialabtrag erfolgt.
Zur Bestimmung der Oberflächenrauheit eignen sich u.a. die Weißlichtinterferometrie (WLI), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Laserscanning-Mikroskopie oder Profilometrie.
Zur Bestimmung der Formabweichungen in der Werkstückgeometrie eignen sich u.a. Weißlichtinterferometrie (WLI), Laserinterferometrie, Laserscanning-Mikroskopie oder Profilometrie.
Zur Bestimmung von Formabweichungen in der Werkstückgeometrie wird bei der Weißlichtinterferometrie der sogenannte Peak-to-Valley-Abstand (PV-Abstand) gemessen. Bei diesem Abstand handelt es sich um den Abstand zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt auf der jeweils vermessenen Oberfläche. Die Messung des Peak-to- Valley-Abstands kann gemäß der Normen DIN EN ISO 101 10-5 sowie ISO 14999-4 erfolgen.
Insbesondere bei dünnen Werkstücken führt eine Bearbeitung mit energetischer Strahlung zu erheblichem Formverzug, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren seine vorteilhafte Wirkung besonders bei dünnen Werkstücken entfaltet. Dementsprechend kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bei Werkstücken zum Tragen, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweisen, die im Verhältnis zu den weiteren Außenflächen des Werkstücks erheblich größer sind. Der Abstand der ersten und der zweiten Oberfläche entspricht der Dicke des Werkstücks. Dabei sind insbesondere Werkstücke mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm zu verstehen. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich Werkstücke aus Materialien wie Glas, insbesondere Quarzglas, Borosilikat-Kronglas (z.B. N-BK7) und Schwerflintglas (z.B. N-SF6) sowie thermoplastischen Kunststoffen wie etwa Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polyamide (PA). Zu beachten ist dabei, dass die Werkstoffe aus thermoplastischem Kunststoff nicht notwendigerweise transparent sein müssen.
Ferner handelt es sich bei den Werkstücken beispielsweise um abbildende Optiken, asphärische Linsen oder etwa um Freiformlinsen.
Im Allgemeinen können die erste und die zweite Oberfläche des Werkstücks durch Schneiden, Ziehen, Umformen, Schleifen, Spritzgießen, Laserabtragen oder additive Fertigungsverfahren vorgefertigt sein.
Bei der energetischen Strahlung handelt es sich bevorzugt um Laserstrahlung, die oberflächennah absorbiert wird. Es handelt sich besonders bevorzugt um Infrarotlaserstrahlung eines CO2-Lasers. Dabei kann beispielsweise ein Laser im kontinuierlichen, gepulsten oder modulierten Modus betrieben und eine Laserleistung zwischen 1 W und 4000 W, bevorzugt zwischen 100 W und 2000 W eingesetzt werden. Wird beispielsweise ein Laser im gepulsten Modus genutzt, kann der Laser beispielsweise mit einer Pulsdauer von 1 ps bis 1000 ps und einer Repetitionsrate von 1000 Hz bis 150.000 Hz betrieben werden. Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung oder Elektronenstrahlung eignen sich ebenfalls als energetische Strahlung.
Der entsprechend zu bearbeitende Flächenabschnitt der Oberfläche kann sowohl vollflächig durch Aufweitung eines Laserstrahls mit geeigneten Optiken, wie Linsensystemen, bestrahlt werden oder durch wenigstens einen energetischen Strahl abgescannt werden. Der Strahl kann dazu mithilfe von Spiegeln und/oder Maschinenachsen über den zu bearbeitenden Flächenabschnitt der Oberfläche geführt werden. Es können auch mehrere Strahlen energetischer Strahlung zur gleichzeitigen oder konsekutiven Bearbeitung der Oberfläche eingesetzt werden, um beispielsweise eine gleichmäßigere Temperaturbeaufschlagung des Werkstücks oder eine höhere Flächenrate zu erzielen. Es kann entweder eine konsekutive Bearbeitung der ersten und anschließend zweiten Oberfläche erfolgen oder eine simultane Bearbeitung der ersten und zweiten Oberfläche.
Weiterhin ist es möglich, das Verfahren zum Polieren von Werkstücken unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen. Dafür eignen sich insbesondere die Gase Argon, Helium, Kohlendioxid und Stickstoff. Dadurch kann ein Einbrennen von Kontaminationen in die Oberfläche des Werkstücks während der Bearbeitung mit energetischer Strahlung vermieden werden und eine geringere Oberflächenrauheit erzielt werden.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform werden die ersten und zweiten Bearbeitungsparameter ausgewählt aus der Gruppe umfassend Prozesstemperatur, Wechselwirkungszeit der energetischen Strahlung mit der jeweiligen Oberfläche, Scangeschwindigkeit, Strahldurchmesser, Spurabstand und Kombinationen hiervon.
Unter der Prozesstemperatur versteht man die maximale Temperatur des Werkstücks innerhalb der Wechselwirkungszone der energetischen Strahlung mit dem Werkstück. Die Wechselwirkungszone stellt dabei den Bereich dar, in dem die energetische Strahlung während der Bestrahlung einer der Oberflächen mit dieser Oberfläche in Wechselwirkung tritt. Prozesstemperaturen bewegen sich im Bereich zwischen 300 °C und 2500 °C bei Gläsern und zwischen 100 °C und 500 °C bei Kunststoffen.
