WO2024083517A1 - Graduierte und adaptive polierwerkzeuge sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Graduierte und adaptive polierwerkzeuge sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2024083517A1
WO2024083517A1 PCT/EP2023/077633 EP2023077633W WO2024083517A1 WO 2024083517 A1 WO2024083517 A1 WO 2024083517A1 EP 2023077633 W EP2023077633 W EP 2023077633W WO 2024083517 A1 WO2024083517 A1 WO 2024083517A1
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WO
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polishing
tool
agent carrier
polishing agent
hardness
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PCT/EP2023/077633
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Jens Bliedtner
Oliver FÄHNLE
Sebastian HENKEL
Christian Schulze
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Ernst-Abbe-Hochschule Jena
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Publication date
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/02—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor by means of tools with abrading surfaces corresponding in shape with the lenses to be made
    • B24B13/023—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor by means of tools with abrading surfaces corresponding in shape with the lenses to be made for grinding several lenses simultaneously
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/01—Specific tools, e.g. bowl-like; Production, dressing or fastening of these tools

Definitions

  • the invention relates to a polishing tool with adapted properties for the deterministic polishing of functional surfaces and to a method for producing a polishing tool.
  • a polishing tool is presented in which the edge area of the tool has a different hardness than the inner area of the tool.
  • an iron base body is used, onto which individual pads are applied, which differ in their hardness and height depending on their position.
  • the outer pads which first come into contact with the glass surface, have a lower hardness (Brinell ⁇ 20) in order to avoid deep cracking caused by the pressing of the polishing tool.
  • a polishing tool for processing large wafers is contained in the document JP2006231464A.
  • the polishing tool consists of ring-shaped segments that have different hardnesses in order to make the polishing rate uniform over the entire workpiece area. The hardness of the segments decreases from the inside to the outside. In the disclosed figures, a tool with a larger diameter and a smaller workpiece are shown.
  • a polishing process using differently arranged polishing pads is also described in the publication JP2006140240A.
  • the tool is intended for use in chemo-mechanical polishing in semiconductor technology.
  • the aim is to reduce negative effects such as detachment, peeling and erosion of an insulating layer (low k-film, dielectric constant less than SiO 2 , £r ⁇ 3.9).
  • the tool is covered with 2 different plastic pads that differ in their hardness.
  • the overall surface is formed from the alternating individual surfaces of the pads.
  • Patent JP5502542B2 describes a polishing pad that has adaptive tool functions. This is used to achieve uniform flatness and at the same time avoid polishing scratches.
  • a base material is applied to the back of a urethane film using the wet coagulation process.
  • the base material comprises two types of film elements with different Shore A hardnesses. The two types can be applied in different structures such as grids, rings or strips. With constant polishing pressure, different pressure forces are generated so that polishing particles can move more easily.
  • a complete tool for grinding and polishing is disclosed in the document CN114473855A.
  • the tool designed as both a grinding and polishing tool, consists of 2 or more areas that differ in their hardness in order to achieve different removal rates at constant grinding/polishing pressure. Use as a tool is suitable for flat surfaces for the chemical-mechanical polishing of semiconductor components.
  • the document CN210139311 U presents a utility model for a polishing brush that is intended to be used in glass polishing. The aim is to generate a uniform removal amount of material over the entire surface by variable removal rates in the individual areas.
  • the tool is divided into an inner and outer circular ring area, in each of which a large number of polishing zones with a base layer and a polishing layer are arranged. The hardness of the polishing layer in the inner area is chosen to be lower than in the outer area.
  • the polishing tool is formed by a polishing base body and a graduated polishing agent carrier.
  • the polishing base body can be made of steel, aluminum, hard metal or composite materials and plastics depending on the requirements of the polishing task.
  • the polishing agent carrier is made of a plastic, for example polyurethane, polyamide or light-curing materials such as acrylates and epoxy resins.
  • the polishing agent carrier is preferably adapted to be rotationally symmetrical or specifically graduated in its polishing function in the X and Y dimensions. The polishing function results from the material removal from the workpiece over a selected polishing time.
  • the aim of the invention is to provide different zones of the polishing agent carrier, which produce a different material removal on the differently curved workpiece surface(s).
  • a polishing agent carrier with two zones is provided for a rotationally symmetrical polishing tool. While the first zone in the center and surrounding area has a high hardness, for example Shore hardness D 83, and the second zone in the outer area and the edge area of the polishing agent carrier has a lower hardness, for example Shore hardness D of 75, a defined different material removal can take place on the workpiece surface. This difference in the removal function and the resulting material removal can be advantageous for the Machining workpieces on multiple support bodies.
  • the hardness of the polishing agent carrier is specifically designed for the two zones, depending on the different removal functions.
  • the zones with different required polishing properties can have not just two, but also a large number of different zones, so that the required removal profile can be better approximated when polishing surfaces.
  • the removal function approaches a continuous transition from a maximum value to a minimum value of the hardness over the selected diameter of the polishing tool.
  • Such continuous transitions are also advantageously provided in an XY planar extension of the polishing agent carrier, whereby a different course can be selected in the X extension than in the Y direction.
  • a continuous transition of the Shore D hardness of 52 - 77 can be selected in the X extension of the polishing agent carrier and a continuous transition of the Shore D hardness of 75 - 80 can be selected in the Y extension.
  • This different design of the polishing functions in the X and Y directions of the polishing tool allows the removal functions to be specifically adapted for off-axis workpieces, strongly curved surfaces, cylindrical lenses and mirrors as well as free-form optical components in order to be able to carry out a constant removal and a deterministic polishing process.
  • the use of a continuously changing hardness profile of the polishing agent carrier can be used advantageously for the changing cutting speed conditions.
  • the cutting or rotation speed of the polishing tool changes from the center to the edge of the workpiece. This change can be transferred to a polishing function via a mathematical calculation.
  • the polishing function represents the integral course from the center of the workpiece, where the (theoretical) cutting speed is zero, to the edge of the workpiece, where the Cutting speed is maximum.
  • this polishing function can be transferred to a graduation distribution function of the polishing agent carrier.
  • the PRESTON coefficient and setting of the continuous hardness curve of the polishing agent carrier constant removal can be achieved over the entire surface to be polished.
  • N 10 N
  • a polishing agent carrier made of polyurethane are assumed.
  • the resulting polishing function can be specifically influenced.
  • the gradation of the hardness curve in the vertical direction enables the polishing agent carrier to set a damping function on the polishing grain in its effect on the workpiece surface, which generally follows a spring damping model. If, for example, the restoring force of the polishing grain in the interaction zone is low and the polishing agent carrier has a high damping, little material is removed at this point on the workpiece surface. In the opposite case, the damping of the polishing grain by the polishing agent carrier is very low, a higher material removal can be recorded at this point.
  • the temporal polishing function can be changed by varying the hardness curve in the Z direction.
  • This temporally variable polishing function results from the wear and removal of the polishing agent carrier in the Z direction.
  • different hardness profiles can be provided by varying the hardness curve in the Z direction.
  • a polishing tool is usually constructed in such a way that a very rigid tool base body, in steel or cast form, embodies the negative form to be polished and a polishing agent carrier fulfills the damping function, usually made of polyurethane film or pitch.
  • a defined transition from hard to soft is predetermined and cannot be influenced.
  • a variation of the transition from the polishing base body and the polishing agent carrier is provided.
  • the base body and the polishing agent carrier can advantageously be joined to form a tool or manufactured monolithically, whereby the gradient in the Z direction extends over a larger area.
  • This makes it possible to design the spring damping model for the polishing process and to adapt it zonally for the corresponding polishing functions by specifically varying the hardness and stiffness over the Z extension of the tool. This makes it possible to achieve a deterministic polishing process with high reproducibility.
  • a particular advantage of the graduated and adaptive polishing tool is the standardization of the polishing base body.
  • polishing base bodies For classic polishing processes, polishing base bodies must be provided for each radius to be polished. Due to the large number of radii of the spherical lenses and mirrors used in optical systems and assemblies, a large number of different polishing base bodies must be kept ready or manufactured. Due to the adaptive function of the proposed polishing agent carrier, this large number can be reduced to a few polishing tools. This is achieved by the required radius being introduced or manufactured directly during the manufacture of the polishing agent carrier.
  • the polishing base bodies can thus be designed as simple flat tools onto which the polishing agent carriers are cemented. If the accuracy of the required radius is not sufficient, the polishing tool is dressed with a diamond tool during the polishing process.
  • polishing agent carrier has a certain central thickness in order to be able to dress it multiple times.
  • the polishing agent carrier is intended to provide the polishing agent carrier as a full-aperture negative form for aspheric polishing.
  • the aspheric form is also additively introduced into the polishing agent carrier, based on the mathematical aspheric equation.
  • the accuracy of the polishing tool can in turn be increased by a dressing step in the polishing machine.
  • a special embodiment of the invention provides for the use of the polishing tools for the full-aperture polishing of free-form optical components.
  • polishing in the kinematic arrangement is not possible. It is advantageous to produce a negative form of the free-form surface to be polished as a polishing agent carrier. In this case, the transfer of the active energy of the polishing grains in the polishing process does not take place through a rotational movement of the polishing tool and the workpiece, but through a translational vibration force between the polishing tool and the workpiece.
  • the removal can be further Depending on the size and shape of the workpiece to be processed, the amplitude can reach up to several micrometers and the frequency from a few 100 Hz up to the ultrasonic frequency of 60 MHz.
  • the graduated and adaptive polishing tools can be used particularly advantageously for polishing with constant removal and deterministic polishing.
  • the invention is also suitable for targeted corrective polishing of components.
  • the surface is measured, for example interferometrically, and the defects to be corrected in zones are analyzed.
  • a further polishing function is calculated and converted into a hardness curve function.
  • a further polishing agent carrier is produced that can specifically remove the local defects.
  • areas of the additional polishing agent carrier can be provided without material so that no material is removed at these points.
