WO2018106100A1 - Modulo mezclador para una herramienta hidrodinámica deterministica para el pulido pulsado de superficies ópticas, y método para llevar a cabo el pulido pulsado - Google Patents

Modulo mezclador para una herramienta hidrodinámica deterministica para el pulido pulsado de superficies ópticas, y método para llevar a cabo el pulido pulsado Download PDF

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WO2018106100A1 PCT/MX2017/000127 MX2017000127W WO2018106100A1 WO 2018106100 A1 WO2018106100 A1 WO 2018106100A1 MX 2017000127 W MX2017000127 W MX 2017000127W WO 2018106100 A1 WO2018106100 A1 WO 2018106100A1
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polishing
tool
hydrodynamic
mixer module
deterministic
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Erika SOHN LÓPEZ-FORMENT
Elfego Guillermo RUIZ SCHNEIDER
Luis Salas Casales
Esteban Antolin LUNA AGUILAR
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Universidad Nacional Autónoma de México
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Definitions

  • the present invention is related to the techniques and principles used in astronomy and high precision optics, as well as the development of tools that allow to carry out from corrective grinding to high precision polishing on surfaces that require high optical quality , and more particularly, it is related to a mixer module for a deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of surfaces with optical quality, as well as being related to the method for carrying out pulsed polishing.
  • the process of polishing of optical quality, fine polishing or high precision consists in roughing the material of the surface to be polished to smooth it, as well as to correct its figure with precise wavelength fractions.
  • Polishing by means of an ion cannon is described in US Pat. Nos. 5786236 and 5969368, where said technology is based on the bombardment of the surface to be polished with a collimated ion beam of an inert gas that produces the removal of material. With this technology, only fine polishing of a previously prepared and polished surface can be performed. The process is iterative based on the error map of the work surface correcting imperfections.
  • This method requires a vacuum chamber, at least, the size of the piece to be polished, so it is expensive and complex; It is not possible to perform interferometric optical tests during the polishing process, which complicates the iterative polishing / testing process; Microrugosity on the surface remains virtually intact due to the orthogonal incidence of the beam on the surface.
  • the polishing by fluidic jet (Booij, SM, et al., Optica! Engine & ring, August 2002, vol. 41, No. 8, pp. 1926-1931 and Booij, SM, et al., I. OF&T conference, Arlington, Juna 2002, pp. 52-54. and O. Fáhnle at al., Appl. opt. 38, 6771-6773 ⁇ 1998) is the first fluid-based polishing technology, roughing the surface to be polished by abrasive fluid beam.
  • the jet is directed to the surface through a nozzle positioned at a certain angle and distance from the work surface.
  • This polishing method has limited characteristics because the erosion footprint that is generated is very small and generates low removal rates.
  • the surfaces that can be worked are small and the tool is limited to meet the needs of high-precision polishing in the fields of large surface optics.
  • Mexicana No. 251048 belonging to the same inventors of the present patent application, which describes a useful tool for fine grinding and fine or high precision grinding of flat and curved optical surfaces, including the edges, as well as for the optical flattening of semiconductor and metallic surfaces without coming into contact with them, exerting zero force on the work surface, where said tool was developed to solve the problems that at the time the available technology had not solved, since, in addition to the limitations discussed above
  • Each of the polishing and grinding methods presented another important limitation that was related to the fact that it was essential to use more than one technology to achieve the high precision finish of a surface.
  • Said hydrodynamic tool has no moving parts and is configured by interchangeable modules, namely a mixing module that mixes two or more components of a polishing substance to form an abrasive foam and includes a porous cavity to control the density of said abrasive foam; a module of at least one rotational acceleration chamber that has an optimized hydrodynamic geometry and that includes on its periphery a set of power injectors; an aerostatic suspension system that generates a fluid layer on which the tool floats, and said fluid layer allows said tool to adjust its position relative to the work surface by means of a series of aerostatic bearings; a throat actuator; an outlet nozzle; a divergent radial nozzle; and, a material recovery ring.
  • modules namely a mixing module that mixes two or more components of a polishing substance to form an abrasive foam and includes a porous cavity to control the density of said abrasive foam; a module of at least one rotational acceleration chamber that has an optimized hydrodynamic geometry and that includes on its periphery
  • a high-speed flow (abrasive foam) is produced which, when leaving the hydrodynamic tool, expands radially and parallel on the work surface creating a stable, uniform and repeatable annular abrasion footprint.
  • Its design allows to carry out the processes to obtain a very high precision optical surface, from the corrective grinding to the fine polishing, without the need to change the tool, avoiding friction against the work surface, wear and deformation of it also allows the polishing of thin membranes without the requirement of rigid or active supports for the work piece.
  • the hydrodynamic tool of the Mexican patent '048 has the limitation of not being able to interrupt its erosive action during the polishing process, which is due to its internal hydrodynamic geometry. He interrupting the supply of the polishing solution causes the tool to lose its stability and buoyancy, forcing it to always be on, which forces to sweep the entire surface, always removing material. This reduces the overall efficiency of the polishing process, since there will always be erosion, even in areas where it is not necessary to polish, forcing process times higher than necessary, as well as excessive removal of material. This is disadvantageous for work on large surfaces, where times can be tens of hours per run, and where polishing should not be interrupted by the splicing marks that are generated.
  • the internal configuration of the mixer module in which the foaming stage is carried out has been modified, so that the supply of the polishing solution can be interrupted without loss the operational stability of the process, allowing polishing by "poxel" (Polishing Element) which, together with the advantages that such a hydrodynamic tool of the Mexican patent '048 already has, makes it a much more competitive tool in the sense of obtaining a more efficient convergence towards the desired surface, as well as being able to perform pulsed polishing actions that cannot be achieved with said hydrodynamic tool of the prior art.
  • the present invention relates to a mixer module that is configured to be able to interrupt the supply of the abrasive fluid or foam without losing the operational stability of the polishing process and of a hydrodynamic tool. What is intended is that said abrasive fluid remains within the polishing tool for less than one millisecond and, once the flow is cut, the high internal velocities of the pressurized gases are used to empty said tool, where said module mixer comprises: at least one high speed fluid switch element that can be arranged inside or outside the body of said mixer module, whose function is to interrupt the controlled pressure and flow supply of the abrasive foam; a first inlet through which air under pressure is injected controlled; a second inlet through which a polishing fluid is injected in a controlled manner which in the preferred embodiment of the present invention is a suspension of an abrasive polisher in water, wherein said polishing fluid fills a previously calculated volume suitably that is transferred to a mixing zone and, together with the air injected under pressure, an abrasive foam is
  • the density of the abrasive foam depends on the ratio of pressures with which air is injected on the one hand and on the other hand the polishing fluid. It is important to ensure that the abrasive foam stay is less than one millisecond within this mixing stage.
  • a method for carrying out the deterministic polishing process using the deterministic hydrodynamic polishing tool that has the mixing module of the present invention coupled, which comprises the steps of: (a) generate an error map of the work surface to be polished from an interferogram; (b) generate a map of residence times / pulse duration of the deterministic hydrodynamic polishing tool for each position on the surface to be polished; (c) obtain, in conjunction with the function of influence or erosion footprint particular to each polishing tool, a map of movements for a polishing robot that allows sweeping said surface of work to polish to obtain the desired optical figure; (d) carry out the deterministic pulsed polishing on the work surface, being able to use more than one hydrodynamic polishing tool simultaneously and mounted on a machine or several independent machines and in different configurations; and, (e) generate a new error map of the polished work surface, this if necessary, repeating steps (a) - (d) until the desired optical figure is obtained.
  • the ability of the mixer module to interrupt the supply of abrasive foam allows the hydrodynamic tool to implement a series of new polishing techniques that increase the efficiency and overall polishing performance with said tool, such as: pulsed polishing; zonal polishing; pulse width modulation (PWM, English acronym for Pulse Width Modulation)); tiling polishing; pixel polishing; interruption of the polishing run; edge polishing; convergence; polished with multiple heads.
  • PWM pulse width modulation
  • tiling polishing pixel polishing; interruption of the polishing run; edge polishing; convergence; polished with multiple heads.
  • the mixer module to be coupled to the deterministic hydrodynamic tool allows the possibility of carrying out several possible configurations to accommodate multiple tools for simultaneous polishing, among which are: multi-tool polishing in a linear arrangement; multi-tool polishing in matrix configuration; multi-tool polishing in spiral configuration, and multi-tool polishing on one or several machines using the settings mentioned above, among other arrangements.
  • a further object of the present invention is to provide the mixer module to be coupled to a deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of optical surfaces, which allows said pulsed polishing to be performed by tessellation (or by sectors), since they can be spliced polishing paths without leaving a trace.
  • the mixer module to be coupled to a deterministic hydrodynamic tool for the pulsed polishing of optical surfaces that allows polishing adjacent areas with one or more hydrodynamic tools without leaving a trace or scar by means of tessellated polishing that optimizes the trajectory in the joint. It is still a further object of the present invention to provide the mixer module to be coupled to a deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of optical surfaces, where pulsed polishing in turn allows simultaneously attacking a surface with several hydrodynamic tools at the same time, with independent polishing action for each of them, considerably reducing the polishing time of said surface and increasing the overall efficiency of the process.
  • Another object of the present invention is to provide the mixer module to be coupled to a deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of optical surfaces that allows linearly modulating the erosive process, since, unlike the radial flow hydrodynamic tool found in the state of the art, with the mixer module coupled to said hydrodynamic tool from the error map of the surface to be polished a velocity map is calculated to correct the surface and, based on the error map, a time map is calculated with different pulse durations, with which the pulse duration determines the volume removed by "poxel".
  • Figure 1 is a graphic representation of a mixer module coupled to a deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of optical surfaces, which has been constructed in accordance with a particularly preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing the results of Erosion vs. Pulse width.