Unter der Wechselwirkungszeit versteht man die Zeit, in der die energetische Strahlung mit dem Material wechselwirkt. Die Wechselwirkungszeit bewegt sich im Bereich zwischen 0,5 s und 10 s bei Gläsern und 1 s und 1000 s bei Kunststoffen, wobei Wechselwirkungszeiten über 60 s insbesondere für extrem raue Oberflächen (Oberflächenrauheit Ra > 3 pm), wie beispielsweise von additiv gefertigten Bauteilen, relevant sind.
Der Strahldurchmesser der energetischen Strahlung kann im Bereich von 100 pm bis 25 mm liegen, bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 10 mm.
Unter dem Spurabstand versteht man den Abstand, um den die einzelnen Bearbeitungsspuren, auf denen eine Oberfläche mit der energetischen Strahlung bearbeitet wird, voneinander versetzt sind. Der Spurabstand liegt im Bereich von 1 pm bis 2000 pm, bevorzugt im Bereich von 5 pm bis 200 pm.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform kühlt das Werkstück bei einem konsekutiven Bearbeiten der ersten und anschließend zweiten Oberfläche zwischen dem Bearbeiten der ersten und der zweiten Oberfläche ab.
Insbesondere kühlt das Werkstück auf eine Temperatur unterhalb der materialspezifischen Glasübergangstemperatur, bzw. Schmelztemperatur bei Materialien mit einer festen Schmelztemperatur, ab. Bevorzugt ist, dass das Werkstück beim Beginn der Bearbeitung der zweiten Oberfläche eine gleiche Ausgangstemperatur aufweist wie zu Beginn der Bearbeitung der ersten Seite, wodurch ein reproduzierbares Polierergebnis erzielt wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform erzeugt das Bearbeiten der zweiten Oberfläche mit energetischer Strahlung mit den zweiten Bearbeitungsparametern einen höheren Temperaturgradienten im Werkstück als das Bearbeiten der ersten Oberfläche mit energetischer Strahlung mit den ersten Bearbeitungsparametern.
Durch den höheren Temperaturgradienten zwischen der Temperatur an der zweiten Oberfläche und der Innentemperatur des Werkstücks, der durch das Bearbeiten der zweiten Oberfläche mit energetischer Strahlung mit den zweiten Bearbeitungsparametern im Werkstück hervorgerufen wird, wird die zweite Oberfläche mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt als die erste Oberfläche. Dadurch ergibt sich der überraschende technische Effekt, dass der Formverzug des Werkstücks beim erfindungsgemäßen Bearbeiten des Werkstücks mit energetischer Strahlung reduziert wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform ist die Prozesstemperatur beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche höher als die Prozesstemperatur beim Bearbeiten der ersten Oberfläche. Dabei liegt die Prozesstemperatur abhängig vom Material des Werkstücks im Bereich von 100°C bis 2500°C, bevorzugt im Bereich zwischen der materialspezifischen Glasübergangstemperatur, bzw. Schmelztemperatur bei Materialien mit einer festen Schmelztemperatur, und der materialspezifischen Verdampfungstemperatur des Werkstücks.
Die Wahl der Prozesstemperatur zur Bearbeitung der ersten und zweiten Oberfläche ist dabei stark materialabhängig. Für N-BKT-Gläser beispielsweise ist zur Bearbeitung der zweiten Oberfläche eine um 0.1 % bis 30% höhere Temperatur in Grad Celsius zu wählen als zur Bearbeitung der ersten Oberfläche.
Dadurch wird das Werkstück beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt und ein höherer Temperaturgradient im Werkstück erzeugt, sodass der technische Vorteil erreicht wird, dass der Formverzug des Werkstücks beim Bearbeiten des Werkstücks mit energetischer Strahlung geringer ausfällt als bei herkömmlichen Laserpoliturverfahren.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform ist die Wechselwirkungszeit der energetischen Strahlung beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche höher als die Wechselwirkungszeit beim Bearbeiten der ersten Oberfläche.
Die Wahl der Wechselwirkungszeit zur Bearbeitung der ersten und zweiten Oberfläche ist dabei stark materialabhängig. Zur Bearbeitung der zweiten Oberfläche ist eine um 1 % bis 500% höhere Wechselwirkungszeit zu wählen als zur Bearbeitung der ersten Oberfläche.