  • the use of graduated and adaptive polishing tools is very well suited for silicate materials, in particular glasses and ceramics, plastic and composite materials, metals, in particular steel, aluminum, copper and hard metals as well as crystals, for example silicon, germanium, zinc selenide, calcium fluoride, sapphire.
  • the range of the required hardness values of the polishing agent carriers is adapted depending on the material-specific grinding or polishing hardness of the workpieces.
  • the polishing agent used in terms of its type and size, is also taken into account when designing the respective polishing tool. For example, cerium oxides are used as polishing agents for glasses and ceramics, while aluminum oxides are used for plastic and composite materials. Diamond grain is also used for polishing materials with particularly high hardness.
  • Cooling channels are advantageously incorporated into the polishing tool for supplying the polishing suspension and for removing the removed workpiece material and the worn polishing grain. These cooling channels can be designed in the lateral alignment of the polishing agent carrier, i.e. perpendicular to a rotation axis of the polishing tool, and/or in the vertical direction, i.e. parallel to a rotation axis of the polishing tool. A characteristic of both cooling channel arrangements is that they can be used very flexibly and with great design freedom.
  • structure widths of 10 pm to 5 mm are selected for the cooling channels in the lateral alignment, depending on the component size and shape.
  • components of micro-optics and micromechanics can also be processed with the solution according to the invention.
  • a structure width of the lateral cooling channel of 10 pm microlenses with a minimum diameter of 0.3 mm can be polished, for example.
  • the lateral cooling channels can be designed with a structure depth of 100 pm up to the maximum polishing agent carrier thickness or can also change their structure width in a defined way in the Z direction. This application is particularly advantageous if the polishing agent carrier is to be used multiple times and has to be dressed for variable workpiece geometries.
  • the vertical cooling channels in the polishing base body and polishing agent carrier serve to supply the polishing agent suspension in a targeted manner. This ensures a constant, evenly distributed polishing agent flow over the entire area of the workpiece surface, particularly for large-area polishing tools.
  • the invention provides the solution of designing the cooling channels in such a way that they transport or apply a defined pressure to the polishing agent carrier and the workpiece surface over their path length and the channel diameter. If the size and shape of the cooling channels are varied in a targeted manner over the entire polishing tool surface, a different polishing pressure can be exerted on different areas of the workpiece surface. This application is particularly suitable for polishing with variable cutting speeds and corrective polishing.
  • the object is further achieved by a method for producing the polishing tool.
  • a method for applying the polishing agent carrier layer by layer is advantageously used.
  • a printing method is used which can dose liquid polymer onto a platform via two print heads.
  • the polymer with a lower Shore hardness, component A is stored in a print head for component A 16a and the polymer with the higher Shore hardness, component B, is stored in a print head for component B 16b.
  • Components A and B can be made of a polymer with different hardnesses, for example acrylate, Shore D 75 - 83 or even with two different polymers.
  • both components can be applied sequentially or in parallel.
  • the availability of a mixing unit means that component A and component B can be mixed in any ratio, so that with an additional print head for components A and B, 16c polymers with variable percentages of component A and component B in each layer can be printed, even in varying amounts.
  • the layers are cured with a UV radiation source. Typical layer thicknesses range from 50 pm to 200 pm. If the component is dressed again after additive manufacturing, larger layer thicknesses can also be selected.
  • the maximum printing range in the X and Y directions of the polishing tools is typically 600 mm x 600 mm. For larger polishing tools, the printing range can be expanded by scaling the X and Y axes of the printing system.
  • the support material used is, for example, a water-soluble polymer and is dosed into the layer to be printed via a print head for the support material 16d.
  • This print head for the support material 16d provided for this purpose can also work sequentially or in parallel with the other material push buttons.
  • the arrangement and choice of the cooling channel geometry can be designed so that polishing agent flows are directed in a targeted manner inside the polishing tool in order to additionally generate a different pressure distribution over the surface to be polished. If, for example, higher polishing pressures are achieved in the inner area of the polishing tool, the center of the component can be removed more than the edge areas.
  • polishing base body is printed from a harder polymer in order to achieve high rigidity
  • the polishing agent carrier is made of a ger a lower hardness is selected.
  • a targeted graduation of the hardness can also be provided from layer to layer.
  • the monolithic connection of the polishing base body and polishing agent carrier allows the introduction of continuous cooling channels. This means that the polishing suspension can be fed directly into the effective zone between the polishing agent carrier and the component surface within the tool.
  • the layer-by-layer structure allows very different geometries to be created flexibly and individually.
  • negative molds for spherical, aspherical and free-form surfaces can also be manufactured additively.
  • polishing agent carrier For polishing tasks with high demands on shape accuracy, additional dressing of the polishing agent carrier can be provided after the printing process.
  • the polishing agent carriers are cemented onto the base body and then further processed with a dressing tool, for example with a diamond-bonded tool.
  • Dressing can be carried out on a path-controlled CNC machine or directly in the polishing machine in which the polishing tool is held.
  • worn polishing agent carriers can be reconditioned after the polishing process. If polishing agent carriers with larger center thicknesses are kept in stock, they can also be used for different polishing tasks.
  • radii and other surface geometries can be varied, for example.
  • Fig. 1 a the arrangement of the polishing tool with two zones for polishing several spherical components on a multiple support body
  • Fig.1 b the polishing tool with two zones in the sectional view
  • Fig. 2 a multi-zone tool for deterministic polishing of flat workpieces
  • Fig. 3a is a plan view of a rotationally symmetrical polishing agent carrier having three zones of different hardnesses
  • Fig. 3b is a plan view of a square polishing agent carrier with a hardness profile varying in the X and Y directions,
  • Fig.3c a section through a polishing agent carrier with changing hardness profile in Z direction
  • Fig. 4a is a plan view of a rotationally symmetrical polishing agent carrier with horizontally arranged cooling channel structures
  • Fig. 4b a section through the polishing tool with polishing base body and polishing agent carrier as well as the arrangement of a vertically distributed cooling channel structure
  • Fig. 5a shows the sectional view of the polishing arrangement of a rotationally symmetrical asphere with full-aperture polishing tool
  • Fig. 5b the sectional view of the polishing arrangement of a rotationally symmetric asphere with a two-part graduated subaperture polishing tool for sequential pre- and fine polishing
  • Fig. 6 shows the sectional view of the polishing arrangement of a free-form geometry with a full-aperture polishing tool and several zonal polishing functions
  • Fig. 7a Representation of the arrangement for printing the graduated polishing agent carriers or polishing tools with two print heads for the components A and B
  • Fig. 7b Illustration of the arrangement for printing the congratulated polishing agent carriers or polishing tools with two print heads for the material mix of component A and component B as well as for the support material.
  • a first embodiment is shown in Fig. 1 a and 1 b.
  • the arrangement shows a polishing tool 1 below with two different hardness zones 11.a and 11.b. This is used for polishing twelve convex lenses on a multiple support body.
  • a first lens 2a and a second lens 2b are arranged at two different distances from a rotation axis 3b of the workpiece carrier 22. Due to the different peripheral speeds, the first lens 2a has a lower cutting speed than the second lens 2b. This means that the second lens 2b experiences a higher removal rate than the first lens 2a.
  • This different removal rate can be compensated for with the selected zone division of the polishing agent carrier 1 b, which corresponds to the geometric arrangement of the lenses. Accordingly, zone 11.a is provided with a higher hardness and higher coefficient of friction than zone 11b and is manufactured additively.
  • Fig. 2 shows a further embodiment for the processing of flat components.
  • the polishing tool 1 is formed by a base body 1a and a multi-zone polishing agent carrier 1b.
  • Zone 11.a is provided with a maximum hardness of 82.5 Shore D, with zone 11.b having the minimum hardness value of 71.5 Shore D. Additional zones are provided between the two zones, with a continuous transition. The selected continuous change in the coefficient of friction is proportional to the changing cutting speed profile. In this way, constant removal can be ensured over the entire surface of the component.
  • FIG. 3a-c Selected polishing agent carrier arrangements are illustrated in Fig. 3a-c.
  • the three exemplary representations only represent the basic hardness progression forms, whereby the design diversity of the method used can significantly increase the number of zones.
  • the selected printing method is also able to give the graduation a continuous transition from a maximum to approximate the selected value to a minimum value.
  • Fig. 3a shows a plan view of a rotationally symmetrical polishing agent carrier 1 b which has three zones of different hardness. With the three selected zones 11 a, 11 b and 11c, a hardness gradient, hard to soft, occurs from the middle of the polishing agent carrier 1 b outwards. If the surface to be polished has an edge after the pre-processing stages, i.e.
  • Fig. 3b shows a plan view of a square polishing agent carrier 1 b with a hardness gradient that changes in the X and Y directions.
  • This arrangement illustrates the possibility of selecting the zonal gradient of the resulting polishing function. As an example, the same hardness gradients were selected in the X and Y directions.
  • the solution according to the invention also allows a different selection of the hardness gradient shape in the two axial directions.
  • the number of adjustable zones can be chosen as small as desired, within the resolution limits of the printing process. This is typically 160 dpi. This zonal division represents a possible polishing tool arrangement for cylindrical surfaces and free-form surfaces.
  • Fig. 3b shows a plan view of a square polishing agent carrier 1 b with a hardness gradient that changes in the X and Y directions. This arrangement illustrates the possibility of selecting the zonal gradient of the resulting polishing function. As an example, the same hardness gradients were selected in the X and Y directions.
  • the solution according to the invention also allows
  • 3c shows a section through a polishing agent carrier 1 b with a changing hardness profile in the Z direction.
  • a hardness profile or a targeted change in the hardness can occur in each layer in the Z direction.
  • the limit of the zonal resolution is the layer thickness.
  • Typical layer thicknesses for the additive process are in the range of 50 to 200 ⁇ m.