  • Figure 3 illustrates a pixelated pattern in which a constant speed of 2000 mm / min was maintained and alternating the erosive process between off and on with a frequency of 5 Hz.
  • Figure 4 illustrates a zonal pulsed polishing, in which an isolated region that needs more polishing has been identified, such that a band of constant width damping surrounding it, whose minimum width corresponds to the size of the erosion footprint or poxel.
  • Figure 5 illustrates a plurality of deterministic hydropneumatic tools that have the mixer module coupled to allow pulsed polishing to be carried out, and said hydrodynamic tools are mounted on several independent polishing robots.
  • Figure 6 illustrates various images obtained with tessellation polishing, where the images in the left column show the paths to follow for a rectangular (upper) " raster” polishing and for a tessellated (lower) polishing; the images in the central column show a simulation of the joints for both paths; and the images in the right column show interferograms of polished surfaces with both methods.
  • Fine polishing final finish of a specular surface where the surface error and roughness are less than 10 Angstrom.
  • Stability the ability of the tool of the present invention to keep the erosion footprint constant during its operation.
  • Repeatability the ability of the tool of the present invention to keep the erosion footprint constant for several cycles of operation.
  • Uniformity the ability of the tool of the present invention to keep the erosion footprint constant along the ring.
  • Oeterministic process it is a process where the same input parameters to a system will invariably produce the same outputs or results, not considering the existence of chance or uncertainty in the process.
  • Tessellation regularity or pattern of figures that completely cover a surface that meets two requirements: i) that there are no spaces left; and, ii) the figures do not overlap.
  • Pulse width modulation of a signal or energy source is a technique in which It modifies the duty cycle of a periodic signal to control the amount of abrasive power with which a surface is polished.
  • Poxel ⁇ polishing element
  • the hydrodynamic tool described in the Mexican '048 patent carries out three operational stages that rotationally accelerate the abrasive foam generated in the mixer module and that is expelled radially on the workpiece, creating a erosive erosive action of the particles abrasives that removes material.
  • the rotation of the abrasive foam, accelerated by the action of the tangential injectors of the acceleration chamber together with the divergent geometry of the nozzle creates a vortex with a low-pressure central zone surrounded by - a region of high pressure that is canceled each other on the work surface (300).
  • the tool floats on said workpiece and does not exert any net force on the surface to be polished.
  • this buoyancy capability self-aligns the tool parallel to said surface to be polished, giving it a self-adjusting capacity.
  • the ability to expel the abrasive foam at high speed and in a racial manner generates high removal rates, as well as low residual roughness and generating zero force on the surface (300) to be polished.
  • said hydrodynamic tool of the '048 patent works continuously, that is, when it is in use it always remains on and does not allow interrupting its erosive action during the polishing process, forcing to sweep the entire surface, and therefore, removing material where it is not necessary to do so, since, in case of interrupting the supply (which is done by alternating the On / Off switch) of the abrasive foam causes cavitation effects that prevent the tool from restarting its operation once it is it has interrupted said supply of abrasive foam, and therefore, loses its stability and buoyancy.
  • the configuration of the mixer module of the hydrodynamic tool was redesigned, so that the flow of polishing fluid or abrasive foam can be interrupted without said tool losing stability during its operation.
  • a new mixer module (100) was designed and developed to be coupled to a deterministic hydrodynamic tool (200), and more specifically, to the hydrodynamic tool described and claimed in Mexican patent '048; said mixer module (100) has the ability to instantly interrupt the abrasive effect, but without said hydrodynamic tool (200) losing the stability of the operating parameters, further increasing its versatility and efficiency, since it allows polishing only in the regions where it is necessary, correcting a work surface (not shown in the figures) without the need to cover the entire surface, avoiding removing material where it is not necessary.
  • the mixer module (100) is configured to be able to interrupt the supply of the abrasive fluid or foam without losing the operational stability of the process and the tool (200) can operate in pulsed mode by polishing by "poxel". What is intended is that said abrasive fluid remains within the tool of polishing (200) less than one millisecond and, once the flow is cut, take advantage of the high internal velocities of the pressurized gases to empty said tool (200).
  • the hydrodynamic polishing tool (200) is illustrated graphically, and more specifically, the mixer module (100) (indicated with dotted line), which is described in accordance with a particularly preferred embodiment of the present invention and which in general terms comprises: at least one high speed fluid switch element (10) that can be arranged inside or outside the body (20) of said mixer module (100 ), whose function is to interrupt the controlled pressure and flow supply of the abrasive foam, in the present invention the use of, but not limited to, a high speed solenoid valve as switch element (10) is preferred, since any other device that allows rapid pulsation of fluids such as electromechanical, piezoelectric, fluidic, or pneumatic, among others, can be used; a first inlet (30) through which air under pressure is injected controlled; a second inlet (40) through which a polishing fluid is injected in a controlled manner which in the preferred embodiment of the present invention is a suspension of an abrasive polisher in water, wherein said polishing
  • the density of the abrasive foam depends on the ratio of pressures with which the air is injected on the one hand and on the other hand the polishing fluid. It is important to ensure that the abrasive foam stay is less than one millisecond within this mixing stage. Special care has been given to the hydrodynamic geometry of the mixer module
  • the duration of the pulse is controlled by at least one switch element (10) to obtain a removal of deterministic material.
  • Erosion is proportional (linear) to the pulse duration of the polishing fluid. Erosion is now a proportional (linear) function to the pulse duration, so it allows polishing with the pulse width modulation (PWM) acronym for Pulse Width Modulation, obtaining roughing resolutions of up to 1 A / ms (0.1 nm / ms). This allows to finely polish a finite surface element the size of the erosion footprint of the tool.
  • PWM pulse width modulation
  • the present invention describes a method for carrying out the deterministic polishing process using the deterministic hydrodynamic polishing tool (200) having the mixer module (100) described above, coupled, comprising the steps of:
  • hydrodynamic tool (200) that has the mixer module (100) described in the present invention coupled, it is possible to interrupt the erosive action of the tool (200), thus allowing the pulsed polishing of a surface, with which it is possible to generate a linear erosion function in which the removal is no longer a function of the scanning speed of the polishing robot (CNC, acronym in English for Computer Numeric Control), but of the duration of the pulse on each point of the surface, thus allowing to generate stay time maps with high precision removal rates that can range from zero to the maximum removal obtainable with the tool, at constant scan speed.
  • This new capacity of the hydrodynamic tool (200) allows to implement a series of new polishing techniques that increase the efficiency and overall polishing performance with this tool, and which is described below:
  • the modification in the configuration of the mixer module (100) that is coupled to the hydrodynamic tool (200) allows to generate polishing pulses that can be implemented either as individual pulses, equivalent to polishing per unit area (poxel), or as a continuous scanning of the tool (200) at constant speed, varying the pulse width and using pulse width modulation techniques (PWM). It allows to generate removal from scratch to the maximum removal rate allowed by the tool (200).
  • PWM pulse width modulation techniques
  • the new configuration of the mixer module (100), being linear, allows the duration of the erosive pulse to be controlled as a fraction of the time it takes for the tool (200) to travel the distance equivalent to the size of its erosion footprint.
  • the depth k of the material removed for a tour is given by where D v is the volumetric removal ratio (typical of each tool), Y is the duty cycle of the PWM pulse width (the time divided by T), you see the speed of the CNC and S is the size of the path .
  • * YD / V
  • Each polishing tool (200) would have to be mounted on a robot, as shown in figure 5 of the accompanying drawings, either, articulated arms (serial) or parallel robots (hexapod), or also one or several robotic arms with multiple heads in linear, matrix or spiral configurations. Moreover, any numerical control machine that allows simultaneous polishing with several tools on a surface.
  • the tools (200) can be mounted on independent polishing robots (CNC), where each robot covers the polishing of a certain section of the surface.
  • CNC independent polishing robots
  • This method has several problems, such as obtaining overlapping areas that are not smooth, as well as the collision between tools when approaching when polishing adjacent areas.
  • To obtain smooth splicing marks between two independent polishing zones it is necessary to approach the border between zones following paths special, which have been referred to as tessellated trajectories (refer to figure 6 of the accompanying drawings). This form of trajectory avoids doubling the time spent in the splice area, as would be the case, for example, with a square or rectangular rasfer scan pattern.
  • Another possibility is to vary the pulse width of each tool in the overlapping zone, so that the combined stay time is necessary in that area to obtain a smooth joint.
  • the images in the left column show the paths to follow for the rectangular "raster" polishing (upper) and for tessellated polishing (lower); the images in the central column show a simulation of the joints for both paths; and the images in the right column show interferograms of polished surfaces with both methods.
  • the upper set of images shows the splicing of two polished surfaces independently using a rectangular scanning pattern, notice in the upper right image as the overlapping area is very evident, as well as the entry fingerprint.
  • the lower set of images shows an example of a scanning path that incorporates a tessellated path in the splice zone, in the lower right image the splice zone is not evident. • Polished by pixel
  • the polishing response function in the scanning direction is different from that in the direction perpendicular to the scanning direction.
  • PWM pulse width modulation
  • the pixel polishing or discrete polishing method which consists of moving the tool (200) to discrete positions with each other, covering the region of interest with the same step increase in both axes. For each position, the tool (200) is turned on the time necessary to obtain the desired removal. This method is useful for areas where highly localized polishing is required, allowing to follow either a raster-type scan pattern, or any trajectory or set of discrete positions on the region of interest.
  • polishing with the tool of the Mexican patent '048 leaves the edges of the surface to be polished fallen, with a width corresponding to the diameter of the erosion footprint of the tool.
  • This problem is solved by increasing the speed of the tool when it approaches the shore, reducing the time of stay and, therefore, the amount of material removed in that region to adapt it to the necessary amount; however, this can cause control problems in the CNC, since the tool is accelerated in a region in the which should be preparing for a change of direction, for example, if a raster type scan pattern is followed.