Dadurch wechselwirkt die energetische Strahlung beim Bestrahlen der zweiten Oberfläche länger mit der zweiten Oberfläche als beim Bestrahlen der ersten Oberfläche. Somit wird das Werkstück beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche aufgrund der längeren Wechselwirkungszeit mit einer insgesamt höheren thermischen Spannung beaufschlagt.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform wird das Werkstück vor dem Bestrahlen mit energetischer Strahlung vorgeheizt. Dabei wird die Vorheiztemperatur bei einem konsekutiven Bearbeiten der ersten und anschließend zweiten Oberfläche vor Bestrahlen der zweiten Oberfläche mit zweiten Bearbeitungsparametern niedriger gewählt als vor Bestrahlen der ersten Oberfläche mit ersten Bearbeitungsparametern. Dabei wird die Vorheiztemperatur materialspezifisch im Bereich zwischen 25°C und 1300°C gewählt. Durch das Vorheizen wird der technische Vorteil erreicht, dass beim Bearbeiten einer Oberfläche mit energetischer Strahlung das Entstehen von thermischen Spannungen im Werkstück reguliert werden kann. Höhere Vorheiztemperaturen führen zu geringeren thermischen Spannungen im Werkstück. Zur Reduzierung des Formverzuges des Werkstücks wird daher die Vorheiztemperatur beim Bestrahlen der zweiten Oberfläche mit zweiten Bearbeitungsparametern niedriger gewählt als beim Bestrahlen der ersten Oberfläche mit ersten Bearbeitungsparametern. Dadurch wird durch die Bestrahlung der zweiten Oberfläche mit den zweiten Bearbeitungsparametern im Werkstück ein höherer Temperaturgradient erzeugt und das Werkstück mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt, was die Reduzierung des Formverzuges des Werkstücks bewirkt.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform wird während dem Bearbeiten eine Temperatur der ersten und/ oder zweiten Oberfläche überwacht und insbesondere geregelt, wobei insbesondere die Prozesstemperatur der ersten und/ oder zweiten Oberfläche gemessen wird.
Dabei kann die jeweilige Temperatur an einer oder mehreren festen Positionen relativ zur Wechselwirkungszone oder an einer oder mehreren variablen Positionen auf der ersten und oder zweiten Oberfläche gemessen werden. Diese Messungen können mittels Punkt-, Zeilen- oder Flächenthermokamera oder mittels Pyrometer durchgeführt werden.
Beispielsweise kann die Wärmestrahlung im unmittelbaren Wechselwirkungsbereich der energetischen Strahlung auf der Oberfläche des Werkstücks gemessen werden und daraus die Temperatur bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise ein Pyrometer fest mit der energetischen Strahlungsquelle verbunden sein. Über geeignete Steuertechnik kann die derart erfasste Temperatur beispielsweise dazu genutzt werden, die Eeistung der Strahlungsquelle anzupassen. Alternativ oder auch zusätzlich kann anstelle der Eeistung der Strahlungsquelle die Scangeschwindigkeit angepasst werden, um die gewünschte Prozesstemperatur zu erzielen.
Dies ermöglicht eine genaue Prozesskontrolle. Zudem kann die Temperatur beispielsweise bei hitzeempfindlichen Werkstoffen oder bei Werkstücken mit örtlich begrenzten besonders empfindlichen Oberflächenbereichen oder bei komplexen Werkstückgeometrien, bei denen an verschiedenen Positionen unterschiedliche Wärmeleitungseigenschaften vorhanden sind, in einem spezifischen Toleranzbereich zwischen einer Höchst- und Mindesttemperatur gehalten werden.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform werden die ersten und zweiten Bearbeitungsparameter derart angepasst, dass eine konstante Prozesstemperatur oder ein festgelegter Temperaturverlauf auf der ersten und/ oder zweiten Oberfläche hergestellt wird. Dazu kann ein Pyrometer zur Temperaturbestimmung eingesetzt werden und über eine geeignete Steuertechnik kann die derart erfasste Temperatur beispielsweise dazu genutzt werden, die ersten und zweiten Bearbeitungsparameter derart anzupassen, dass eine konstante Prozesstemperatur oder ein festgelegter Temperaturverlauf erzielt wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform wird während dem Bearbeiten der ersten oder zweiten Oberfläche die energetische Strahlung zum Bestrahlen auf die jeweilige Oberfläche gerichtet und mit einer Relativgeschwindigkeit über die jeweilige Oberfläche geführt, so dass die energetische Strahlung zu einer Quasilinie geformt wird, wobei die jeweilige Oberfläche insbesondere durch mehrfaches Überfahren der jeweiligen Oberfläche mit zu der Quasilinie geformter energetischer Strahlung poliert wird. Zur Formung der Quasilinie wird die energetische Strahlung entlang einer Linie hin und her bewegt, wobei die Länge der Linie mindestens so lang wie eine Erstreckung der zu polierenden Fläche ist.