  • a combination of the hardness functions in the X, Y and Z directions at the same time allows the defined change of the polishing pressure 21 in zonal areas of the polishing tool surface.
  • FIG. 4a-b The introduction of defined cooling channels is shown as an example in Fig. 4a-b.
  • Fig. 4a shows the possibility of introducing cooling channels that can be distributed over the entire surface of the polishing agent carrier 1b or can also be introduced only zonally.
  • the cooling channels close to the surface ensure the even distribution of the polishing suspension and the removal of the removed glass residues.
  • linear cooling channel structures 7a, concentric cooling channel structures 7b or free-form cooling channel structures 7c are introduced using the additive process.
  • the distribution of the channel structures over the polishing tool surface can also be chosen irregularly in the case of zonal polishing, when no constant removal is desired on the surface.
  • the channel depth is between 1 - 5 mm, but can also be designed to cover the entire depth of the polishing agent carrier if the polishing agent carrier 1b is used multiple times or if the polishing suspension is passed on inside the polishing tool 1, as shown in Fig. 4b.
  • the polishing suspension is fed into the tool and is passed via the base body into the polishing agent carrier 1b.
  • the polishing pressure 21 on the polishing grain can be specifically adjusted. In this arrangement, too, different polishing pressure values can be generated zonally on the polishing tool surface.
  • the number of integrated cooling channels in the center of the tool is higher than in the edge area.
  • This increase in polishing pressure in the center of the polishing tool 1 can be advantageously used for polishing if the axis of rotation of the polishing tool 3a coincides with the axis of rotation of the workpiece 3b.
  • a combination of the arrangement examples from Fig. 4a with those from Fig. 4b is also possible and opens up a high degree of design freedom for deterministic polishing.
  • Figures 5a and 5b illustrate two possible arrangements for the deterministic polishing of aspheres.
  • the polishing tool 1 was designed for full-aperture polishing.
  • the inverse asphere equation of the asphere shape to be polished was used as the target geometry for the additive process.
  • the polishing agent carrier 1b is cemented or glued to the base body and dressed in the polishing machine with a diamond tool.
  • Three zonal areas 11a, 11b and 11c were selected for the course of the polishing function, which are adapted to the change in the arrow height and the distance from the tool center.
  • an edge support 12 is provided, which counteracts edge fall-off.
  • Fig. 5b illustrates the aspheric polishing with a graduated and adaptive subaperture polishing tool 1.
  • the polishing agent carrier 1b is divided into two zones 11a and 11b. A characteristic feature of this arrangement is that zone 11a has a larger diameter and a greater depth.
  • This part of the polishing tool 1 is used for pre-polishing. After the zone 11a has been worn down, the depths of the two zones approach each other. The second zone 11b is then used for the Fine polishing is used. If the wear is not high enough over the polishing time, the polishing tool 1 can be dressed to the required target depth. In the arrangement shown in Fig. 5b, the subaperture polishing tool 1 can also be guided in a meandering manner over the surface, so that aspheres without rotational symmetry and free forms can be machined.
  • the arrangement shown in Fig. 6 is suitable for polishing freeform surfaces.
  • This exemplary, simply selected freeform workpiece has a square base area of 50 mm x 50 mm and a maximum component height of 40 mm.
  • the required negative polishing form was additively manufactured as polishing tool 1.
  • different zones of hardness were assigned. In total, the tool is supported by six differently loaded zones. For larger arrow heights, the harder zone 11 a is assigned, and for smaller arrow heights, zone 11 b.
  • this exemplary assignment can also require a significantly larger number of different zones that can be assigned to the additive process.
  • the polishing grain thus receives the energy to release the required activation potential on the workpiece surface.
  • This required vibration energy can be provided, for example, by an ultrasonic generator coupled to a synotrode, or by two oscillators that generate an imbalance and produce a vibrating force component 14.
  • the polishing pressure 21 By regulating the amplitude and frequency of the oscillating movement, the polishing pressure 21, the coefficient of friction and the grain movement in the effective gap 13 can be adjusted.
  • the resulting spring-damping model can thus be specifically adjusted by selecting and grading the polishing agent carrier 1 b.
  • Fig. 7a and Fig. 7b each show an exemplary example of the method for producing the graduated and adaptive polishing tools 1.
  • two pressure systems 16a and 16b are used, which can dose and apply the smallest amounts of liquid polymer.
  • the two different components are stored in these pressure systems, in this case component A with the higher hardness and component B with the lower hardness.
  • Both pressure systems can work sequentially or in parallel and apply the respective required pressure volume per Layer.
  • the construction platform 15 is lowered and the next layer is created.
  • the printing system in Fig. 4b is used to provide material properties that require a continuous transition of the parameters.
  • the starting components A and B, stored in the containers 18a and 18b, can be mixed with different percentages by volume.
  • This mixture can be dosed and applied using the print head for components A+B 16c.
  • Fig. 7b shows another print head for the support material 16d.
  • a support material is dosed and applied from this, which can be removed again after the construction process.
  • Water-soluble polymers are advantageously used as the support material. This introduction of the support material is necessary in order to provide the necessary cooling channels 8 in the polishing tool 1.
  • the polymer is UV-cured using a UV radiation source 20.
  • Container Component A 18a - Container Component A b Container Component B

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Polierwerkzeug (1) zur Bearbeitung von technischen Oberflächen, bestehend aus einem Poliergrundköper (1a) und einem Poliermittelträger (1b), wobei der Poliermittelträger (1b) mindestens ein Polierkorn aufweist, mindestens eine Materialeigenschaft des Poliermittelträgers (1 b) sich senkrecht oder waagerecht zu einer Rotationsachse (3a) des Polierwerkzeugs ändert, um eine Polierabtragfunktion gezielt auf einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks (2) steuern zu können, das Polierwerkzeug integrierte Kühlkanäle aufweist, über welche eine Poliermittelsuspensionszuführung erfolgt, und die Wirkung des mindestens einen Polierkorns auf der Werkstückoberfläche durch die Veränderung der Materialeigenschaft beeinflusst werden kann.

Description

Titel
Graduierte und adaptive Polierwerkzeuge sowie Verfahren zu deren Herstellung
Technisches Gebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Polierwerkzeug mit angepassten Eigenschaften zum deterministischen Polieren von funktionalen Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Polierwerkzeugs.
[0002] Verfügbare Polierverfahren werden häufig nach der Geometrie der zu erzeugenden Oberflächenform unterteilt. Während bei planen und sphärisch gekrümmten Oberflächen meist ein sogenanntes Schalenwerkzeug, mit einem großflächigen Werkzeugeingriff zum Einsatz kommt, müssen für asphärische Oberflächen und Freiformgeometrien Subaperturwerkzeuge eingesetzt werden. Für die Verfahren bei denen ein großflächiger Werkzeugeingriff gewählt wird, wird ein sogenannter Konstantabtrag angestrebt, d.h., dass an jedem Punkt der Oberfläche eine konstante Menge an Material über die Polierdauer abgetragen wird. Gelingt dies, dann lassen sich sehr hohe Formgenauigkeiten und ein reproduzierbarer Polierprozess erreichen. Für Polierverfahren die mit Subaperturwerkzeugen arbeiten, werden sehr hohe Anforderungen an die Achsbewegung sowie die Synchronisation der Achsen zueinander gestellt und durch den kleinflächigen Werkzeugeingriff sind wesentlich längere Polierzeiten erforderlich. Zudem ist eine Zunahme von mittelfrequenten Fehlereinflüssen, der Fachmann spricht von sogenannten Mid Spatial Frequency Errors, unvermeidbar.
[0003] Die steigenden Anforderungen an die Formgenauigkeit von optischen Oberflächen mit immer komplexeren Geometrien erfordern einen deterministischen Polierprozess mit lokal vordefinierten Abtragsfunktionen. Gelingt dies, kann eine gezielte Formkorrektur bei gleichzeitiger Verringerung der Oberflächenrauheit erreicht werden. Aus diesem Grund bedarf es einer präzisen Steuerung der erforderlichen Achsbewegungen des Polierwerkzeuges. In der Praxis werden dafür Werkzeugfunktionen an einer Spotlinse ermittelt, die erforderlichen örtlich unterschiedlichen Materialabträge mathematisch berechnet und über einen verweilzeitgesteuerten Polierprozess die abzutragenden Bereiche gezielt eingeebnet. [0004] Bei den genannten groß- und kleinflächigen Polierwerkzeugen, basierend auf einem mechanisch-chemischen Abtrag, ist die gestalterische Freiheit des Polierwerkzeuges eingeschränkt. Klassisch werden hierfür Poliergrundkörper mit Polyurethanfolie oder Pech belegt. Um diese gestalterischen Freiheiten zu erhöhen werden im Stand der T ech- nik verschiedene Erfindungen und Lösungen offenbart, mit dem Ziel Polierparameter gezielt beeinflussen zu können.
Stand der Technik
[0005] In der Offenlegungsschrift JPH1199452A wird ein Polierwerkzeug vorgestellt, bei welchem der Randbereich des Werkzeuges über eine andere Härte verfügt als der innere Bereich des Werkzeugs. Dafür wird ein Eisengrundkörper verwendet, auf den einzelne Pads aufgebracht sind, die sich je nach Position in ihrer Härte und Höhe unterscheiden Die äußeren Pads, welche zuerst Kontakt zur Glasoberfläche haben, weisen eine geringere Härte auf (Brinell < 20) um tiefe Rissbildung durch das Anpressen des Polierwerkzeugs zu vermeiden.
[0006] Ein Polierwerkzeug für die Bearbeitung von großen Wafern beinhaltet die Schrift JP2006231464A. Das Polierwerkzeug besteht aus ringförmigen Segmenten, die verschiedene Härten aufweisen um die Polierrate über den gesamten Werkstückbereich einheitlich zu gestalten. Die Härte der Segmente nimmt von innen nach au ßen ab. In den offenbarten Abbildungen wird ein im Durchmesser größeres Werkzeug und ein kleineres Werkstück dargestellt.