  • the ability to press the tool (200) can alleviate this problem, since the time of stay can be controlled without the need to increase the speed of the tool on the edge of the surface to be polished. In fact, this method allows the CNC to decelerate in preparation for a change of direction.
  • An additional advantage of pulsed polishing is to converge more quickly towards the desired surface.
  • the imposition of having to remove a minimum amount, other than zero, due to the inability to turn off the erosive power of the tool limits the amount of material that can be removed in each polishing run. While, when the tool (200) can be pressed, it is possible not to have (zero) material removal and increase the convergence ratio.
  • Another advantage of this method is that it is possible to use only one polisher feed system for all tools (200). This simplifies the system, increases efficiency and reduces costs.
  • Simultaneous polishing with various tools (200) assigns each tool (200) a section of the surface and the borders between the sections can be polished free of scars, either through the tesselled polishing method or using polishing by modulation of Pulse width (PWM), described above.
  • PWM Pulse width
  • the linear configuration can be expanded to a configuration where multiple tools (200) are placed in a matrix array, mounted on a robotic device to sweep the surface to be polished. This allows maximizing the number of tools (200) and minimizing polishing time.
  • the principle of operation is equal to the linear case, but adding m lines. This is equivalent to implementing m polishing runs in a single iteration, further increasing the efficiency of the polishing process.
  • Polished muid-tool in spiral configuration It is possible to efficiently polish a surface with axial symmetry by positioning multiple tools (200) on a spiral arm, which in turn moves a distance ⁇ over one of the Cartesian axes, as in the method of linear arrangement, so that Each tool (200) covers the area assigned to it. You can either move the arm around the axis of symmetry of the surface to be polished, or rotate the surface on a table socket. It is possible to propose and solve a variational equation for a parameterized spiral curve so that "n" tools (200) are placed equidistant apart from each other over the entire length of this spiral curve, so that each tool (200) polish the same amount of area. It is also possible to expand this methodology by adding more spiral arms to increase the efficiency of the process.
  • any computer controllable mechanism that allows sweeping said tool (200) on the work surface (300) to be polished which may be, But it is not limited to rotary tables, Cartesian CNC machines, articulated robots. Simultaneous polishing can also be done with multiple tools (200) mounted on multiple robots.
  • FIG. 1 A prototype of the deterministic hydrodynamic tool for pulsed polishing of optical surfaces was constructed, which had the mixing module of the present invention coupled, where said tool had a 7 mm footprint and was tested for linearity.
  • Figure 2 of the accompanying drawings show the results of erosion vs. residence time
  • the pulse amplitude went in constant increments, from 10 ms to a maximum of 500 ms, because the tool moved in 0.2 mm increments, the overlap was 35 times in each diameter of the fingerprint of said hydrodynamic tool .
  • Erosion was measured using a Fizeau interferometer and the result was normalized, so the removal corresponds to a single pass of the tool on each point along the line that was polished.
  • the error bars are basically due to the errors produced by the subtraction of the base reference during the interferogram reduction.
  • a removal resolution of 0.1 nm / ms can be seen from the data. Obvious effects of polishing could be observed from 25 ms. This effect can be attributed to the response time of the electrovalve, where said response time can be improved by the use of faster actuators.
  • Modifying the mixer module configuration allows you to control the duration of a pulse with respect to a repetition frequency or pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the frequency Repeat must be maintained within a diameter of the tool's footprint, which translates into time, for a given tool speed.
  • the duty cycle is changed between 0 and 1 while maintaining a constant speed, it is possible to create a discrete or pixelated pattern that is useful for determining the response function of the pressed tool. Said pattern is shown in Figure 3 of the accompanying drawings, where a constant speed of 2000 mm / min has been maintained and alternating the erosive process between turning the tool on and off with a frequency of 5 Hz.
  • the efficiency of the hydrodynamic tool is limited due to the small size of its footprint and its volumetric removal speed.
  • said efficiency can be improved by simultaneously polishing the surface with a plurality of hydrodynamic tools that have the mixing module of the present invention coupled.
  • These tools can be mounted on independent polishing robots, as illustrated in the accompanying figure 5, where each robot attacks a certain section of the surface. This being one of many options or arrangements that can be made using simultaneously more than one hydrodynamic tool and perform the polished polishing of an optical surface.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Grinding-Machine Dressing And Accessory Apparatuses (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

La presente invención está relacionada con un módulo mezclador hidrodinámicamente optimizado para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies con calidad ópticas, el cual está configurado para poder interrumpir el suministro de fluido o espuma abrasiva sin que se pierda la estabilidad operacional del proceso de pulido y de la herramienta hidrodinámica, el cual comprende: por lo menos un elemento interruptor de fluidos a alta velocidad que puede estar dispuesto dentro o fuera del cuerpo de dicho módulo mezclador, cuya función es la de interrumpir el suministro a presión y flujo controlados de la espuma abrasiva; una primera entrada a través de la cual se inyecta controladamente aire a presión; una segunda entrada a través de la cual se inyecta controladamente un fluido pulidor, el cual llena un volumen previamente calculado y con geometría hidrodinámica y optimizada y que es transferido a una zona de mezclado y, conjuntamente con el aire inyectado a presión, se produce la espuma abrasiva que es inyectada hacia un módulo de por lo menos una cámara de aceleración rotacional de la herramienta hidrodinámica. Asimismo, la invención está también relacionada con un método para llevar a cabo el proceso de pulido determinístico.

Description

MODULO MEZCLADOR PARA UNA HERRAMIENTA HIDRODINÁMICA DETERMINISTICA PARA EL PULIDO PULSADO DE SUPERFICIES ÓPTICAS, Y
METODO PARA LLEVAR A CABO EL PULIDO PULSADO CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención está relacionada con las técnicas y principios empleados en la Astronomía y en la óptica de alta precisión, así como el desarrollo de herramentales que permitan llevar a cabo desde un esmerilado correctivo hasta un pulido de alta precisión en superficies que requieran alta calidad óptica, y más particularmente, está relacionada con un módulo mezclador para una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies con calidad óptica, asi como también está relacionada con el método para llevar a cabo el pulido pulsado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El proceso de pulido de calidad óptica, pulido fino o de alta precisión consiste en desbastar el material de la superficie a pulir para alisarla, así como para corregir su figura con precisiones de fracciones de longitud de onda.
En el campo de la óptica de alta precisión y en el de la microelectrónica, y más específicamente, en lo que se refiere al aplanado óptico de superficies semiconductoras, el esmerilado y pulido de alta precisión se realiza con distintas técnicas modernas.
Los métodos convencionales de pulido, también conocidos como métodos de pulido clásico (R.N. Wilson "Reflecting Telescope Optics II, Manufacture, Testing, Alignment, Modem Techniques" Springer Veriag, 1999. y Wilson S. R., et al. SPIE Vol. 966, 74, 1988) utilizan principalmente herramientas de contacto fabricadas con materiales elásticos (brea, poliuretano, entre otros) que se amoldan con precisión a la superficie a pulir, ejerciendo rozamiento a través de una capa de abrasivo en suspensión. Estos procedimientos de pulido tienden a ser artesanales y tardados, y deforman las herramientas de pulido debido a la temperatura y torsión que se generan durante el proceso, con el consecuente desgaste de la herramienta en la que se incrusta el abrasivo y el material removido. Además de lo anterior, los métodos convencionales de pulido presentan otras desventajas, como son: solamente es posible trabajar materiales de alta dureza; las superficies a trabajar se deforman por la presión que las herramientas ejercen sobre ellas, requiriendo de soportes rígidos para las mismas; tienden a dejar la orilla caída debido al material semi-rígido de contacto y a la falta de soporte de la herramienta en el borde; es necesario cambiar el tamaño de la herramienta para hacer correcciones zonales; funcionan con máquinas armónicas que no tienen las ventajas de una máquina con varios grados de libertad como lo requerido, por ejemplo, para el pulido de una superficie fuera de eje.
Los métodos anteriormente descritos fueron superados utilizando herramientas del tipo "stressed lap", las cuales consisten en herramientas que se deforman activamente para pulir superficies esféricas con mayor facilidad. Sin embargo, son métodos complejos y una de sus limitaciones importantes consiste en que no es posible trabajar con precisión los bordes de las superficies, obteniendo lo que se conoce en el campo de la óptica como superficies con orillas caídas. En el estado del arte existen otros métodos más actuales a los ya descritos, los cuales se emplean para el pulido fino de superficies ópticas, a saber: el pulido por medio de un cañón de iones (Ion Beam Figuring, que es un método excelente para la corrección de errores sobre una superficie óptica, también es conocido como "pulido correctivo"); el pulido por medio de fluidos magnetoreológicos; y, el pulido por chorros fluídicos (Fluid Jet Polishing). Las características y limitaciones de cada uno se describen a continuación:
El pulido por medio de un cañón de iones se describe en la Patentes Norteamericanas Serie No. 5786236 y 5969368, donde dicha tecnología se basa en el bombardeo de la superficie a pulir con un haz colimado de iones de un gas inerte que producen la remoción de material. Con esta tecnología solamente se puede realizar el pulido fino de una superficie previamente preparada y pulida. El proceso es iterativo basado en el mapa de error de la superficie de trabajo corrigiendo las imperfecciones. Este método requiere de una cámara de vacío, cuando menos, del tamaño de la pieza a pulir, por lo que resulta costosa y compleja; no es posible realizar pruebas ópticas ¡nterferométricas durante el proceso de pulido, lo cual complica el proceso iterativo de pulido/prueba; la microrugosidad en la superficie se mantiene prácticamente intacta debido a la incidencia ortogonal del haz sobre la superficie.