Durch Überlagerung eines translatorisch oszillierenden Bewegungsanteils und eines Vorschubbewegungsanteils ergibt sich eine mäanderförmige oder zick-zack-förmige Relativbewegung der energetischen Strahlung gegenüber dem Werkstück. Dabei weist der translatorisch oszillierende Bewegungsanteil eine Scangeschwindigkeit im Bereich von 100 mm/s bis 10000 mm/s, bevorzugt in einem Bereich von 2000 mm/s bis 10000 mm/s auf und der Vorschubbewegungsanteil eine Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/s bis 50 mm/s, bevorzugt in einem Bereich von 1 mm/s bis 10 mm/s auf. Bei Verwendung von derart hohen Scangeschwindigkeiten wird durch die energetische Strahlung ein Temperaturfeld erzeugt, das bei Werkstoffen mit geringen Wärmeleitfähigkeiten, wie etwa Glas, näherungsweise in Scanrichtung keine oder allenfalls eine sehr geringe Temperaturvariation aufweist. Man spricht daher von einer Quasilinie, die durch die mit hoher Geschwindigkeit translatorisch oszillierende energetische Strahlung auf dem Werkstück erzeugt wird, und die mit der Vorschubgeschwindigkeit über die Oberfläche bewegt wird. Wird die Oberfläche auf diese Weise mit energetischer Strahlung bestrahlt, spricht man auch von einer Quasilinien- Bearbeitungsstrategie.
In der Regel wird insbesondere zum Polieren von Gläsern, aber auch thermoplastischen Kunststoffen, mittels energetischer Strahlung die Bearbeitungsstrategie der Quasilinie gewählt.
Die Oberfläche des Werkstücks wird durch einmaliges Überfahren der jeweiligen Oberfläche poliert. Ferner ist es möglich, die jeweilige Oberfläche durch mehrmaliges Überfahren der entsprechenden Oberfläche mit der energetischen Strahlung zu polieren. Die Anzahl der Überfahrten kann zwischen 1 und 20 liegen. Die Anzahl der Überfahrten hängt unter anderem von der verwendeten Scangeschwindigkeit ab. Besonders bevorzugt wird eine Bearbeitung mit einer einzelnen Überfahrt. Bei hohen Scangeschwindigkeiten werden tendenziell mehr Überfahrten benötigt, wobei bei jeder einzelnen Überfahrt die Oberflächenrauheit teilweise verkleinert wird und die Mikrorisse im Bereich der Oberfläche und im Bereich knapp unterhalb der Oberfläche oberflächennah ausgeheilt bzw. zugeschmolzen werden.
Da bei Verwenden mehrerer einzelner Überfahrten der jeweilige Energieeintrag niedriger gewählt werden kann als bei Verwendung einer einzigen Überfahrt, ergibt sich insgesamt ein homogenerer Energieeintrag. Somit birgt das mehrmalige Überfahren einer Oberfläche des Werkstücks den technischen Vorteil, dass auf schonendere Weise eine niedrige Oberflächenrauheit erzielt werden kann als bei Verwendung einer einzigen Überfahrt.
Nach jedem vollständigen Überfahren der jeweiligen Oberfläche kann eine Prozesspause zwischen 0 s und 10 min, bevorzugt zwischen 0 s und 30 s durchgeführt werden.
Durch die Prozesspause zwischen den einzelnen Überfahrten auf einer Oberfläche wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich das Werkstück während der Pause abkühlen kann und so eine Überhitzung der Oberfläche aufgrund einer Vorwärmung aus vorherigen Überfahrten vermieden werden kann, wodurch einer ungewünschten Materialverdampfung vorgebeugt wird.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Anzahl an Überfahrten zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 1 und 5, wobei die Anzahl an Überfahrten beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche höher, bevorzugt um 1 bis 2 Überfahrten höher, ist als beim Bearbeiten der ersten Oberfläche.
Dadurch wechselwirkt die energetische Strahlung beim Bestrahlen der zweiten Oberfläche insgesamt länger mit der zweiten Oberfläche als beim Bestrahlen der ersten Oberfläche. Somit wird das Werkstück beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche aufgrund der in Summe längeren Wechselwirkungszeit mit einer insgesamt höheren thermischen Spannung beaufschlagt.
In der Regel wird zur Bearbeitung von thermoplastischen Kunststoffen eine höhere Anzahl an Überfahrten gewählt als bei der Bearbeitung von Gläsern und die weiteren Bearbeitungsparameter materialspezifisch entsprechend angepasst. Dies ermöglicht ein sanfteres Bearbeiten des Werkstücks und die Reduzierung von Formverzügen, für die Kunststoffe in der Regel stärker anfällig sind.
In einer technisch besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Bearbeiten der ersten Oberfläche mit einer Überfahrt und das Bearbeiten der zweiten Oberfläche mit mehreren Überfahrten, wobei beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche bei der ersten Überfahrt die zweiten Bearbeitungsparameter mit den ersten Bearbeitungsparametern zur Bearbeitung der ersten Oberfläche identisch sind.
Nach einer oder nach einer bestimmten Anzahl an Überfahrten kann das Werkstück untersucht werden und insbesondere die Oberflächengüte der ersten oder zweiten oder beider Oberflächen bestimmt werden. Ferner kann der Verzug des Werkstücks nach einer oder nach einer bestimmten Anzahl an Überfahrten gemessen werden und die Bearbeitungsparameter können auf Grundlage dieser Messergebnisse angepasst werden. Dazu können beispielsweise eine oder beide Oberflächen optisch vermessen werden und mit einer Soll-Oberflächenkontur und Soll-Oberflächenrauheit verglichen werden. Liegen bei derartigen Messungen Abweichungen außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs vor, wird eine weitere Überfahrt durchgeführt. Bei einer weiteren Überfahrt können so noch vorhandene Welligkeiten oder sonstige Abweichungen von der Soll- Oberflächenkontur oder Soll-Oberflächenrauheit verringert werden. Dadurch lässt sich das Verfahren flexibel an das jeweilige Werkstück anpassen.