[0007] Ebenso wird ein Polierprozess mit dem Einsatz verschieden angeordneter Polierpads in der Veröffentlichung JP2006140240A ausgeführt. Die Verwendung des Werkzeugs ist für die chemo-mechanische Politur in der Halbleitertechnik vorgesehen. Ziel ist die Verminderung von negativen Effekten wie Ablösen, Schälen und Erosion einer isolierenden Schicht (low k-film, Dielektrizitätszahl geringer als SiO2, £r < 3,9). Hierzu ist das Werkzeug mit 2 verschiedenen Kunststoffpads belegt, die sich in ihrer Härte unterscheiden. Die Gesamtoberfläche bildet sich aus den abwechselnd angeordneten Einzelflächen der Pads. Zwar kann bei allen vorgestellten Padanordnungen die Härte des Polierwerkzeuges geändert werden, jedoch ist die Anordnung dieser nur diskret möglich und weitestgehend unflexibel und ungeeignet für einen deterministischen Polierprozess.
[0008] In dem Patent JP5502542B2 wird ein Polierpad beschrieben, dass über adaptive Werkzeugfunktionen verfügt. Zum Einsatz soll dieses kommen, um eine einheitliche Ebenheit zu realisieren und gleichzeitig Polierkratzer zu vermeiden. Ein Basismaterial ist auf der Rückseite einer Urethanfolie mit dem Verfahren der Nass-Koagulierung aufgebracht. Das Basismaterial umfasst zwei Arten von Folienelementen mit unterschiedlichen Shore-A-Härten. Die beiden Arten können in verschiedene Strukturen wie z.B. Gitter, Ringe oder Streifen angebracht werden. Bei konstantem Polierdruck sollen so unterschiedliche Druckkräfte erzeugt werden, so dass sich Polierpartikel leichter bewegen können.
[0009] Ein komplettes Werkzeug zum Schleifen und Polieren wird in der Schrift CN114473855A offenbart. Das Werkzeug, sowohl als Schleif- und Polierwerkzeug ausgelegt, besteht aus 2 oder mehreren Bereichen, die sich in ihrer Härte unterscheiden um bei konstanten Schleif-/Polierdruck unterschiedliche Abtragsraten zu realisieren. Der Einsatz als Werkzeug eignet sich für plane Flächen für die chemisch-mechanische Politur von Halbleiterbauelementen. Ebenso wird in der Schrift CN210139311 U ein Gebrauchsmuster für ein Polierbürste vorgestellt, die in d e r Glaspolitur Anwendung finden soll. Ziel ist eine gleichmäßige Abtragsmenge des Materials über die gesamte Oberfläche durch variable Abtragsraten der einzelnen Bereiche zu generieren. Das Werkzeug ist unterteilt in einen inneren und äußeren kreisförmigen Ringbereich, in denen jeweils eine Vielzahl von Polierzonen mit einer Basisschicht und einer Polierschicht angeordnet sind. Die Härte der Polierschicht im inneren Bereich wird geringer als im äußeren Bereich gewählt.
[0010] Der Einsatz von adaptiven Polierwerkzeugen hingegen wird auch für den Anwendungsbereich der Asphärenpolitur beschrieben und ist Gegenstand der aktuellen Forschung. So wird beispielsweise in der Dissertationsschrift (Scheibe 2016 - Scheibe, H.: Aktiv-adaptive Polierwerkzeuge zur Herstellung rotationssymmetrischer Asphären. Dissertation, TU Ilmenau. 2016) ein Verfahren zum Polieren von Asphären mit einem vollflächigen aktiv-adaptiven Polierwerkzeug vorgestellt. Der Aufbau des Werkzeuges besteht aus einer Werkzeugkombination eines adaptiven Teils und eines aktiven Teils. Beide befinden sich in einer seriellen Anordnung. Die vollaperturige Kontaktzone zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfolgt durch eine aktive Deformation der Grundform des Werkzeuges. Für die gezielte sequentielle Deformation des Werkzeugs wird ein spezielles Nadelarray vorgeschlagen. Alle im Stand der Technik offenbarten Lösungen beschreiben zwar verschiedene Lösungen für änderbare Härtewerte von Polierwerkzeugen und adaptive Funktionalitäten der Gestaltung dieser, jedoch sind diese in der Graduierbarkeit und Flexibilität der Polierwerkzeugfunktionen und für das deterministische Polieren sehr eingeschränkt.
Beschreibung der Erfindung
[001 1] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Polierwerkzeug zum deterministischen Polieren bereitzustellen, das in seiner Funktionalität einen gezielt einstellbaren Polierabtrag an jedem Punkt des Werkzeuges flexibel ermöglicht und darüber hinaus diese Funktionalität im gesamten Bearbeitungsraum ermöglicht, um somit auch gezielt Asphären und kompliziert geformte Bauelemente, insbesondere Freiformflächen, bearbeiten zu können. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für das graduierte und adaptive Polieren bereitzustellen.
[0012] Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Das Polierwerkzeug wird durch einen Poliergrundkörper und einen graduierten Poliermittelträger gebildet wird. Der Poliergrundkörper kann aus den Werkstoffen Stahl, Aluminium, Hartmetall oder aber Verbundwerkstoffen und Kunststoffen je nach Anforderung der Polieraufgabe hergestellt werden. Der Poliermittelträger wird aus einem Kunststoff, zum Beispiel Polyurethan, Polyamid oder aber aus lichtaushärtenden Materialien, wie beispielsweise Acrylaten und Epoxidharzen bereitgestellt. Vorzugsweise wird der Poliermittelträger rotations- symmetrisch oder gezielt in der X- und Y- Ausdehnung in seiner Polierfunktion graduiert angepasst. Die Polierfunktion ergibt sich aus dem Materialabtrag am Werkstück über eine gewählte Polierdauer. Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen von unterschiedlichen Zonen des Poliermittelträgers, die einen unterschiedlichen Materialabtrag an der oder den unterschiedlich gekrümmten Werkstückoberflächen erzeugen. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird für ein rotationssymmetrisches Polierwerkzeug ein Poliermittelträger mit zwei Zonen vorgesehen. Während die erste Zone im Mittelpunkt und umgebenden Bereich eine hohe Härte aufweist, beispielsweise die Shorehärte D 83 und die zweite Zone im äußeren Bereich und dem Randbereich des Poliermittelträgers eine geringere Härte besitzt, zum Beispiel eine Shorehärte D von 75, kann auf der Werkstückoberfläche ein definiert unterschiedlicher Materialabtrag erfolgen. Dieser Unterschied in der Abtragsfunktion und im resultierenden Materialabtrag kann vorteilhafterweise für die Bearbeitung von Werkstücken auf Mehrfachtragkörpern eingesetzt werden. Befinden sich beispielsweise auf einem Mehrfachtragkörper in der Mitte ein Werkstück und in einem Abstand vom Mittelpunkt auf einem Radius verteilt weitere Werkstücke, beispielsweise drei, dann ergeben sich während des Polierens unterschiedliche Abtragungsbedingungen aufgrund der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeit der Werkstücke. Erfahrungsgemäß werden die im Randbereich liegenden Werkstücke, aufgrund der höheren Umdrehungsgeschwindigkeit und somit resultierenden Schnittgeschwindigkeit, stärker abgetragen als das Werkstück, welches in der Mitte des Trag körpers angeordnet ist. Vorzugsweise wird nun, entsprechend der unterschiedlichen Abtragungsfunktionen, der Poliermittelträger gezielt in seiner Härte, für die beiden Zonen, ausgelegt. Vorteilhafterweise können die Zonen mit unterschiedlichen geforderten Poliereigenschaften nicht nur zwei, sondern auch eine Vielzahl von unterschiedlichen Zonen aufweisen, sodass das erforderliche Abtragprofil beim Polieren von Oberflächen besser angenähert werden kann.
[0013] Wird die Graduierung, also die Anzahl der verschiedenen Poliermittelträgerzonen der Polierfunktionen, sehr hoch gewählt, dann nähert sich die Abtragsfunktion einem kontinuierlichen Übergang, von einem Maximalwert zu einem Minimalwert der Härte, über den gewählten Durchmesser des Polierwerkzeugs. Solch kontinuierliche Übergänge sind ebenso in einer X-Y flächenhaften Ausdehnung des Poliermittelträgers vorteilhafterweise vorgesehen, wobei in der X-Ausdehnung ein anderer Verlauf gewählt werden kann, als in der Y-Richtung. So kann beispielsweise in der X-Ausdehnung des Poliermittelträgers ein kontinuierlichen Übergang der Härte Shore D von 52 - 77 und in der Y Ausdehnung ein kontinuierlichen Übergang der Härte Shore D von 75 - 80 gewählt werden. Diese unterschiedliche Gestaltung der Polierfunktionen in X- und Y- Richtung des Polierwerkzeuges lässt die Abtragfunktionen für off-axis Werkstücke, stark gekrümmte Oberflächen, Zylinderlinsen und -spiegel sowie freiformoptische Bauelemente gezielt anpassen, um einen Konstantabtrag sowie einen deterministischen Polierprozess führen zu können. Der Einsatz eines sich kontinuierlich ändernden Härteverlaufes des Poliermittelträgers kann vorteilhafter Weise für die sich ändernden Schnittgeschwindigkeitsbedingungen eingesetzt werden. Im Falle, dass die Rotationsachse von Werkstück und Polierwerkzeug übereinstimmt, ändert sich die Schnitt- bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Polierwerkzeugs vom Mittelpunkt zum Rand des Werkstücks. Diese Änderung kann über eine mathematische Berechnung in eine Polierfunktion übertragen werden. Die Polierfunktion stellt den integralen Verlauf vom Mittelpunkt des Werkstücks, wo die (theoretische) Schnittgeschwindigkeit gleich null ist, zum Rand des Werkstücks, wo die Schnittgeschwindigkeit maximal ist, dar. Mit der Kenntnis der Reibungskoeffizienten des verwendeten Poliermittelträgerwerkstoffs, kann diese Polierfunktion in eine Graduierungsverteilungsfunktion des Poliermittelträgers übertragen werden. Bei hinreichend genauer Abschätzung des PRESTON-Koeffizienten und Einstellung des kontinuierlichen Härteverlaufs des Poliermittelträgers kann somit ein Konstantabtrag über die gesamte zu polierende Fläche erzielt werden. Für eine Polierfläche von 100 cm2 und dem Werkstück aus Borkronglas BK7 beträgt der PRESTON-Koeffizient Cp = 10-7 cm2N-1. Angenommen wird eine Normalkraft von N = 10 N und ein Poliermittelträger aus Polyurethan. Der experimentell ermittelte Reibungskoeffizient beträgt = 0,622. Besonders vorteilhaft lassen sich diese kontinuierlich ändernden Polierfunktionen auch für großflächige Werkstücke einsetzen, zum Beispiel Teleskopspiegel, Wafer für die Halbleiterindustrie und Zylinderoptiken.