El método de pulido por medio de fluidos magnetoreológicos se describe en las Patentes Norteamericanas Serie No. 5971835 y 6106380, el cual consiste en confinar un fluido magnético con abrasivo sobre el área perimetral de un cilindro rotatorio que, por influencia de un campo magnético, se endurece generando una herramienta de pulido. El pulido se consigue moviendo controladamente la pieza a pulir sobre el fluido magnetoreológico que circula sobre el cilindro rotatorio. Otra variante de este método es colimar un flujo de líquido magnetoreológico abrasivo por medio de un campo magnético haciéndolo chocar con la superficie de trabajo.
Por su parte, el pulido por chorro fluídico (Booij, S.M., et al., Optica! Engine&ring, August 2002, vol. 41, No. 8, pp. 1926-1931 y Booij, S.M., et al., I. OF&T conference, Tucson, Juna 2002, pp. 52-54. y O. Fáhnle at al., Appl. opt. 38, 6771-6773 ~ 1998) es la primera tecnología de pulido basada en fluidos, desbastando la superficie a pulir mediante un haz de fluido abrasivo. El chorro se dirige a la superficie a través de una tobera colocada a un cierto ángulo y distancia respecto de la superficie de trabajo. Este método de pulido presenta características limitadas debido a que la huella de erosión que se genera es muy pequeña y genera tasas de remoción bajas. Las superficies que se pueden trabajar son pequeñas y la herramienta resulta limitada para satisfacer las necesidades de pulido de alta precisión en los campos de la óptica de grandes superficies.
Por otro lado, en el estado de la técnica se encuentra también la Patente
Mexicana No. 251048 perteneciente a los mismos inventores de la presente solicitud de patente, la cual describe una herramienta útil para el esmerilado y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas y curvas, incluyendo las orillas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras y metálicas sin entrar en contacto con ellas, ejerciendo cero fuerza sobre la superficie de trabajo, donde dicha herramienta fue desarrollada para resolver los problemas que en su momento la tecnología disponible no había resuelto, ya que, además de las limitaciones discutidas arriba de cada uno de los métodos de pulido y esmerilado, presentaban otra limitación importante que estaba relacionada con el hecho de que era indispensable utilizar más de una tecnología para conseguir el acabado de alta precisión de una superficie. Dicha herramienta hidrodinámica no tiene partes móviles y está configurada por módulos intercambiables, a saber un módulo mezclador que mezcla dos o más componentes de una sustancia pulidora para formar una espuma abrasiva e incluye una cavidad porosa para controlar la densidad de dicha espuma abrasiva; un módulo de por lo menos una cámara de aceleración rotacional que tiene una geometría hidrodinámica optimizada y que incluye en su periferia un conjunto de inyectores de potencia; un sistema de suspensión aerostático que genera una capa de fluido sobre la cual flota la herramienta, y dicha capa de fluido permite a dicha herramienta ajustar su posición con respecto a la superficie de trabajo por medio de una serie de cojinetes aerostáticos; un actuador de garganta; una tobera de salida; una tobera radial divergente; y, un anillo recuperador de materiales.
En el módulo mezclador se produce un flujo (espuma abrasiva) de alta velocidad que al salir de la herramienta hidrodinámica se expande radial y paralelamente sobre la superficie de trabajo creando una huella de abrasión anular, estable, uniforme y repetible. Su diseño permite llevar a cabo los procesos para obtener una superficie óptica de muy alta precisión, desde el esmerilado correctivo hasta el pulido fino, sin la necesidad de cambiar de herramienta, evitando la fricción contra la superficie de trabajo, el desgaste y la deformación de la misma, también permite el pulido de membranas delgadas sin el requerimiento de soportes rígidos o activos para la pieza de trabajo.
Sin embargo, a pesar de su versatilidad, la herramienta hidrodinámica de la patente mexicana '048 presenta la limitación de no poder interrumpir su acción erosiva durante el proceso de pulido, que se debe a su geometría hidrodinámica interna. El interrumpir el suministro de la solución pulidora provoca que la herramienta pierda su estabilidad y flotabilidad, obligando a tenerla siempre encendida, lo cual obliga a barrer toda la superficie, removiendo siempre material. Esto reduce la eficiencia general del proceso de pulido, ya que siempre habrá erosión, aún en zonas en donde no es necesario pulir, forzando tiempos de proceso más elevados de lo necesario, así como remoción excesiva de material. Esto es desventajoso para el trabajo sobre superficies grandes, en donde los tiempos pueden ser de decenas de horas por corrida, y donde el pulido no debe ser interrumpido por las huellas de empalme que se generan.
Con el fin de resolver las limitaciones de la herramienta hidrodinámica, se ha modificado la configuración interna del módulo mezclador en el que se lleva a cabo la etapa de espumado, de modo tal que se pueda interrumpir el suministro de la solución pulidora sin que se pierda la estabilidad operacional del proceso, permitiendo el pulido por "poxel" (Polishing Element) que, aunado a las ventajas que de por sí ya tiene dicha herramienta hidrodinámica de la patente mexicana '048, la convierten en una herramienta mucho más competitiva en el sentido de obtener una convergencia más eficiente hacia la superficie deseada, así como poder realizar acciones de pulido pulsado que con dicha herramienta hidrodinámica del estado de la técnica no se pueden lograr.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un módulo mezclador que está configurado para poder interrumpir el suministro del fluido o espuma abrasiva sin que se pierda la estabilidad operacional del proceso de pulido y de una herramienta hidrodinámica. Lo que se pretende es que dicho fluido abrasivo permanezca dentro de la herramienta de pulido menos de un milisegundo y, una vez cortado el flujo, se aprovechen las altas velocidades internas de los gases a presión para vaciar dicha herramienta, donde dicho módulo mezclador comprende: por lo menos un elemento interruptor de fluidos a alta velocidad que puede estar dispuesto dentro o fuera del cuerpo de dicho módulo mezclador, cuya función es la de interrumpir el suministro a presión y flujo controlados de la espuma abrasiva; una primera entrada a través de la cual se inyecta controladamente aire a presión; una segunda entrada a través de la cual se inyecta controladamente un fluido pulidor que en la modalidad preferida de la presente invención es una suspensión de un pulidor abrasivo en agua, donde dicho fluido pulidor llena un volumen previamente calculado de manera adecuada que es transferido a una zona de mezclado y, conjuntamente con el aire inyectado a presión, se produce una espuma abrasiva que es inyectada hacia el módulo de la por lo menos una cámara de aceleración rotacional de la herramienta hidrodinámica.
La densidad de la espuma abrasiva depende de la relación de presiones con que son inyectados por un lado el aire y por otro lado el fluido pulidor. Es importante garantizar que la estancia de la espuma abrasiva sea menor a un milisegundo dentro de esta etapa de mezclado.
En un aspecto adicional de la presente invención se describe también un método para llevar a cabo el proceso de pulido determinístico utilizando la herramienta de pulido hidrodinámico determinística que tiene acoplado el módulo mezclador de la presente invención, el cual comprende las etapas de: (a) generar un mapa de error de la superficie de trabajo a pulir a partir de un interferograma; (b) generar un mapa de tiempos de estancia/duración de pulso de la herramienta de pulido hidrodinámico determinístico para cada posición sobre la superficie a pulir; (c) obtener, en conjunto con la función de influencia o huella de erosión particular a cada herramienta de pulido, un mapa de movimientos para un robot pulidor que permite barrer dicha superficie de trabajo a pulir para obtener la figura óptica deseada; (d) llevar a cabo el pulido pulsado determinístico sobre la superficie de trabajo, pudiéndose utilizar más de una herramienta de pulido hidrodinámico de manera simultánea y montadas sobre una máquina o varías máquinas independientes y en diferentes configuraciones; y, (e) generar un nuevo mapa de error de la superficie de trabajo pulida, esto en caso de ser necesario, repitiendo las etapas (a) - (d) hasta obtener la figura óptica deseada.
La capacidad del módulo mezclador de interrumpir el suministro de espuma abrasiva permite a la herramienta hidrodinámica implementar una serie de nuevas técnicas de pulido que aumentan ia eficiencia y desempeño general de pulido con dicha herramienta, tales como: pulido pulsado; pulido zonal; modulación por ancho de pulso (PWM, acrónimo inglés de Pulse Width Modulation)); pulido por teselación; pulido por pixel; interrupción de la corrida de pulido; pulido de orillas; convergencia; pulido con múltiples cabezas.
De igual manera, el módulo mezclador ai estar acoplado a la herramienta hidrodinámica determinística permite la posibilidad de llevar a cabo varías posibles configuraciones para acomodar múltiples herramientas para el pulido simultaneo, entre las cuales se encuentran: pulido multi-herramienta en arreglo lineal; pulido multi- herramienta en configuración matricial; pulido multi-herramienta en configuración espiral, y pulido muiti-herramienta en una o varias máquinas utilizando las configuraciones arriba mencionadas, entre otros arreglos.
OBJETOS DE LA INVENCION
Teniendo en cuenta las limitaciones encontradas en el estado de la técnica, es un objeto de la presente invención proveer un módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística cuya geometría hidrodinámica optimizada permite el pulido pulsado de superficies ópticas, ya que le provee a dicha herramienta la capacidad de interrumpir instantáneamente el efecto abrasivo, pero sin perder la estabilidad de los parámetros de operación y la flotabilidad de la herramienta.
Es otro objeto más de la presente invención proveer el módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas, haciéndola aún más versátil y eficiente ya que, además de permitirle pulir únicamente aquellas zonas en donde es necesario corregir la superficie, pero sin tener que recorrer la superficie óptica entera y remover material en donde no es necesario, le permite retomar el proceso de pulido después de haber sido interrumpido por cualquier causa, eliminado las "cicatrices" generadas por la imposibilidad de hacer un buen empalme.