Insbesondere werden beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche 1 bis 5 weitere Überfahrten durchgeführt. Dabei entspricht die Prozesstemperatur 10% bis 90% der Prozesstemperatur bei der ersten Überfahrt und/ oder die Wechselwirkungszeit 10% bis 90% der Wechselwirkungszeit bei der ersten Überfahrt.
Daneben hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche die Prozesstemperatur und/oder die Wechselwirkungszeit schrittweise bei jeder weiteren Überfahrt der zweiten Oberfläche niedriger zu wählen.
Nach einer oder nach einer bestimmten Anzahl an Überfahrten kann das Werkstück untersucht werden und insbesondere die Oberflächengüte der ersten oder zweiten oder beider Oberflächen bestimmt werden. Ferner kann der Verzug des Werkstücks nach einer oder nach einer bestimmten Anzahl an Überfahrten gemessen werden und die Bearbeitungsparameter können auf Grundlage dieser Messergebnisse gezielt bei jeder weiteren Überfahrt schrittweise angepasst werden. Insbesondere können dabei die Prozesstemperatur und/oder die Wechselwirkungszeit schrittweise bei jeder weiteren Überfahrt der zweiten Oberfläche niedriger gewählt werden. Dieser schrittweise Bearbeitungsprozess kann so lange durchgeführt werden, bis die Messergebnisse in einem gewünschten Toleranzbereich liegen.
Dies ermöglicht eine besonders kontrollierte und besonders materialschonende Bearbeitung des Werkstücks. Zudem lässt sich das Verfahren flexibel an das Werkstück anpassen.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform wird während dem Bearbeiten der ersten oder zweiten Oberfläche die energetische Strahlung zum Bestrahlen auf die jeweilige Oberfläche gerichtet und mit einer Relativgeschwindigkeit derart über die jeweilige Oberfläche geführt, dass die energetische Strahlung zu einer Quasi-Tophat-Verteilung geformt wird.
Die Bearbeitungsstrategie, in der die energetische Strahlung zu einer Quasi-Tophat- Verteilung geformt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass anders als bei der Quasilinien- Bearbeitungsstrategie der Vorschubbewegungsanteil der Scangeschwindigkeit auch sehr hoch ist, sodass die gesamte Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks in sehr kurzer Zeit, typischerweise in unter einer Sekunde, mit der energetischen Strahlung abgescannt wird. Nach jedem Abscanzyklus wird der zu bearbeitende Oberflächenbereich sofort erneut abgescannt, sodass ein mehrmaliges Abscannen pro Sekunde stattfindet. Bevorzugt erfolgt dabei eine Drehung der Ausrichtung der Scanbahnen um einen Winkel, z.B. 90°. Ziel dieser Bearbeitungsstrategie ist es, ein möglichst homogenes Temperaturfeld im gesamten zu bearbeitenden Oberflächenbereich zu erzielen. Dazu kann insbesondere auch die Scangeschwindigkeit innerhalb des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs und/oder, während eines Abscanzyklus variiert werden. Dadurch wird es beispielsweise ermöglicht, die erhöhte Wärmeabfuhr am Rand des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs auszugleichen. Der aus einer Vielzahl von Abscanzyklen bestehende Scanvorgang wird für eine festgelegte Zeit wiederholt, die der Wechselwirkungszeit entspricht.
Während bei der Quasilinien-Bearbeitungsstrategie eine Oberfläche vergleichsweise langsam in Vorschubrichtung durch energetische Strahlung innerhalb einer vergleichsweise niedrigen Anzahl an Überfahrten bearbeitet wird, wird eine Oberfläche bei der Quasi-Tophat-Bearbeitungsstrategie in vergleichsweise deutlich höherer Geschwindigkeit in Vorschubrichtung mit einer sehr hohen Anzahl an Abscanzyklen mit energetischer Strahlung bearbeitet.
Die Vorzüge der Quasi-Tophat-Bearbeitungsstrategie zeigen sich insbesondere bei thermoplastischen Kunststoffen, die im Vergleich zu Gläsern mit einer niedrigeren Prozesstemperatur bearbeitet werden.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Bearbeitungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bearbeitung des Werkstücks mittels energetischer Strahlung in Quasilinien-Verteilung.
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Bearbeitung des Werkstücks mittels energetischer Strahlung in Quasi-Tophat-Verteilung.