[0014] Es ist vorteilhaft, den Härteverlauf zusätzlich in vertikaler Richtung zu variieren. Durch einen angepassten Härteverlauf in horizontaler und vertikaler Richtung des Poliermittelträgers, kann die resultierende Polierfunktion gezielt beeinflusst werden. Die Graduierung des Härteverlaufs in vertikaler Richtung ermöglicht die Einstellung einer Dämpfungsfunktion des Poliermittelträgers auf das Polierkorn in seiner Wirkung auf die Werkstückoberfläche, die im Allgemeinen einem Federdämpfungsmodell folgt. Ist beispielsweise die Rückstellkraft des Polierkorns in der Wechselwirkungszone gering und der Poliermittelträger weist eine hohe Dämpfung auf, wird an dieser Stelle der Werkstückoberfläche wenig Material abgetragen. Im umgekehrten Fall, die Dämpfung des Polierkorns durch den Poliermittelträger ist sehr gering, kann an dieser Stelle ein höherer Materialabtrag verzeichnet werden. Weiterhin kann durch die Variation des Härteverlaufes in Z-Richtung die zeitliche Polierfunktion geändert werden. Diese zeitlich veränderbare Polierfunktion resultiert aus dem Verschleiß und Abtrag des Poliermittelträgers in Z Richtung. Je nach Verschleiß und Polierdauer können somit unterschiedliche Härteprofile, durch die Variation des Härteverlaufs in Z- Richtung bereitgestellt werden. Bei klassischen Polierprozessen erfolgt der Aufbau eines Polierwerkzeuges meist in der Form, dass ein sehr steifer Werkzeuggrundkörper, in Stahl- oder Gussform, die zu polierende Negativform verkörpert und ein Poliermittelträger die Dämpfungsfunktion erfüllt, meist aus Polyurethanfolien oder Pech. Somit ist ein definierter Übergang von hart zu weich vorgegeben und kann nicht beeinflusst werden. Vorzugsweise wird hingegen eine Variation des Übergangs von dem Poliergrundkörper und dem Poliermittelträger vorgesehen. Für diesen Zweck kann vorteilhafter Weise der Grundkörper und der Poliermittelträger zu einem Werkzeug gefügt oder auch monolithisch hergestellt werden, wobei sich der Gradient in Z- Richtung über einen größeren Bereich erstreckt. Damit besteht die Möglichkeit, durch gezielte Variation der Härte und Steifigkeit über die Z-Ausdehnung des Werkzeuges, das Feder- Dämpfungsmodell für den Polierprozess auszulegen und zonal für die entsprechenden Polierfunktionen anpassen zu können. Somit kann ein deterministischer Polierprozess mit hoher Reproduzierbarkeit erzielt werden.
[0015] Ein besonderer Vorteil des graduierten und adaptiven Polierwerkzeuges besteht in der Vereinheitlichung des Poliergrundkörpers. Für klassische Polierprozesse müssen Poliergrundkörper für jeden zu polierenden Radius bereitgestellt werden. Durch die hohe Vielzahl von Radien der sphärischen Linsen und Spiegeln, die in optischen Systemen und Baugruppen eingesetzt werden, müssen eine hohe Anzahl an verschiedenen Poliergrundkörpern bereitgehalten oder gefertigt werden. Durch die adaptive Funktion des vorgeschlagenen Poliermittelträgers, kann diese hohe Vielzahl auf einige wenige Polierwerkzeuge reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der erforderliche Radius bereits bei der Herstellung des Poliermittelträgers direkt eingebracht bzw. hergestellt wird. Somit können die Poliergrundkörper als einfache Planwerkzeuge ausgelegt werden, auf die die Poliermittelträger aufgekittet werden. Reicht die Genauigkeit des erforderlichen Radius nicht aus, wird das Polierwerkzeug im Polierprozess mit einem Diamantwerkzeug abgerichtet. Ebenso ist es möglich, das Polierwerkzeug auf einen anderen Radius abzurichten, sodass mit einem Polierwerkzeug verschiedene Radien gefertigt werden können. Dies setzt voraus, dass der Poliermittelträger über eine gewisse Mittendicke verfügt, um diesen mehrfach Abrichten zu können. Des Weiteren ist vorgesehen den Poliermittelträger als eine vollaperturige Negativform für das Asphärenpolie- ren bereitzustellen. Dazu wird die Asphärenform ebenfalls in den Poliermittelträger additiv eingebracht, auf der Basis der mathematischen Asphärengleichung. Die Genauigkeit des Polierwerkzeuges kann durch einen Abrichtschritt in der Poliermaschine wiederum erhöht werden. Eine besondere Ausgestaltungsform der Erfindung sieht den Einsatz der Polierwerkzeuge für das vollaperturige Polieren von freiformoptischen Bauelementen vor. Aufgrund der unstetigen Flächenübergänge bei Freiformoptiken ist ein Polieren in der kinematischen Anordnung, wie sie bei rotationssymmetrischen Bauelementen typisch ist, nicht möglich. Es ist von Vorteil, von der zu polierenden Freiformfläche eine Negativform als Poliermittelträger zu fertigen. Die Übertragung der Wirkenergie der Polierkörner im Polierprozess erfolgt in diesem Fall nicht durch eine Rotationsbewegung von Polierwerkzeug und Werkstück, sondern durch eine translatorisch wirkende Vibrationskraft zwischen Polierwerkzeug und Werkstück. Durch die Variation der Amplitude und Frequenz dieser periodischen Schwingungsbewegung, kann der Abtrag zusätzlich gesteuert werden. Je nach Größe und Form des zu bearbeiten Werkstückes kann die Amplitude bis mehrere Mikrometer und die Frequenz von einigen 100 Hz bis zur Ultraschallfrequenz von 60 MHz reichen.
[0016] Die graduierten und adaptiven Polierwerkzeuge lassen sich besonders vorteilhaft für das Polieren mit Konstantabtrag und das deterministische Polieren einsetzen. Ebenso eignet sich die Erfindung zum gezielten Korrekturpolieren von Bauteilen. Diesbezüglich wird nach dem Poliervorgang die Oberfläche messtechnisch erfasst, beispielsweise interferometrisch, und die zonal zu korrigierenden Defekte analysiert. Entsprechend dieser topographischen Defektdarstellung über die gesamte Oberfläche oder aber über einzelne T eilbereiche der Werkstückoberfläche wird eine weitere Polierfunktion berechnet und in eine Härteverlaufsfunktion überführt. Auf der Grundlage dieser analytischen Auswertung wird ein weiterer Poliermittelträger hergestellt, der die lokalen Defekte gezielt beseitigen kann. In der Umsetzung des graduierten Poliermittelträgers heißt das, dass in den Zonen der Werkstückoberfläche wo Material noch abzutragen ist, dieser Bereich des weiteren Poliermittelträgers mit einer höheren Härte vorgesehen wird und in dem Bereich der Werkstückoberfläche, in dem kein oder nur wenig Material abgetragen werden soll, der Bereich des Poliermittelträgers mit einer niedrigen Härte bereitgestellt wird oder aber der weitere Poliermittelträger ausgespart bleibt. Zusätzlich können somit Bereiche des weiteren Poliermittelträgers ohne Material vorgesehen werden, sodass an diesen Stellen kein Material abgetragen wird.