Un objeto adicional de la presente invención es proveer el módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas, el cual permite llevar a cabo dicho pulido pulsado por teselación (o por sectores), ya que se pueden empalmar trayectorias de pulido sin dejar huella.
Sigue siendo objeto más de la presente invención proveer el módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas que permite pulir zonas adyacentes con una o más herramientas hidrodinámicas sin dejar huella o cicatriz por medio de pulido teselado que optimiza la trayectoria en el empalme. Sigue siendo un objeto más de la presente invención proveer el módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas, en donde el pulido pulsado a su vez permite atacar simultáneamente una superficie con varías herramientas hidrodinámicas al mismo tiempo, con acción de pulido independiente para cada una de ellas, reduciendo considerablemente el tiempo de pulido de dicha superficie y aumentando la eficiencia general del proceso.
Otro objeto más de la presente invención es proveer el módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas que permita modular linealmente el proceso erosivo, ya que, a diferencia de la herramienta hidrodinámica de flujo radial encontrada en el estado de la técnica, con el módulo mezclador acoplado a dicha herramienta hidrodinámica a partir del mapa de error de la superficie a pulir se calcula un mapa de velocidades para corregir la superficie y, partiendo del mapa de error, se calcula un mapa de tiempos con duraciones de pulso distintos, con lo que la duración del pulso determina el volumen removido por "poxel".
Sigue siendo un objeto más de la presente invención proveer un método para llevar a cabo un pulido pulsado hidrodinámico determinístico, utilizando la herramienta hidrodinámica que tiene acoplado el módulo mezclador de la presente invención.
Los objetos anteriores, así como otros objetos no descritos, particularidades y ventajas del módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas de la presente invención, serán evidentes para un técnico en la materia a partir de la descripción detallada de ciertas modalidades y de las figuras que se acompañan, además de las reivindicaciones anexas.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Los aspectos novedosos que se consideran característicos de la presente invención, se establecerán con particularidad en las reivindicaciones anexas. Sin embargo, la invención misma, tanto por su organización, así como por su método de operación, conjuntamente con otros objetos y ventajas de la misma, se comprenderán mejor en la siguiente descripción detallada de las modalidades de la presente invención, cuando se lea en relación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La figura 1 es una representación gráfica de un módulo mezclador acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas, el cual ha sido construido de conformidad con una modalidad particularmente preferida de la presente invención.
La figura 2 es una gráfica que muestra los resultados de Erosión vs. Ancho de pulso. La figura 3 ilustra un patrón pixelado en el cual se mantuvo una velocidad constante de 2000 mm/min y alternando el proceso erosivo entre apagado y encendido con una frecuencia de 5 Hz.
La figura 4 ilustra un pulido pulsado zonal, en el cual se ha identificado una región aislada que necesita mayor pulido, de modo tal que se define una banda de amortiguación de ancho constante que la rodea, cuyo ancho mínimo corresponde al tamaño de la huella de erosión o poxel.
La figura 5 ilustra una pluralidad de herramientas hidroneumáticas determinísticas que tienen acoplado el módulo mezclador para permitir llevar a cabo el pulido pulsado, y dichas herramientas hidrodinámicas se encuentran montadas en varios robots de pulido independientes.
La figura 6 ilustra diversas imágenes obtenidas con un pulido por teselación, donde las imágenes de la columna izquierda muestran las trayectorias a seguir para un pulido "ráster" rectangular (superior) y para un pulido teselado (inferior); las imágenes de la columna central muestran una simulación de los empalmes para ambas trayectorias; y las imágenes de la columna derecha muestran interferogramas de superficies pulidas con ambos métodos.
DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES DE LA INVENCION
Para los efectos de dar una mayor claridad y comprensión a la presente descripción, en seguida se establece un pequeño glosario de términos que han sido y serán usados a lo largo del presente documento:
Generado: dar forma a una superficie en 3D (generalmente una ecuación matemática) sobre un objeto sólido por medio de herramientas abrasivas rígidas, flexibles o fluídicas (error final * 100 μπι).
Esmerilado: proceso posterior al generado que consiste en la remoción del material superficial de un sólido por medio del roce, corte o impacto de partículas microscópicas sólidas de alta dureza (error final de 1 - 10 μιπ). Pulido: acabado final de una superficie especular en donde el error superficial y la rugosidad son menores a 20 nm.
Pulido fino: acabado final de una superficie especular en donde el error superficial y la rugosidad son menores a 10 Angstrom.
Estabilidad: la capacidad de la herramienta de la presente invención para mantener constante la huella de erosión durante su operación. Repetíbilidad: la capacidad de la herramienta de la presente invención para mantener constante la huella de erosión durante varios ciclos de operación.
Uniformidad: la capacidad de la herramienta de la presente invención para mantener constante la huella de erosión a lo largo del anillo.
Proceso Oeterminístico: es un proceso en donde los mismos parámetros de entrada a un sistema producirán invariablemente las mismas salidas o resultados, no contemplándose la existencia de azar o incertidumbre en el proceso. Teselado: regularidad o patrón de figuras que recubren completamente una superficie que cumple con dos requisitos: i) que no queden espacios; y, ii) que no se superpongan las figuras.
Modulación por ancho de pulso: La modulación por ancho de pulsos (PWM, pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar la cantidad de potencia abrasiva con la que se pule una superficie.
Poxel: {polishing element) Unidad de área que corresponde al tamaño de la huella de erosión de la herramienta y que define la resolución espacial máxima con la que se puede pulir una superficie.
Es importante señalar que la herramienta hidrodinámica descrita en la patente mexicana '048 lleva a cabo tres etapas operativas que rotacionalmente aceleran la espuma abrasiva generada en el módulo mezclador y que es expulsada radialmente sobre la pieza de trabajo, creando una acción erosiva razante de las partículas abrasivas que elimina material. La rotación de la espuma abrasiva, acelerada por la acción de los inyectores tangenciales de la cámara de aceleración en conjunto con la geometría divergente de la tobera crea un vórtice con una zona central de baja presión rodeado por - una región de alta presión que se cancelan entre sí sobre la superficie de trabajo (300). Como resultado de ello, la herramienta flota sobre dicha pieza de trabajo y no ejerce fuerza neta alguna sobre la superficie a pulir. Además, esta capacidad de flotabilidad auto-alinea la herramienta de manera paralela a dicha superficie a pulir, dándole una capacidad de auto-ajuste. La capacidad de expulsar la espuma abrasiva a alta velocidad y de manera razante genera altas tazas de remoción, así como una baja rugosidad residual y generando cero fuerza sobre la superficie (300) a pulir.
Sin embargo, tal como se discutió en el apartado de los antecedentes, dicha herramienta hidrodinámica de la patente '048 trabaja de manera continua, esto es, cuando está en uso siempre permanece encendida y no permite interrumpir su acción erosiva durante el proceso de pulido, obligando a barrer toda la superficie, y por lo tanto, remover material donde no es necesario hacerlo, ya que, en caso de interrumpir el suministro (lo cual se hace alternando el interruptor de Encendido/Apagado) de la espuma abrasiva provoca efectos de cavitación que impiden que la herramienta reinicie su operación una vez que se ha interrumpido dicho suministro de espuma abrasiva, y por lo tanto, pierda su estabilidad y flotabilidad.
A fin de resolver el problema anterior, se rediseño la configuración del módulo mezclador de la herramienta hidrodinámica, de modo tal que el flujo de fluido pulidor o espuma abrasiva pueda ser interrumpido sin que dicha herramienta pierda estabilidad durante su operación.
En razón de lo anterior, se diseñó y desarrolló un nuevo módulo mezclador (100) para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística (200), y más específicamente, a la herramienta hidrodinámica descrita y reclamada en la patente mexicana '048; dicho módulo mezclador (100) tiene la capacidad de interrumpir instantáneamente el efecto abrasivo, pero sin que dicha herramienta hidrodinámica (200) pierda la estabilidad de los parámetros de operación, aumentando aún más su versatilidad y eficiencia, ya que permite pulir únicamente en las regiones en donde es necesario, corrigiendo una superficie de trabajo (no mostrada en las figuras) sin la necesidad de recorrer enteramente dicha superficie, evitando remover material en donde no es necesario.
El módulo mezclador (100) está configurado para poder interrumpir el suministro del fluido o espuma abrasiva sin que se pierda la estabilidad operacional del proceso y la herramienta (200) pueda operar en modo pulsado llevando a cabo el pulido por "poxel". Lo que se pretende es que dicho fluido abrasivo permanezca dentro de la herramienta de pulido (200) menos de un milisegundo y, una vez cortado el flujo, se aprovechen las altas velocidades internas de los gases a presión para vaciar dicha herramienta (200).
Haciendo referencia a la figura 1 de los dibujos que se acompañan, en ella se ilustra gráficamente la herramienta de pulido hidrodinámico (200), y de manera más específica, el módulo mezclador (100) (indicado con línea punteada), el cual se describe de conformidad con una modalidad particularmente preferida de la presente invención y que en términos generales comprende: por lo menos un elemento interruptor (10) de fluidos a alta velocidad que puede estar dispuesto dentro o fuera del cuerpo (20) de dicho módulo mezclador (100), cuya función es la de interrumpir el suministro a presión y flujo controlados de la espuma abrasiva, en la presente invención se prefiere el uso de, pero no se limita a, una electroválvula de alta velocidad como elemento interruptor (10), ya que se puede emplear cualquier otro dispositivo que permita el pulsado rápido de fluidos tal como electromecánico, piezoeléctrico, fluídico, o neumático, entre otros; una primera entrada (30) a través de la cual se inyecta controladamente aire a presión; una segunda entrada (40) a través de la cual se inyecta controladamente un fluido pulidor que en la modalidad preferida de la presente invención es una suspensión de un pulidor abrasivo en agua, donde dicho fluido pulidor llena un volumen (50) previamente calculado y configurado para optimizar la geometría hidrodinámica interna del módulo mezclador (100) y poder reducir el tiempo de permanencia del fluido pulidor en dicho volumen por menos de 1 ms a fin de que no se pierdan los parámetros de operación y capacidad de auto-sustentación de la herramienta (200), y en donde dicho fluido pulidor es transferido a una zona de mezclado (60) y, conjuntamente con el aire inyectado a presión, se produce una espuma abrasiva que es inyectada hacia el módulo (210) de la por lo menos una cámara de aceleración rotacional de la herramienta hidrodinámica (200).