In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 dargestellt, dessen erste Oberfläche 1 1 und zweite Oberfläche 12 mittels energetischer Strahlung 2 poliert werden. In einem ersten Schritt wird die erste Oberfläche 1 1 durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern poliert. Das bereits einseitig polierte Werkstück 1 ' wird in einem weiteren Schritt weiterbearbeitet und es wird die zweite Oberfläche 12 mit energetischer Strahlung 22 mit zweiten Bearbeitungsparametern poliert. Sofern die interessierenden Oberflächenparameter nach einmaligem Bearbeiten der ersten 1 1 und zweiten Oberfläche 12 außerhalb eines definierten Toleranzbereiches liegen, erfolgen so lange weitere Schritte eines Polierens mittels energetischer Strahlung, bis die Oberflächenparameter beider Oberflächen (1 1 , 12) innerhalb des gewünschten Toleranzbereiches liegen und das Werkstück 1 ” im gewünschten Maße poliert wurde.
In Fig. 2 ist die Bewegung der energetischen Strahlung 2 über das Werkstück 1 in der Quasilinien-Bearbeitungsstrategie dargestellt. Die energetische Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern wird auf die erste Oberfläche 1 1 gerichtet. In einer vergrößerten Ansicht wird in Fig. 2 ferner dargestellt, wie die energetische Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern über einen Teilbereich 1 1 1 der ersten Oberfläche geführt wird. Zur Formung einer Quasilinie 21 a wird die energetische Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern entlang einer Linie 21 a hin und her bewegt und zusätzlich die gesamte Linie 21 a über den Teilbereich 1 1 1 der ersten Oberfläche geführt. Diese Bewegung wird durch die Überlagerung eines translatorisch oszillierenden Bewegungsanteils vScan y und eines Vorschubbewegungsanteils vscan x erzeugt. Analog dazu kann die zweite Oberfläche 12 mit zweiten Bearbeitungsparametern in der Quasilinien-Bearbeitungsstrategie poliert werden, auch wenn dies nicht explizit in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 3 ist die Bewegung der energetischen Strahlung 2 über das Werkstück 1 in der Quasi-Tophat-Bearbeitungsstrategie dargestellt. Die energetische Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern wird auf die erste Oberfläche 1 1 gerichtet. In einer vergrößerten Ansicht wird in Fig. 3 ferner dargestellt, wie die energetische Strahlung 21 mit ersten Bearbeitungsparametern mit der Scangeschwindigkeit vScan über einen Teilbereich 1 1 1 der ersten Oberfläche geführt wird. Nach einem Abscanzyklus wird der Teilbereich 1 1 1 der ersten Oberfläche sofort erneut abgescannt, wobei eine Drehung der Ausrichtung der Scanbahnen um einen Winkel erfolgt.
Analog dazu kann die zweite Oberfläche 12 mit zweiten Bearbeitungsparametern in der Quasi-Tophat-Bearbeitungsstrategie poliert werden, auch wenn dies nicht explizit in Fig. 3 dargestellt ist.
Auch wenn in den Figuren der Einfachheit halber rechteckige Werkstücke dargestellt sind, soll dies nicht als Einschränkung gewertet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für andere, beispielsweise runde. Formen.
Im Folgenden sollen noch zwei konkrete Anwendungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Polieren eines dünnen Werkstücks 1 aus N- BK7 Glas mittels Laserstrahlung genutzt werden. Dazu wird als Scanstrategie eine Quasilinien Scanstrategie gewählt. Das Werkstück 1 weist eine Dicke von 5 mm auf.
Zum Bearbeiten der ersten Oberfläche 1 1 wird eine Laserleistung von 700 W, ein Strahldurchmesser von 20 mm und eine Vorschubgeschwindigkeit von 8 mm/s gewählt und die Bearbeitung innerhalb einer Überfahrt durchgeführt. Zum Bearbeiten der zweiten Oberfläche 12 werden zwei Überfahrten durchgeführt. Bei der ersten Überfahrt wird eine Laserleistung von 700 W, ein Strahldurchmesser von 20 mm und eine Vorschubgeschwindigkeit von 8 mm/s gewählt. Bei der zweiten Überfahrt zum Bearbeiten der zweiten Oberfläche 12 wird eine angepasste Laserleistung von 350 W gewählt, während der Strahldurchmesser und die Vorschubgeschwindigkeit wie bei der ersten Überfahrt beibehalten werden.
Anschließend wird der Formverzug des Werkstücks 1" mittels Weißlichtinterferometrie über den Peak-to-Valley-Abstand bestimmt. Bei dieser Wahl der Bearbeitungsparameter wird auf der zweiten Oberfläche 12 ein Peak-to-Valley-Abstand von 9 pm gemessen, der einer geometrischen Abweichung von der planaren Sollgeometrie, also dem Verzug der Oberfläche, entspricht.
In einer Vergleichsmessung an einem N-BK7 Referenzwerkstück 1 , dessen erste 1 1 und zweite Oberfläche 12 nacheinander mit identischen Bearbeitungsparametern bearbeitet werden, ergibt sich ein deutlich höherer Verzug. Um einen Vergleich zu ermöglichen, werden dazu jene Bearbeitungsparameter gewählt, die bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens bei der Bearbeitung der ersten Oberfläche 1 1 des zu vergleichenden N-BK7 Werkstücks 1 genutzt werden.