[0017] Der Einsatz der graduierten und adaptiven Polierwerkzeuge ist für silikatische Werkstoffe, insbesondere Gläser und Keramiken, Kunststoff- und Verbundwerkstoffe, Metalle, im besonderen Stahl, Aluminium, Kupfer und Hartmetalle sowie Kristalle, zum Beispiel Silizium, Germanium, Zinkselenid, Calciumfluorid, Saphir sehr gut geeignet. In Abhängigkeit der materialspezifischen Schleif- bzw. Polierhärte der Werkstücke wird der Bereich der erforderlichen Härtewerte der Poliermittelträger angepasst. Berücksichtigung für die Auslegung des jeweiligen Polierwerkzeuges findet darüber hinaus auch das verwendete Poliermittel, bezüglich seiner Art und Größe. So werden beispielsweise für Gläser und Keramiken Ceroxide als Poliermittel eingesetzt, während für Kunst- und Verbundwerkstoffe Aluminiumoxide Verwendung finden. Für Werkstoffe mit besonders hoher Härte wird auch Diamantkorn zum Polieren eingesetzt. Die typischen Korngrößen für das Polieren mit den graduierten und adaptiven Polierwerkzeugen liegen in einem Bereich des mittleren Korndurchmessers von 1 pm und kleiner. Ebenso sind nanoskalige Poliersuspensionen einsetzbar. [0018]. Vorteilhaft werden in das Polierwerkzeug Kühlkanäle für die Zuführung der Poliersuspension sowie den Abtransport des abgetragenen Werkstückmaterials und des verschlissenen Polierkorns eingebacht. Diese Kühlkanäle können in lateraler Ausrichtung des Poliermittelträgers, also senkrecht zu einer Rotationsachse des Polierwerkzeugs, ausgeführt sein und oder auch in vertikaler Richtung, also parallel zu einer Rotationsachse des Polierwerkzeugs. Kennzeichnend für beide Kühlkanalanordnungen ist, dass diese sehr flexibel und in großer Designfreiheit zum Einsatz kommen können. Typischerweise werden für die Kühlkanäle in lateraler Ausrichtung Strukturbreiten von 10 pm bis 5 mm, je nach Bauteilgröße und -form gewählt. So können mit der erfindungsgemäßen Lösung auch Bauteile der Mikrooptik und Mikromechanik bearbeitet werden. Im Falle einer Strukturbreite des lateralen Kühlkanals von 10 pm, lassen sich beispielsweise Mikrolinsen mit einem minimalen Durchmesser von 0,3 mm Polieren. Die lateralen Kühlkanäle können mit einer Strukturtiefe von 100 pm bis zur maximalen Poliermittelträgerdicke ausgeführt werden oder sich in der Z-Richtung auch definiert in ihrer Strukturbreite ändern. Diese Anwendung ist besonders vorteilhaft, wenn der Poliermittelträger mehrfach verwendet werden soll und für veränderbare Werkstückgeometrien abgerichtet werden muss. Die vertikalen Kühlkanäle im Poliergrundköper und Poliermittelträger dienen der gezielten Zuführung der Poliermittelsuspension. Insbesondere für großflächige Polierwerkzeug, kann somit ein konstant gleichmäßig verteilter Poliermittelstrom über den gesamten Bereich der Werkstückoberfläche sichergestellt werden. Des Weiteren sieht die Erfindung die Lösung vor, die Kühlkanäle in ihrer konstruktiven Auslegung so zu gestalten, dass sie über ihre Weglänge und den Kanaldurchmesser die Poliermittelsuspension mit einem definierten Druck auf den Poliermittelträger und die Werkstückoberfläche transportiert bzw. beaufschlagt. Wird die Größe und Gestalt der Kühlkanäle über die gesamte Polierwerkzeugfläche gezielt variiert, kann an unterschiedlichen Bereichen der Werkstückoberfläche ein unterschiedlicher Polierdruck ausgeübt werden. Diese Anwendung ist besonders für das Polieren mit veränderlicher Schnittgeschwindigkeit und das Korrekturpolieren geeignet.
[0019] Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung des Polierwerkzeuges gelöst. Vorteilhafterweise wird ein Verfahren zum schichtweisen Aufträgen des Poliermittelträgers verwendet. Zum Einsatz kommt ein Druckverfahren, das über zwei Druckköpfe flüssiges Polymer auf eine Plattform dosieren kann. In einem Druckkopf für die Komponente A 16a wird das Polymer mit geringerer Shore-Härte, die Komponente A und in einem Druckkopf für die Komponente B 16b das Polymer mit der höheren Shorehärte, Komponente B bevorratet. Komponente A und B können aus einem Polymer mit unterschiedlichen Härten, beispielsweise Acrylat, Shore D 75 - 83 oder auch mit zwei verschiedenen Polymeren bereitgestellt werden.
Während des schichtweisen Druckes können beide Komponenten sequenziell oder parallel aufgetragen werden. Durch die Verfügbarkeit einer Mischeinheit lassen sich die Komponente A und die Komponente B zu beliebigen Anteilen im Verhältnis mischen, sodass mit einem weiteren Druckkopf für die Komponenten A und B 16c Polymere mit variablem prozentualen Anteilen von Komponente A und Komponente B in jeder Schicht, auch variierend gedruckt werden können. Nach jedem Schichtauftrag werden die Schichten mit einer UV-Strahlungsquelle ausgehärtet. Typische Schichtdicken reichen von 50 pm bis 200 pm. Wird das Bauteil nach der additiven Fertigung noch einmal abgerichtet können auch größere Schichtdicken gewählt werden. Der maximale Druckbereich in X- und Y-Richtung der Polierwerkzeuge liegt typischerweise bei 600 mm x 600 mm. Für größere Polierwerkzeuge kann der Druckbereich durch eine Skalierung der X- und Y- Achse des Drucksystems erweitert werden.
[0020] Durch die Verwendung eines Supportmaterials, besteht die Möglichkeit, während des Druckes auch Bereiche des Poliermittelträgers vorzusehen, an denen nach der Fertigstellung des Werkzeugs kein Material zur Verfügung stehen soll. Dies betrifft insbesondere die Kühlkanäle oder auch Zonen im Polierwerkzeug, die keinen Abtrag am Bauteil erzeugen sollen. Das verwendete Supportmaterial ist zum Beispiel ein wasserlösliches Polymer und wird über einen Druckkopf für das Supportmaterial 16d in die zu druckende Schicht dosiert. Dieser dafür vorzusehende Druckkopf für das Supportmaterial 16d kann ebenfalls zu den anderen Materialdruckknöpfen sequenziell oder parallel arbeiten. Nach der Fertigstellung des Poliermittelträgers bzw. Polierwerkzeuges wird das Supportmaterial in einem Reinigungsschritt aus dem 3D Druckkörper entfernt. Die Anordnung und die Wahl der Kühlkanalgeometrie kann so ausgelegt werden, dass Poliermittelströme im Inneren des Polierwerkzeuges gezielt geführt werden, um zusätzlich eine unterschiedliche Druckverteilung über die zu polierende Oberfläche zu erzeugen. Werden beispielsweise im inneren Bereich des Polierwerkzeuges höhere Polierdrücke, erzielt, kann die Mitte des Bauteils stärker abgetragen werden als die Randbereiche.
Die Möglichkeit des schichtweisen Auftrages von verschiedenen Materialien und Materialeigenschaften bietet die Voraussetzung, um Polierwerkzeuge komplett in einem einzigen Druckprozess herzustellen. Während der Poliergrundkörper aus einem härteren Polymer gedruckt wird, um eine hohe Steifigkeit zu erzielen, wird für den Poliermittelträ- ger eine geringere Härte gewählt. Von Schicht zu Schicht kann zudem eine gezielte Graduierung der Härte vorgesehen werden. Der monolithische Verbund von Poliergrundkörper und Poliermittelträger gestattet das Einbringen von durchgängigen Kühlkanälen. Somit kann die Poliersuspension innerhalb des Werkzeugs in die Wirkzone zwischen Poliermittelträger und Bauteiloberfläche direkt zugeführt werden. Durch den schichtweisen Aufbau können sehr unterschiedliche Geometrien flexibel und individuell erzeugt werden. Neben planen Polierwerkzeugen können auch Negativformen für sphärische, asphärische und Freiformoberflächen additiv gefertigt werden.
[0021] Für Polieraufgaben mit hohen Anforderungen an die Formgenauigkeit, kann ein zusätzliches Abrichten des Poliermittelträgers nach dem Druckprozess vorgesehen werden. Dazu werden die Poliermittelträger auf den Grundkörper aufgekittet und im Anschluss mit einem Abrichtwerkzeug, zum Beispiel mit einem diamantgebundenen Werkzeug, weiterbearbeitet. Das Abrichten kann auf einer bahngesteuerten CNC-Maschine erfolgen, oder direkt in der Poliermaschine, in der das Polierwerkzeug aufgenommen wird. Durch einen wiederholten Abrichtvorgang können abgenutzte Poliermittelträger nach dem Polierarbeitsgang wiederaufgearbeitet werden. Werden Poliermittelträger mit größeren Mittendicken vorgehalten, lassen sich diese auch für unterschiedliche Polieraufgaben einsetzen. Durch das erneute Abrichten können beispielsweise Radien und weitere Oberflächengeometrien variiert werden.
[0022] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten o- der zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
[0023] Fig. 1 a die Anordnung des Polierwerkzeuges mit zwei Zonen zum Polieren mehrerer sphärischer Bauelemente auf einem Mehrfachtragkörper
Fig.1 b das Polierwerkzeug mit zwei Zonen in der Schnittdarstellung,
[0024] Fig. 2 ein Mehrzonenwerkzeug zum deterministischen Polieren von planen Werkstücken,
[0025] Fig. 3a eine Draufsicht auf einen rotationsymmetrischen Poliermittelträger, der über drei Zonen unterschiedlicher Härten verfügt,
Fig. 3b eine Draufsicht auf einen quadratischen Poliermittelträger mit jeweils in der X- und der Y- Richtung sich änderndem Härteverlauf,
Fig.3c einen Schnitt durch einen Poliermittelträger mit sich änderndem Härteverlauf in Z - Richtung,
[0026] Fig. 4a eine Draufsicht auf einen rotationssymmetrischen Poliermittelträger mit horizontal angeordneten Kühlkanalstrukturen,
Fig. 4b einen Schnitt durch das Polierwerkzeug mit Poliergrundkörper und Poliermittelträger sowie die Anordnung einer vertikal verteilten Kühlkanalstruktur,
[0027] Fig. 5a die Schnittansicht der Polieranordnung einer rotationssymmetrischen Asphäre mit vollaperturigen Polierwerkzeug,
Fig. 5b die Schnittansicht der Polieranordnung einer rotationssymmetrischen Asphäre mit einem zweiteilig graduierten Subapertur-Polierwerkzeug zum sequentiellen Vor- und Feinpolieren,
[0028] Fig. 6 die Schnittansicht der Polieranordnung einer Freiformgeometrie mit vollaperturigen Polierwerkzeug und mehreren zonalen Polierfunktionen,
[0029] Fig. 7a Darstellung der Anordnung zum Drucken der graduierten Poliermittelträger bzw. Polierwerkzeuge mit zwei Druckköpfen für die Komponente A und B, und Fig. 7b Darstellung der Anordnung zum Drucken der gratulierten Poliermittelträger bzw. Polierwerkzeuge mit zwei Druckköpfen für den Materialmix aus Komponente A und Komponente B sowie für das Supportmaterial.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0030] Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 a und 1 b dargestellt. Die Anordnung zeigt ein untenstehendes Polierwerkzeug 1 mit zwei unterschiedlichen Härtezonen 11 .a und 1 1.b. Dieses kommt zum Polieren von zwölf konvexen Linsen auf einem Mehrfachtragkörper zum Einsatz. Eine erste Linse 2a und eine zweite Linse 2b sind auf zwei unterschiedlichen Abständen von einer Rotationsachse 3b des Werkstückträgers 22 angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten, ergibt sich für die erste Linse 2a eine niedrigere Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zur zweiten Linse 2b. Das führt dazu, dass die zweite Linse 2b einen höheren Abtrag erfährt als die erste Linse 2a. Mit der gewählten Zoneneinteilung des Poliermittelträgers 1 b, welche der geometrischen Anordnung der Linsen entspricht, kann dieser unterschiedliche Abtrag kompensiert werden. Entsprechend wird die Zone 1 1. a mit einer höheren Härte und höheren Reibungskoeffizienten vorgesehen als die Zone 11 b und additiv gefertigt.