La densidad de la espuma abrasiva depende de la relación de presiones con que son inyectados por un lado el aire y por otro lado el fluido pulidor. Es importante garantizar que la estancia de la espuma abrasiva sea menor a un milisegundo dentro de esta etapa de mezclado. Se ha dado especial cuidado a la geometría hidrodinámica del módulo mezclador
(100) para poderlo encender y apagar a alta velocidad sin perder las condiciones de estabilidad que producen la auto-sustentación de la herramienta sobre la superficie de trabajo (300). La duración del pulso es controlada por al menos un elemento interruptor (10) para obtener una remoción de material determinística. La erosión es proporcional (lineal) a la duración del pulso del fluido pulidor. La erosión es ahora una función proporcional (lineal) a la duración del pulso, por lo que permite pulir con la modalidad de modulación por ancho de pulso (PWM, acrónimo en inglés de Pulse Width Modulation), obteniendo resoluciones de desbaste de hasta de 1 A/ms (0.1 nm/ms). Esto permite pulir con precisión un elemento de superficie finita del tamaño de la huella de erosión de la herramienta.
En una modalidad adicional, la presente invención describe un método para llevar a cabo el proceso de pulido determinfstico utilizando la herramienta de pulido hidrodinámico determinística (200) que tiene acoplado el módulo mezclador (100) descrito párrafos arriba, el cual comprende las etapas de:
(a) generar un mapa de error de la superficie de trabajo (300) a pulir a partir de un interferograma, utilizando para ello, pero no limitándose a, un interferómetro, ya que se puede utilizar cualquier otro instrumento metrológico de alta resolución;
(b) generar un mapa de tiempos de estancia/duración de pulso de ia herramienta de pulido hidrodinámico determinístico para cada posición sobre la superficie a pulir (300);
(c) obtener, en conjunto con la función de influencia o huella de erosión particular a cada herramienta de pulido, un mapa de movimientos para un robot pulidor que permite barrer dicha superficie de trabajo a pulir (300) para obtener la figura óptica deseada;
(d) llevar a cabo el pulido pulsado determinístico sobre la superficie de trabajo (300), pudiéndose utilizar más de una herramienta de pulido hidrodinámico de manera simultánea y montadas sobre una misma máquina o varías máquinas independientes y en diferentes configuraciones; y
(e) generar un nuevo mapa de error de la superficie de trabajo (300) pulida, esto en caso de ser necesario, repitiendo las etapas (a) - (d) hasta obtener la figura óptica deseada.
Para la mayoría de los métodos de pulido actuales, incluyendo la herramienta descrita en la patente mexicana '048, se requiere de un mapa de velocidades que barren la herramienta sobre la superficie, variando la velocidad sobre cada punto, en función de la cantidad de material que debe ser removido. Para el caso especifico de dicha herramienta de la patente mexicana '048, al no poder ser apagada durante el proceso de pulido, esto limita la eficiencia del proceso de pulido en el sentido de que siempre existe una remoción de material mínima (diferente de cero) que está asociada a la velocidad máxima a la que es posible barrer la herramienta con el robot pulidor. Con la herramienta hidrodinámica (200) que tiene acoplado el módulo mezclador (100) descrito en la presente invención, es posible interrumpir la acción erosiva de la herramienta (200), permitiendo así el pulido pulsado de una superficie, con la cual es posible generar una función de erosión lineal en la cual la remoción ya no es función de la velocidad de barrido del robot pulidor (CNC, acrónimo en inglés de Computer Numeric Control), sino de la duración del pulso sobre cada punto de la superficie, permitiendo así generar mapas de tiempos de estancia con tasas de remoción de alta precisión que pueden ir desde cero hasta la máxima remoción obtenible con la herramienta, a velocidad de barrido constante. Esta nueva capacidad de la herramienta hidrodinámica (200) permite implementar una serie de nuevas técnicas de pulido que aumentan la eficiencia y desempeño general de pulido con esta herramienta, y que se describe a continuación:
• Pulido Pulsado
La modificación en la configuración del módulo mezclador (100) que se acopla a la herramienta hidrodinámica (200) permite generar pulsos de pulido que pueden ser implementados ya sea como pulsos individuales, equivalentes a pulido por unidad de área (poxel), o como un barrido continuo de la herramienta (200) a velocidad constante, variando el ancho de pulso y utilizando técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM). Permite generar remoción desde cero hasta la máxima tasa de remoción permitida por la herramienta (200). El hecho de que se pueda pulsar la acción erosiva de dicha herramienta (200), conlleva a un proceso lineal, en donde la remoción (moviendo la herramienta (200) a velocidad constante) es una función del tiempo de encendido de la herramienta, tal como se aprecia en la figura 2 de los dibujos que se acompañan.
• Pulido zonal
Cuando solo es necesario corregir una zona de la superficie de trabajo, en el caso del pulido con la herramienta de la patente mexicana '048 es necesario atravesar la superficie con la herramienta encendida a la zona en cuestión, dejando huellas de aproximación no deseadas, asi como huellas de entrada y salida en la zona a pulir. Mientras que, como ya se ha mencionado varías veces, este problema es resuelto pulsando el efecto abrasivo de la herramienta (200) que tiene acoplado el módulo mezclador (100), es decir, la herramienta (200) se aproxima operándola con Y=0 hasta llegar a una banda de amortiguamiento de ancho constante que rodea la zona de interés. Cuando la herramienta (200) entra a la banda de amortiguamiento, su velocidad se comienza a modificar suavemente hasta llegar al valor requerido en la región de interés. Dentro de la zona de interés se enciende la acción erosiva de dicha herramienta (200) y es posible pulir utilizando cualquiera de los métodos, o combinación de métodos que se describen adelante, por ejemplo, ei método de modulación por ancho de pulso (PWM), teselación o pulido continuo. · Modulación por ancho de pulso
La nueva configuración del módulo mezclador (100), por ser lineal, permite controlar la duración del pulso erosivo como una fracción del tiempo que le toma a la herramienta (200) recorrer la distancia equivalente al tamaño de su huella de erosión. La profundidad k del material removido para un recorrido está dado por
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donde Dv es la razón de remoción volumétrica (propia de cada herramienta), Y es el ciclo de trabajo del ancho de pulso PWM (el tiempo dividido por T), Ves la velocidad de la CNC y S es el tamaño dei paso de recorrido. El periodo de encendido/apagado de la señal es T = D/V donde D es el diámetro de la huella de la herramienta de pulido, de tal forma que en el tiempo que le toma recorrer el diámetro de la huella existe un pulso cuya duración puede ser variada desde cero hasta el tiempo equivalente para recorrer el ancho de la huella a una velocidad de barrido dada.
La profundidad h = Ετ de material removido es proporcional al tiempo de estancia de la herramienta r, donde * = YD/V, con & = DV/SD. Para el caso de Y = 1, se tiene el caso clásico o de remoción continua (patente mexicana '048) y el desbaste es controlado con la velocidad de barrido de la CNC.
En modo pulsado, en donde Y < 1 el desbaste es controlado por medio del suministro pulsado de espuma abrasiva en combinación con la velocidad de barrido. En el modo continuo, la remoción mínima de material posible está limitada por la velocidad máxima de la CNC. Para obtener remociones menores, debe ser empleado el pulido por ancho de pulso.
Para el caso en el que el ciclo de trabajo se varía entre 0 y 1, a velocidad CNC constante, es posible crear un patrón pixelado que se puede utilizar para determinar la función de respuesta de la herramienta (200). • Pulido Teselado
• Para el caso del pulido de superficies de gran tamaño (mayores a un metro), la eficiencia de la herramienta de la patente mexicana '048 está limitada por el tamaño de la huella de erosión, así como por la razón volumétrica de desbaste propia de la herramienta. Sin embargo, es posible aumentar la eficiencia del proceso al pulir de manera simultánea la superficie con varías herramientas hidrodinámicas (200). Este nuevo método de pulido además de permitir la combinación de zonas adyacentes pulidas independientemente, eliminando las huellas de empalme entre ellas, permite pulir una superficie con varías herramientas de pulido hidrodinámico (200) simultáneamente, en donde cada una de dichas herramientas (200) incluye acopladamente el módulo mezclador (100), disminuyendo el tiempo de proceso en función del número de herramientas (200). Cada herramienta de pulido (200) tendría que ser montada sobre un robot, tal como se aprecia en ia figura 5 de los dibujos que se acompañan, o bien, sean brazos articulados (serial) o robots en paralelo(hexápodo), o también uno o varios brazos robóticos con múltiples cabezas en configuraciones lineales, matriciales o en espiral. Más aun, cualquier máquina de control numérico que permita el pulido simultaneo con varías herramientas sobre una superficie.
Las herramientas (200) pueden ser montadas sobre robots de pulido (CNC) independientes, en donde cada robot cubre el pulido de una cierta sección de la superficie. Este método tiene varios problemas, como la obtención de zonas de traslape que no son suaves, así como la colisión entre herramientas cuando se aproximan al pulir zonas adyacentes. Para obtener huellas de empalme suaves entre dos zonas de pulido independientes, es necesario aproximarse a la frontera entre zonas siguiendo trayectorias especiales, las cuales se han denominado como trayectorias teseladas (refiérase a la figura 6 de los dibujos que se acompañan). Esta forma de trayectoria evita duplicar el tiempo de estancia en la zona de empalme, como sería, por ejemplo, el caso de un patrón de barrido "rasfer" cuadrado o rectangular.