Konkret wird zuerst die erste Oberfläche 1 1 und anschließend die zweite Oberfläche 12 des Referenzwerkstücks 1 mit einer Laserleistung von 700 W, einem Strahldurchmesser von 20 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 8 mm/s mit einer Quasilinien- Bearbeitungsstrategie bearbeitet. Dies führt zu einem mittels Weißlichtinterferometrie auf der zweiten Oberfläche 12 gemessenen Peak-to-Valley-Abstand von 35 pm, der der geometrischen Abweichung von der planaren Sollgeometrie, also dem Formverzug der Oberfläche, entspricht.
In einer Vergleichsmessung an einem weiteren N-BK7 Referenzwerkstück 1 , bei der lediglich die erste Oberfläche 1 1 mit einer Laserleistung von 700 W, einem Strahldurchmesser von 20 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 8 mm/s mit einer Quasilinien Scanstrategie bearbeitet wird, ergibt sich ein mittels Weißlichtinterferometrie gemessener Peak-to-Valley-Abstand von 45 pm. Dementsprechend wird bei lediglich einseitiger Bearbeitung des Referenzwerkstücks 1 ' ein deutlich höherer Formverzug erzeugt als bei der beidseitigen Bearbeitung eines N-BK7 Werkstücks 1 ” mit angepassten Prozessparametern.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Polieren eines dünnen Werkstücks 1 aus dem thermoplastischen Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) mittels Laserstrahlung genutzt werden. Dazu wird als Scanstrategie eine Quasilinien- Bearbeitungsstrategie mit Temperaturregelung, die die Prozesstemperatur konstant hält, gewählt. Das Werkstück 1 weist eine Dicke von 3 mm auf.
Zum Bearbeiten der ersten Oberfläche 1 1 wird eine Prozesstemperatur von 225°C und eine Vorschubgeschwindigkeit von 2 mm/s gewählt und die Bearbeitung innerhalb einer Überfahrt durchgeführt. Zum Bearbeiten der zweiten Oberfläche 12 wird bei der ersten Überfahrt eine Prozesstemperatur von 225°C und eine Vorschubgeschwindigkeit von 2 mm/s gewählt. Bei der zweiten Überfahrt der zweiten Oberfläche 12 wird eine Prozesstemperatur von 180°C und eine Vorschubgeschwindigkeit von 2 mm/s gewählt.
Anschließend wird der Formverzug des Werkstücks 1" mittels Weißlichtinterferometrie über den Peak-to-Valley-Abstand bestimmt. Bei dieser Wahl der Bearbeitungsparameter wird auf der ersten Oberfläche 1 1 ein Peak-to-Valley-Abstand von 8,7 pm sowie auf der zweiten Oberfläche 12 ein Peak-to-Valley-Abstand von 9,4 pm gemessen, der einer geometrischen Abweichung von der planaren Sollgeometrie entspricht.
In einer Vergleichsmessung an einem ebenfalls 3 mm dicken PMMA Referenzwerkstück 1 , dessen erste 1 1 und zweite Oberfläche 12 nacheinander mit identischen Bearbeitungsparametern bearbeitet werden, ergibt sich ein deutlich höherer Verzug. Um einen Vergleich zu ermöglichen, werden dazu jene Bearbeitungsparameter gewählt, die bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens bei der Bearbeitung der ersten Oberfläche 1 1 des zu vergleichenden PMMA Werkstücks genutzt werden. Konkret wird zuerst die erste Oberfläche 1 1 und anschließend die zweite Oberfläche 12 des Referenzwerkstücks mit einer Überfahrt, einer Prozesstemperatur von 225°C und einer Vorschubgeschwindigkeit von 2 mm/s mit einer Quasilinien Scanstrategie und einer Temperaturregelung, die die Prozesstemperatur konstant hält, bearbeitet. Dies führt zu einem mittels Weißlichtinterferometrie gemessenen Verzug auf der ersten Oberfläche 1 1 von 21 ,7 pm und auf der zweiten Oberfläche 12 von 23,8 pm.