[0031] In Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Bearbeitung von planen Bauteilen dargestellt. Das Polierwerkzeug 1 wird durch einen Grundkörper 1 a und einen mehrzonigen Poliermittelträger 1 b gebildet. Bei dieser Polieranordnung befindet sich die Rotationsachse des Werkstücks 3b um den Radius des Werkstücks 2 von der Rotationsachse des Polierwerkzeuges 3a verschoben. Die Zone 11. a wird mit einer maximalen Härte von 82,5 Shore D vorgesehen, wobei die Zone 11 .b den minimalsten Härtewert von 71 ,5 Shore D aufweist. Zwischen den beiden Zonen werden weitere Zonen vorgesehen, mit einem kontinuierlichen Übergang. Die gewählte kontinuierliche Änderung des Reibkoeffizienten ist proportional dem sich ändernden Schnittgeschwindigkeitsprofil. Somit kann über die gesamte Oberfläche des Bauteils ein Konstantabtrag sichergestellt werden.
[0032] Ausgewählte Poliermittelträgeranordnungen veranschaulichen die Fig. 3a-c Die drei exemplarisch gewählten Darstellungsformen stellen lediglich die prinzipielle Härteverlaufsformen dar, wobei die gestalterische Vielfalt des eingesetzten Verfahrens die Anzahl der Zonen wesentlich erhöhen kann. Das gewählte Druckverfahren ist darüber hinaus in der Lage die Graduierung einem kontinuierlichen Übergang von einem maxi- malen gewählten Wert zu einem minimalen Wert anzunähern. In Fig.3a ist eine Draufsicht auf einen rotationsymmetrischen Poliermittelträger 1 b, der über drei Zonen unterschiedlicher Härte verfügt, dargestellt. Mit den gewählten drei Zonen 11 a, 11 b und 11c erfolgt ein Härteverlauf, hart nach weich, von der Mitte des Poliermittelträgers 1 b nach außen. Im Falle, dass die zu polierende Oberfläche nach den Vorbearbeitungsstufen eine Randauflage aufweist, d.h. der Rand muss stärker abgetragen werden, kann der Härteverlauf auch in die andere Richtung gewählt werden. In Fig.3b ist eine Draufsicht auf einen quadratischen Poliermittelträger 1 b mit sich jeweils in der X- und der Y- Richtung ändernden Härteverlauf gezeigt. Diese Anordnung veranschaulicht die Möglichkeit der zonalen Verlaufswahl der resultierenden Polierfunktion. Es wurden exemplarisch in X- und Y- Richtung gleiche Härteverläufe gewählt. Die erfindungsgemäße Lösung gestattet auch eine unterschiedliche Wahl der Härteverlaufsform in den beiden Achsrichtungen. Die Anzahl der einstellbaren Zonen kann beliebig klein gewählt werden, im Rahmen der Auflösungsgrenzen des Druckverfahrens. Diese liegt typischerweise bei 160 dpi. Diese zonale Aufteilung stellt eine mögliche Polierwerkzeuganordnung für zylindrische Flächen und Freiformflächen dar. Fig.3c zeigt einen Schnitt durch einen Poliermittelträger 1 b mit sich änderndem Härteverlauf in Z - Richtung. Je nach Schichtenfolge kann ein Verlauf der Härte oder auch eine gezielte Änderung der Härte in jeder Schicht in Z-Richtung erfolgen. Die Begrenzung der zonalen Auflösung stellt die Schichtdicke dar. Typische Schichtdicken für das additive Verfahren liegen in dem Bereich von 50 bis 200 um. Eine Kombination der Härtefunktionen in der X- Y- und Z- Richtung gleichzeitig erlauben die definierte Änderung des Polierdruckes 21 in zonalen Bereichen der Polierwerkzeugfläche.
[0033] Das Einbringen von definierten Kühlkanälen ist exemplarisch in den Fig. 4a-b dargestellt. Prinzipiell sind zwei Anordnungen von Kühlkanalstrukturen möglich. Fig.4a zeigt die Möglichkeit des Einbringens von Kühlkanälen, die an der Oberfläche des Poliermittelträgers 1 b über die gesamte Oberfläche verteilt sein können oder auch nur zonal eingebracht werden. Generell sorgen die oberflächennahen Kühlkanäle für die gleichmäßige Verteilung der Poliersuspension und den Abtransport der abgetragen Glasrückstände. In diesem Fall werden lineare Kühlkanalstrukturen 7a, konzentrische Kühlkanalstrukturen 7b oder freigeformte Kühlkanalstrukturen 7c, mit dem additiven Verfahren eingebracht. Die Verteilung der Kanalstrukturen über die Polierwerkzeugoberfläche kann aber ebenso unregelmäßig gewählt werden, im Falle eines zonalen Polierens, wenn an der Oberfläche kein Konstantabtrag gewünscht ist. Die Kanaltiefe beträgt zwischen 1 - 5 mm, kann aber auch bis zur gesamten Poliermittelträgertiefe ausgeführt sein bei Mehrfachnutzung des Poliermittelträgers 1 b oder dem Weiterleiten der Poliersuspension im Inneren des Polierwerkzeugs 1 , wie in Fig. 4b dargestellt. Bei dieser Anordnung erfolgt die Poliersuspensionszuführung im Werkzeug und wird über den Grundkörper in den Poliermittelträger 1 b geleitet. Durch die Wahl der Kühlkanalgröße, insbesondere des gewählten Durchmessers und die Anzahl der Kühlkanalaustritte am Werkzeugträger, kann der Polierdruck 21 auf das Polierkorn gezielt eingestellt werden. Auch in dieser Anordnung können unterschiedliche Polierdruckwerte zonal auf der Polierwerkzeugoberfläche erzeugt werden. In Fig. 4b ist die Anzahl der integrierten Kühlkanäle im Werkzeugmittelpunkt höher als im Randbereich gewählt. Diese Polierdruckerhöhung im Zentrum des Polierwerkzeugs 1 kann vorteilhaft zum Polieren eingesetzt werden, wenn die Rotationsachse des Polierwerkzeuges 3a mit der Rotationsachse des Werkstücks 3b zusammenfällt. Ebenso ist eine Kombination der Anordnungsbeispiele aus Fig 4a mit denen aus Fig. 4b möglich und eröffnet eine hohe Designfreiheit für das deterministische Polieren.
[0034] Die Fig. 5a und 5b illustrieren zwei Anordnungsmöglichkeiten für das deterministische Polieren von Asphären. In Fig. 5a wurde das Polierwerkzeug 1 für eine voll- aperturige Polierbearbeitung ausgelegt. Die inverse Asphärengleichung der zu polierenden Asphärenform wurde als Sollgeometrie für das additive Verfahren verwendet. Nach dem Druck wird der Poliermittelträger 1 b auf den Grundkörper gekittet oder geklebt und in der Poliermaschine mit einem Diamantwerkzeug abgerichtet. Für den Verlauf der Polierfunktion wurden drei zonale Bereiche 11 a, 11 b und 1 1 c gewählt, die auf die Änderung der Pfeilhöhe und dem Abstand vom Werkzeugmittelpunkt angepasst sind. Zusätzlich ist eine Randstützung 12 vorgesehen, die einem Randabfall entgegenwirkt. Somit können aufwändige Stützringanordnungen an dem Asphärenrohling, wie bei der klassischen Asphärenpolitur erforderlich, entfallen. Diese gezeigte Anordnung ist insbesondere für das Asphärenvorpolieren geeignet. Auch nach dem asphärischen Feinpolieren kann sich ein zusätzlicher Polierschritt mit der Anordnung in Fig. 5a anschließen, um entstandene mittelfrequente Fehleranteile zu minimieren. Die Polierzeit wird für diesen Zwischenschritt sehr kurz gewählt, um Abweichungen von der Sollform zu vermeiden. Fig. 5b veranschaulicht die Asphärenpolitur mit einem graduierten und adaptiven Subapertur-Polierwerkzeug 1. Der Poliermittelträger 1 b ist in zwei Zonen 1 1 a und 11 b unterteilt. Charakteristisches Merkmal in dieser Anordnung ist, dass die Zone 1 1 a einen größeren Durchmesser und eine größere Tiefe aufweist. Dieser Teil des Polierwerkzeuges 1 wird zum Vorpolieren verwendet. Nach entsprechendem Verschleiß der Zone 11. a nähern sich die Tiefen der beiden Zonen an. Die zweite Zone 11 .b kommt in der Folge für das Feinpolieren zum Einsatz. Ist der Verschleiß nicht hoch genug über die Polierdauer, kann das Polierwerkzeug 1 auf die erforderliche Solltiefe abgerichtet werden. In der Anordnung der Fig. 5b kann das Subapertur-Polierwerkzeug 1 auch mäanderförmig über die Oberfläche geführt werden, sodass Asphären ohne Rotationssymmetrie und Freiformen bearbeitet werden können.