Otra posibilidad es variar el ancho del pulso de cada herramienta en la zona de traslape, de forma tal que el tiempo de estancia combinado sea el necesario en esa zona para obtener un empalme suave. En el caso en donde dos trayectorias independientes coinciden en el tiempo en un punto en la frontera entre zonas, es posible desacelerar una de las herramientas (200), apagarla y esperar a que la otra herramienta (200) complete su barrido en esta zona y luego volver a encender la primera herramienta (200) para que esta pueda continuar con su trayectoria de pulido.
Como se puede apreciar en la figura 6 de los dibujos que se acompañan, las imágenes de la columna izquierda muestran las trayectorias a seguir para el pulido "ráster" rectangular (superior) y para pulido teselado (inferior); las imágenes de la columna central muestran una simulación de los empalmes para ambas trayectorias; y las imágenes de la columna derecha muestra interferogramas de superficies pulidas con ambos métodos. El conjunto de imágenes superior muestra el empalme de dos superficies pulidas independientemente utilizando un patrón de barrido rectangular, nótese en la imagen derecha superior como la zona de traslape es muy evidente, así como la huella de entrada. El conjunto de imágenes inferior muestra un ejemplo de una trayectoria de barrido que incorpora una trayectoria teselada en la zona de empalme, en la imagen inferior derecha la zona de empalme no es evidente. • Pulido porpixel
En el caso de pulido por modulación de ancho de pulso (PWM) a velocidad constante, la función de respuesta de pulido en la dirección de barrido es distinta a la de la dirección perpendicular a la dirección de barrido. Para obtener una respuesta simétrica, es posible utilizar el método de pulido por pixel o pulido discreto, que consiste en mover la herramienta (200) a posiciones discretas entre sí, cubriendo la región de interés con el mismo incremento de paso en ambos ejes. Para cada posición, la herramienta (200) es encendida el tiempo necesario para obtener la remoción deseada. Este método es útil para zonas en donde se requiere de un pulido muy localizado, permitiendo seguir ya sea un patrón de barrido tipo ráster, o cualquier trayectoria o conjunto de posiciones discretas sobre la región de interés.
• Interrupción de la corrida de pulido
Con la opción de poder encender y apagar el efecto erosivo de la herramienta (200) por medio del módulo mezclador (100) en cualquier lugar y momento del proceso de pulido, es posible interrumpir el proceso de pulido y continuarlo en cualquier otro momento.
• Pulido de orillas
Al igual que otras técnicas de pulido, el pulido con la herramienta de la patente mexicana '048 deja los bordes de la superficie a pulir caídos, con un ancho correspondiente al diámetro de la huella de erosión de la herramienta. Dicho problema se soluciona aumentando la velocidad de la herramienta cuando esta se aproxima a la orilla, reduciendo el tiempo de estancia y, por ende, la cantidad de material removido en esa región para adecuarla a la cantidad necesaria; sin embargo, esto puede generar problemas de control en la CNC, ya que la herramienta es acelerada en una región en la que debe estarse preparando para un cambio de dirección, por ejemplo, si se sigue un patrón de barrido tipo ráster.
La capacidad de poder pulsar la herramienta (200) permite aliviar este problema, ya que el tiempo de estancia puede ser controlado sin la necesidad de incrementar la velocidad de la herramienta en la orilla de la superficie a pulir. De hecho, este método permite desacelerar la CNC en preparación para un cambio de dirección.
• Convergencia
Una ventaja adicional del pulido pulsado es converger más rápidamente hacia la superficie deseada. En el caso del pulido con la herramienta de la patente mexicana '048 la imposición de tener que remover una cantidad mínima, diferente de cero, debido a la imposibilidad de apagar el poder erosivo de la herramienta, limita la cantidad de material que puede ser removido en cada corrida de pulido. Mientras que, al poder pulsar la herramienta (200) es posible no tener (cero) remoción de material y aumentar la razón de convergencia.
• Pulido con múltiples cabezas
Dado que el proceso erosivo de la herramienta puede ser pulsado, es posible montar múltiples herramientas (200) sobre un brazo robótico común, el cual puede moverse a una velocidad constante sobre la superficie a pulir. El tiempo de estancia para cada herramienta es controlado utilizando la modulación por ancho de pulso (PWM), como es requerido por el mapa de error.
También es posible aprovechar la capacidad de auto-sustento de la herramienta (200) para no tener que emplear sistemas posicionadores independientes para cada una de las herramientas (200) para garantizar el paralelismo de ellas sobre la superficie de trabajo (300). Solo se requiere de un grado de libertad por herramienta (200) implementado por medio de un movimiento lineal en el eje perpendicular a la superficie, en conjunto con un dispositivo medidor de fuerza, para garantizar el pulido con fuerza cero sobre la superficie de trabajo (300) y poder seguir la curvatura o figura local, así como la inclinación del plano de la superficie.
Otra ventaja de este método es que es posible utilizar solamente un sistema de alimentación de pulidor para todas las herramientas (200). Esto simplifica el sistema, aumenta la eficiencia y reduce costos.
La eficiencia del proceso de pulido se convierte ahora en una función del número de herramientas (200).
El pulido simultaneo con varías herramientas (200) le asigna a cada herramienta (200) una sección de la superficie y las fronteras entre las secciones se pueden pulir libres de cicatrices, ya sea por medio del método de pulido teselado o utilizando pulido por modulación de ancho de pulso (PWM), descritos arriba.
Por otro lado, existen varías posibles configuraciones para acomodar múltiples herramientas (200) para el pulido simultaneo, entre las cuales se encuentran, pero no se limitan a ellas, el pulido en configuraciones lineales, matriciales o espirales, las cuales se describen a continuación:
• Pulido multí-herramfenta en arreglo lineal
Al montar varías herramientas (200) de pulido determinfstico sobre un brazo de pulido movido por medio de un robot pulidor (ya sea una CNC cartesiana o brazo robótico o cualquier dispositivo para el movimiento controlado de una herramienta), es posible cubrir un área moviendo el brazo en direcciones "X" y "Y". Cada herramienta (200) se coloca a una distancia fija δ de la otra sobre el eje "X". La acción de barrido en el eje "X" se hace moviendo el brazo una distancia δ en esta dirección y avanzando con el patrón de barrido deseado en el eje "Y". El empalme entre secciones pulidas por cada herramienta (200) se maneja por medio de, ya sea el método de pulido por teselación o por ancho de pulso (PWM), descritos anteriormente.
Existen algunas consideraciones que deben ser tomadas en cuenta para este método, como es el pulido de los bordes cuando de pulen superficies circulares o no rectangulares. Habrá momentos en que por lo menos una herramienta (200) esté entrando o saliendo de la superficie a pulir, mientras que las demás continúan puliendo. Dado que este método aprovecha la capacidad de auto-sustento de la herramienta (200) para conformarse a la superficie de trabajo (300), aquellas herramientas (200) que se aproximen ai borde de la superficie de trabajo (300) perderán flotabilidad. Estos problemas pueden ser resueltos con una planeación adecuada de las trayectorias.
• Pulido muid-herramienta en configuración matricial
La configuración lineal puede ser expandida a una configuración en donde se colocan múltiples herramientas (200) en un arreglo matricial, montado sobre un dispositivo robótico para barrer la superficie a pulir. Esto permite maximizar el número de herramientas (200) y minimizar el tiempo de pulido. El principio de funcionamiento es igual al caso lineal, pero agregando m renglones. Esto es equivalente a implementar m corridas de pulido en una sola iteración, aumentando aún más la eficiencia del proceso de pulido.
• Pulido muid-herramienta en configuración espiral Es posible pulir eficientemente una superficie con simetría axial al posicionar múltiples herramientas (200) sobre un brazo en espiral, que a su vez se mueve una distancia δ sobre uno de los ejes cartesianos, al igual que en el método del arreglo lineal, para que cada herramienta (200) cubra el área que le fue asignada. Se puede, ya sea mover el brazo alrededor del eje de simetría de la superficie a pulir, o bien, rotar la superficie sobre una toma mesa. Es posible plantear y resolver una ecuación varíacional para una curva espiral parametrizada de tal forma que se coloquen "n" herramientas (200) separadas equidistantemente una de la otra sobre toda la longitud de esta curva espiral, de forma tal que cada herramienta (200) pula la misma cantidad de área. Es posible también expandir esta metodología agregando más brazos en espiral para aumentar la eficiencia del proceso.
• Otros arreglos y posibilidades
A fin de permitir el movimiento de la o las herramientas (200) es posible utilizar como dispositivo cualquier mecanismo controlable por computadora que permita barrer dicha o dichas herramientas (200) sobre la superficie de trabajo (300) a pulir, el cual puede ser, pero no está limitado a mesas rotatorias, máquinas CNC cartesianas, robots articulados. Se puede realizar también el pulido simultaneo con múltiples herramientas (200) montadas sobre múltiples robots.