Es zeigt sich also ein erheblicher Unterschied in der Ausprägung des Formverzuges in Abhängigkeit von der Wahl der Bearbeitungsparameter für die jeweilige Bearbeitung der ersten 1 1 und zweiten Oberfläche 12. Mit der zuvor genannten Wahl der Bearbeitungsparameter kann bei diesem Werkstück 1 ” ein um den Faktor 2,5 niedrigerer Formverzug im Vergleich zum Referenzwerkstück 1 ” mit identischen Bearbeitungsparametern bei der Bearbeitung der ersten 1 1 und zweiten Oberfläche 12 erzielt werden. Weißlichtinterferometriemessungen an vergleichbaren PMMA Werkstücken 1 der Dicke von 3 mm, die keine Bearbeitung mit energetischer Strahlung erfahren haben, ergeben auf der ersten Oberfläche 1 1 einen Verzug von 2,3 pm und auf der zweiten Oberfläche 12 einen Verzug von 3,1 pm.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Polieren von Werkstücken (1), insbesondere aus Glas oder Kunststoff, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung (2), insbesondere Laserstrahlung, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Werkstücks (1), das eine erste Oberfläche (1 1) und gegenüber liegend eine zweite Oberfläche (12) aufweist;
- Polieren der ersten Oberfläche (1 1) durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung (21) mit ersten Bearbeitungsparametern;
- Polieren der zweiten Oberfläche (12) durch Bestrahlung mit energetischer Strahlung (22) mit zweiten Bearbeitungsparametern; dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bearbeitungsparameter zum Polieren der ersten Oberfläche und die zweiten Bearbeitungsparameter zum Polieren der zweiten Oberfläche derart gewählt werden, dass durch das Bestrahlen der zweiten Oberfläche (12) mit energetischer Strahlung (22) mit zweiten Bearbeitungsparametern die zweite Oberfläche (12) mit einer höheren thermischen Spannung beaufschlagt wird als die erste Oberfläche (1 1 ) durch das Bestrahlen mit energetischer Strahlung (21 ) mit den ersten Bearbeitungsparametern, um dadurch einen Formverzug des Werkstücks zu reduzieren.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bearbeitungsparameter ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Prozesstemperatur, Wechselwirkungszeit der energetischen Strahlung mit der jeweiligen Oberfläche (1 1 , 12), Scangeschwindigkeit, Strahldurchmesser, Spurabstand und Kombinationen hiervon.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Oberfläche konsekutiv bearbeitet werden und zwischen dem Bearbeiten der ersten (1 1) und der zweiten Oberfläche (12) das Werkstück (1 ') abkühlt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) mit energetischer Strahlung (22) mit den zweiten Bearbeitungsparametern einen höheren Temperaturgradienten im Werkstück (1 ', 1 ") erzeugt als das Bearbeiten der ersten Oberfläche (1 1) mit energetischer Strahlung (21) mit den ersten Bearbeitungsparametern.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) höher ist als die Prozesstemperatur beim Bearbeiten der ersten Oberfläche (1 1 ).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselwirkungszeit der energetischen Strahlung (21 , 22) beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) höher ist als die Wechselwirkungszeit beim Bearbeiten der ersten Oberfläche (1 1).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 , 1 ') vor dem Bestrahlen mit energetischer Strahlung (2) vorgeheizt wird und die erste und die zweite Oberfläche konsekutiv bearbeitet werden, wobei die Vorheiztemperatur vor Bestrahlen der zweiten Oberfläche (12) niedriger gewählt wird als vor Bestrahlen der ersten Oberfläche (1 1).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Bearbeiten eine Temperatur der ersten (1 1) und/ oder zweiten Oberfläche (12) überwacht und insbesondere geregelt wird, wobei insbesondere die Prozesstemperatur der ersten (1 1 ) und/ oder zweiten Oberfläche (12) gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bearbeitungsparameter derart angepasst werden, dass eine konstante Prozesstemperatur oder ein festgelegter Temperaturverlauf auf der ersten (1 1) und/ oder zweiten Oberfläche (12) hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Bearbeiten der ersten (1 1) oder zweiten Oberfläche (12) die energetische Strahlung (21 , 22) zum Bestrahlen auf die jeweilige Oberfläche (1 1 , 12) gerichtet wird und mit einer Relativgeschwindigkeit über die jeweilige Oberfläche geführt wird, so dass die energetische Strahlung (21 , 22) zu einer Quasilinie geformt wird, wobei die jeweilige Oberfläche (1 1 , 12) insbesondere durch mehrfaches Überfahren der jeweiligen Oberfläche (1 1 , 12) mit zu der Quasilinie geformter energetischer Strahlung (21 , 22) poliert wird
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Überfahrten zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 1 und 5 beträgt, wobei die Anzahl an Überfahrten beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) höher, bevorzugt um 1 bis 2 Überfahrten höher, ist als beim Bearbeiten der ersten Oberfläche (1 1 ).
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten der ersten Oberfläche (1 1) mit einer Überfahrt erfolgt und das Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) mit mehreren Überfahrten, wobei beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) bei der ersten Überfahrt die zweiten Bearbeitungsparameter mit den ersten Bearbeitungsparametern zur Bearbeitung der ersten Oberfläche (1 1 ) identisch sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) 1 bis 5 weitere Überfahrten durchgeführt werden und dabei die Prozesstemperatur 10% bis 90% der Prozesstemperatur bei der ersten Überfahrt entspricht und/ oder die Wechselwirkungszeit 10% bis 90% der Wechselwirkungszeit bei der ersten Überfahrt entspricht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bearbeiten der zweiten Oberfläche (12) die Prozesstemperatur und/oder die Wechselwirkungszeit schrittweise bei jeder weiteren Überfahrt der zweiten Oberfläche (12) niedriger gewählt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Bearbeiten der ersten (1 1) oder zweiten Oberfläche (12) die energetische Strahlung (21 , 22) zum Bestrahlen auf die jeweilige Oberfläche (1 1 , 12) gerichtet wird und mit einer Relativgeschwindigkeit über die jeweilige Oberfläche geführt wird, so dass die energetische Strahlung (21 , 22) zu einer Quasi-Tophat-Verteilung geformt wird.
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