Es también posible combinar cualesquiera de los métodos descritos anteriormente entre sí o con el método de pulido descrito para la herramienta de la patente mexicana '048, dependiendo del problema a pulir y superficie en particular, para lograr la mejor solución posible a un problema de pulido, optimizar la eficiencia del proceso de pulido y converger hacia la superficie deseada de manera más rápida. La presente invención será mejor entendida a partir de los siguientes ejemplos, los cuales se presentan únicamente con fines ilustrativos más no limitativos, de modo tal que permitan una mejor comprensión de las modalidades de la presente invención, sin que ello implique que no existen otras modalidades no ilustradas que puedan llevarse a la práctica con base en la descripción arriba realizada:
EJEMPLOS
Ejemplo No. 1
Se construyó un prototipo de la herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies ópticas, la cual tenía acoplado el módulo mezclador de la presente invención, donde dicha herramienta tenía una huella de 7 mm y fue probada para linealidad. En la figura 2 de los dibujos que se acompañan se muestran los resultados de la erosión vs. tiempo de permanencia. La amplitud del pulso se vanó en incrementos constantes, desde 10 ms hasta un máximo de 500 ms, en virtud de que la herramienta se movió en incrementos de 0.2 mm, la superposición fue de 35 veces en cada diámetro de la huella de dicha herramienta hidrodinámica. La erosión se midió utilizando un interferómetro Fizeau y el resultado fue normalizado, por lo que la remoción corresponde a una sola pasada de la herramienta sobre cada punto a lo largo de la linea que fue pulida. Las barras de error se deben básicamente a los errores producidos por la sustracción de la referencia de base durante la reducción del interferograma. Una resolución de remoción de 0.1 nm/ms se puede apreciar a partir de los datos. Efectos evidentes de pulido podían ser observados a partir de 25 ms. Se puede atribuir este efecto al tiempo de respuesta de la electrováivula, donde dicho tiempo de respuesta se puede mejorar mediante el uso de actuadores más rápidos.
La modificación a la configuración del módulo mezclador permite controlar la duración de un pulso con respecto a una frecuencia de repetición o la modulación por ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés). Para que esto sea posible, la frecuencia de repetición debe mantenerse dentro de un diámetro de amplitud de la huella de la herramienta, lo cual se traduce en el tiempo, para una velocidad determinada de la herramienta. En un caso extremo, en el que se cambia el ciclo de trabajo entre 0 y 1 mientras se mantiene una velocidad constante, es posible crear un patrón discreto o pixelado que es útil para determinar la función de respuesta de la herramienta pulsada. Dicho patrón se muestra en la figura 3 de los dibujos que se acompañan, donde se ha mantenido una velocidad constante de 2000 mm/min y alternando el proceso erosivo entre encendido y apagado de la herramienta con una frecuencia de 5 Hz. Se puede observar un patrón de franjas en la interfaz, entre las regiones que presenta una pendiente que corresponde al diámetro de la huella de la herramienta, que es el tamaño del elemento limitante de pulido (poxel). Este patrón de pulido se obtuvo barriendo la herramienta de manera ortogonal al patrón que se observa en dicha figura 3.
Cuando sólo una pequeña parte de la superficie necesita ser pulida, esta región tiene que ser abordada con la herramienta hidrodinámica (patente '048) encendida dejando atrás huellas no deseadas, así como marcas de entrada y de salida. Este problema se soluciona por medio del efecto abrasivo pulsado que es llevado a cabo con la herramienta hidrodinámica que tiene acoplado el módulo mezclador de ia presente invención. Cuando se identifica una región aislada que necesita un pulido adicional, se define una banda de amortiguación de ancho constante que la rodea, tal como se ilustra en la figura 4 de los dibujos que se acompañan. Suponiendo que se define un patrón de franjas, la región es abordada por la herramienta hidrodinámica en pleno funcionamiento, con Y - 0 hasta que entra en la zona de amortiguación. Aquí la velocidad comienza a ser incrementada levemente hasta el valor necesario dentro de la región, mientras que, al mismo tiempo, el tiempo de permanencia deseado se controla por medio de PWM. El ancho de la región de amortiguación se determina por las capacidades de aceleración y desaceleración de CNC. Dentro de la región que debe corregirse, se puede utilizar un pulido pulsado o continuo para maximizar la eficiencia de la herramienta hidrodinámica.
En el pulido de superficies grandes, la eficiencia de la herramienta hidrodinámica es limitada debido al tamaño pequeño de su huella y a su velocidad de remoción volumétrica. Sin embargo, dicha eficiencia, se puede mejorar puliendo simultáneamente la superficie con uña pluralidad de herramientas hidrodinámicas que tengan acoplado el módulo mezclador de la presente invención. Dichas herramientas pueden ser montadas en robots de pulido independiente, tal como se ilustra en la figura 5 que se acompañan, donde cada robot ataca una sección determinada de la superficie. Siendo esta una de muchas opciones o arreglos que se pueden realizar utilizando simultáneamente más de una herramienta hidrodinámica y llevar a cabo el pulido pulsado de una superficie óptica.
Aun cuando en la anterior descripción se ha hecho referencia a algunas modalidades del módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinfstica para el pulido pulsado de superficies ópticas, asi como al proceso para dicho pulido pulsado, es posible que, basándose en la descripción arriba realizada, se puedan desarrollar otras modalidades que no fueron aquí descritas detalladamente. Por lo tanto, debe hacerse hincapié en que son posibles numerosas modificaciones a dichas ciertas modalidades, pero sin apartarse del verdadero alcance de la presente invención, tales como modificar el número de y la disposición de los elementos interruptores, el líquido pulidor, entre muchas otras modificaciones. Por lo tanto, ia presente invención no debe ser restringida excepto por lo establecido en el estado de la técnica, así como por las reivindicaciones anexas.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES
1. - Un módulo mezclador para ser acoplado a una herramienta hidrodinámica determinística para el pulido pulsado de superficies con calidad óptica, caracterizado porque dicho módulo mezclador está configurado para poder interrumpir el suministro de fluido o espuma abrasiva sin que se pierda la estabilidad operacional del proceso de pulido y de la herramienta hidrodinámica, el cual comprende: por lo menos un elemento interruptor de fluidos a alta velocidad que puede estar dispuesto dentro o fuera del cuerpo de dicho módulo mezclador, cuya función es la de interrumpir el suministro a presión y flujo controlados de la espuma abrasiva; una primera entrada a través de la cual se inyecta controladamente aire a presión; una segunda entrada a través de la cual se inyecta controladamente un fluido pulidor, el cual llena un volumen previamente calculado y configurado para optimizar la geometría hidrodinámica interna del módulo mezclador y poder reducir el tiempo de permanencia del fluido pulidor en dicho volumen por menos de 1 ms a fin de que no se pierdan los parámetros de operación y capacidad de auto- sustentación de la herramienta hidrodinámica, y donde dicho fluido pulidor es transferido a una zona de mezclado y, conjuntamente con el aire inyectado a presión, se produce la espuma abrasiva que es inyectada hacia un módulo de por lo menos una cámara de aceleración rotacional de la herramienta hidrodinámica.
2. - El módulo mezclador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el elemento interruptor se selecciona del grupo que comprende una eiectroválvula de alta velocidad o cualquier otro dispositivo que permita el pulsado rápido de fluidos tal como un dispositivo electromecánico, piezoeléctríco, fluídico, o neumático, entre otros.
3. - El módulo mezclador de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el elemento interruptor es una electroválvula de alta velocidad.
4. - El módulo mezclador de conformidad con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado además porque la duración del pulso es controlada por la electroválvula para obtener una remoción de material determinística.
5. - El módulo mezclador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la densidad de la espuma abrasiva depende de la relación de presiones con que son inyectados por un lado el aire y por otro lado el fluido pulidor, donde la estancia de la espuma abrasiva sea menor a un milisegundo dentro de esta etapa de mezclado.
6. - El módulo mezclador de conformidad con las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la configuración de dicho módulo mezclador permite apagar y encender la herramienta hidrodinámica a alta velocidad sin perder las condiciones de estabilidad que producen la auto-sustentación de dicha herramienta.
7. - El módulo mezclador de conformidad con las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la erosión es proporcional (lineal) a la duración del pulso del fluido pulidor, lo cual permite pulir con precisión un elemento de superficie finita del tamaño de la huella de erosión de la herramienta.
8. - El módulo mezclador de conformidad con las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la capacidad de interrumpir el suministro de espuma abrasiva que tiene dicho módulo mezclador permite a la herramienta hidrodinámica implementar una serie de nuevas técnicas de pulido que aumentan la eficiencia y desempeño general de pulido con dicha herramienta, tales como: pulido pulsado; pulido zonal; modulación por ancho de pulso (PMW); pulido por teselación; pulido por pixel; interrupción de la corrida de pulido; pulido de orillas; óptima convergencia; pulido con múltiples cabezas.
9.- El módulo mezclador de conformidad con las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque al estar acoplado a la herramienta hidrodinámica determinfstica permite la posibilidad de llevar a cabo varias posibles configuraciones para acomodar múltiples herramientas para el pulido simultaneo, entre las cuales se encuentran: pulido multi-herramienta en arreglo lineal; pulido mutti-herramienta en configuración matricial; pulido multi-herramienta en configuración espiral; entre otros arreglos.
10.- Un método para llevar a cabo el proceso de pulido determinfstico utilizando la herramienta de pulido hidrodinámico determinística que tiene acoplado el módulo mezclador de las reivindicaciones precedentes, el cual comprende las etapas de:
(a) generar un mapa de error de la superficie de trabajo (300) a pulir a partir de un interferograma, utilizando para ello un interferómetro o cualquier otro instrumento metrológico de alta resolución;
(b) generar un mapa de tiempos de estancia/duración de pulso de la herramienta de pulido hidrodinámico determinístico para cada posición sobre la superficie a pulir;
(c) obtener, en conjunto con la función de influencia o huella de erosión particular a cada herramienta de pulido, un mapa de movimientos para un robot pulidor que permite barrer dicha superficie de trabajo (300) a pulir para obtener la figura óptica deseada;
(d) llevar a cabo el pulido pulsado determinístico sobre la superficie de trabajo (300), pudiéndose utilizar más de una herramienta de pulido hidrodinámico de manera simultánea y montadas sobre una misma máquina o varías máquinas independientes y en diferentes configuraciones; y
(e) generar un nuevo mapa de error de la superficie de trabajo (300) pulida, esto en caso de ser necesario, repitiendo las etapas (a) - (d) hasta obtener la figura óptica deseada.
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