[0035] Für das Polieren von Freiformflächen ist die in Fig. 6 gezeigte Anordnung geeignet. Dieses exemplarisch einfach gewählte Freiformwerkstück hat eine quadratische Grundfläche von 50mm x 50 mm und eine maximale Bauteilhöhe von 40 mm. Auch in diesem Beispiel wurde die erforderliche Negativpolierform als Polierwerkzeug 1 additiv hergestellt. In Abhängigkeit der wechselnden Pfeilhöhe der Freiform wurden unterschiedliche Zonen der Härte zugeordnet. Insgesamt stützen das Werkzeug sechs unterschiedlich beaufschlagte Zonen. Bei größeren Pfeilhöhen wird die härtere Zone 11 a zugeordnet und bei kleinerer Pfeilhöhe die Zone 1 1 b. Diese exemplarische Zuordnung kann, in Abhängigkeit der Freiformfunktion auch noch eine wesentlich größere Anzahl an verschiedenen Zonen erfordern, die dem additiven Prozess zugewiesen werden können. Die Übertragung der erforderlichen Wirkenergie auf die Polierkörner, die sich in einer Suspension gelöst im Wirkspalt 13 befinden, in der Abbildung aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt, erfolgt in dieser Anordnung durch eine Schwingungskomponente die senkrecht auf das Polierwerkzeug 1 wirkt. Somit erhält das Polierkorn seine Energie, um an der Werkstückoberfläche das erforderliche Aktivierungspotential freizusetzen. Diese erforderliche Schwingungsenergie kann bspw. durch einen US-Generator, gekoppelt mit einer Synotrode, oder aber durch zwei Schwinger, die ein Unwucht erzeugen und eine vibrierende Kraftkomponente 14 erzeugen, bereitgestellt werden. Durch die Regelung von Amplitude und Frequenz der Schwingbewegung können der Polierdruck 21 , der Reibungskoeffizient und die Kornbewegung im Wirkspalt 13 angepasst werden. Durch die Wahl und Graduierung des Poliermittelträgers 1 b ist das resultierende Feder-Dämpfungsmodell somit gezielt einstellbar.
[0036] Fig. 7a und Fig. 7b zeigen je ein exemplarisches Beispiel für das Verfahren zum Herstellen der graduierten und adaptiven Polierwerkzeuge 1. Verwendung finden in Fig. 7a zwei Drucksysteme 16a und 16b, die kleinste Mengen an flüssigem Polymer dosieren und applizieren können. Bevorratet werden in diesen Drucksystemen die zwei verschiedene Komponenten, in diesem Fall die Komponente A mit der höheren Härte und die Komponente B mit der geringeren Härte. Beide Drucksysteme können sequentiell oder auch parallel arbeiten und Applizieren das jeweilige erforderliche Druckvolumen pro Schicht. Nach erfolgreicher Schichtgenerierung senkt sich die Bauplattform 15 ab und es wird die Folgeschicht erzeugt. Für das Bereitstellen von Materialeigenschaften, die einen kontinuierlichen Übergang der Parameter erfordern, kommt das Drucksystem in Fig. 4b zum Einsatz. Mit einem Mischsystem 19 lassen sich die Ausgangskomponenten A und B, bevorratet in den Behältern 18a und 18b mit unterschiedlichen Volumenprozenten mischen. Dieses bereitgestellte Gemisch kann mit dem Druckkopf für die Komponenten A+B 16c dosiert und appliziert werden. Zusätzlich ist in Fig. 7b noch ein weiterer Druckkopf für das Supportmaterial 16d dargestellt. Aus diesem wird ein Supportmaterial dosiert und appliziert, welches sich nach dem Bauprozess wieder lösen lässt. Vorteilhafterweise werden als Supportmaterial wasserlösliche Polymere eingesetzt. Dieses Einbringen des Supportmateriales ist erforderlich, um die notwendigen Kühlkanäle 8 im Polierwerkzeug 1 vorzusehen. Nach jeder Schichterzeugung erfolgt eine UV-Aus- härtung des Polymers mit einer UV-Strahlungsquelle 20.
Bezugszeichenliste
1 - Polierwerkzeug
1a - Poliergrundkörper
1b - Poliermittelträger
2 - Werkstück
2a - erste Linse
2b - zweite Linse
3a - Rotationsache (Polierwerkzeug)
3b - Rotationsachse (Werkstück)
7a - Kühlkanal (linear)
7b - Kühlkanal (konzentrisch)
7c - Kühlkanal (Freiform)
8 - Kühlkanal (vertikal)
9a - Zone höherer Härte - translatorisch, horizontal
9b - Zone mittlerer Härte - translatorisch, horizontal
9c - Zone geringerer Härte - translatorisch, horizontal
10a - Zone höherer Härte - translatorisch, vertikal
10b - Zone mittlerer Härte - translatorisch, vertikal
10c - Zone geringerer Härte - translatorisch, vertikal
11 a - Zone höherer Härte - radial
11 b - Zone mittlerer Härte - radial
11c - Zone geringerer Härte - radial
12 - Randstützung
13 - Wirkspalt
14 - translatorische periodische Kraftkomponente
15 - Bauplattform
16a - Druckkopf für die Komponente A
16b - Druckkopf für die Komponente B
16c - Druckkopf für die Komponenten A+B
16d - Druckkopf für das Supportmaterial
17 - gedruckte Schichten
18a - Behälter Komponente A b Behälter Komponente B
Mischeinheit
UV-Strahlungsquelle
Polierdruck
Werkstückträger

Claims

Patentansprüche
1. Polierwerkzeug (1 ) zur Bearbeitung von technischen Oberflächen, bestehend aus einem Poliergrundköper (1 a) und einem Poliermittelträger (1 b), wobei
- der Poliermittelträger (1 b) mindestens ein Polierkorn aufweist,
- mindestens eine Materialeigenschaft des Poliermittelträgers (1 b) sich senkrecht oder waagerecht zu einer Rotationsachse (3a) des Polierwerkzeugs ändert, um eine Polierabtragfunktion gezielt auf einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks (2) steuern zu können,
- das Polierwerkzeug integrierte Kühlkanäle aufweist, über welche eine Poliermittelsuspensionszuführung erfolgt, und
- die Wirkung des mindestens einen Polierkorns auf der Werkstückoberfläche durch die Veränderung der Materialeigenschaft beeinflusst werden kann.
2. Polierwerkzeug (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sich ändernde Materialeigenschaft des Poliermittelträgers (1 b) eine Härte eines Polierträgermaterials ist, wodurch ein Reibungskoeffizient des Poliermittelträgers (1 b) eingestellt ist.
3. Polierwerkzeug (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Polierträgermaterials sich rotationssymmetrisch zu der Rotationsachse (3a) des Polierwerkzeuges (1) verändert.
4. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine Materialeigenschaft nur in einzelnen Bereichen des Poliermittelträgers (1 b) lokal verändert.
5. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Materialeigenschaft über den gesamten Poliermittelträger (1 b) verändert.
6. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Poliermittelträger (1 b) in unterschiedlichen Bereichen (9a, 9b, 9c), die entlang einer vorgegebenen Richtung oder zweier senkrecht zueinanderstehen- den, vorgegebenen Richtungen in einer Ebene angeordnet sind, eine unterschiedliche Härte aufweist.
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BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
7. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (7a, 7b, 7c) zum Transport einer Poliersuspension senkrecht zur Rotationsachse (3a) in den Poliermittelträger (1 b) in linearen, konzentrischen und/oder freigeformten Strukturen eingebracht sind.
8. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (8) zum Transport einer Poliersuspension waagerecht zur Rotationsachse (3a) in den Poliergrundkörper (1a) und den Poliermittelträger (1b) eingebracht sind.
9. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (1 ) dazu ausgelegt ist, einen Polierdruck zu verändern.
10. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Poliergrundkörper (1 a) und der Poliermittelträger (1 b) miteinander verbunden sind.
11. Polierwerkzeug (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug (1 ) eine Randstützung (12) mit einer angepassten Härte für das Überrandpolieren aufweist.
12. Verwendung eines Polierwerkzeugs (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , für das flächige Polieren sowie das Subaperturpolieren von technischen Oberflächen.
13. Verfahren zur Herstellung eines graduierten und adaptiven Polierwerkzeugs (1 ) zum Polieren mit losem Korn, bestehend aus einem Poliergrundköper (1 a) und einem Poliermittelträger (1b), umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen einer Negativform des Poliermittelträgers (1 b),
- Zuführen mindestens eines Polymers zu mindestens einem Druckkopf,
- Erzeugen mindestens einer Schicht auf der Negativform mit dem Druckkopf, wodurch der Poliermittelträger gebildet wird, wobei
- mindestens zwei Bereiche des Poliermittelträgers (1 b) mit unterschiedlichen Materialeigenschaften erzeugt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Polymere über zwei voneinander getrennte Druckköpfe erfolgt, die während der Erzeugung der mindestens einen Schicht sequenziell oder parallel arbeiten.
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BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polymer aus mindestens zwei Komponenten besteht, wobei die verschiedenen Komponenten jeweils durch einen Mischer miteinander gemischt werden und dosierbar den Druckköpfen zugeführt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht durch eine UV-Strahlung ausgehärtet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht einen kontinuierlichen Verlauf einer Härteaufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Polymer als Stützmaterial in jede Schicht eingebracht wird, welches nach dem Erzeugen der jeweiligen Schicht durch Lösen entfernt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der mindestens einen Schicht nachgelagerten Schritt die Form des Poliermittelträgers (1 b) abgerichtet wird, um eine Formabweichung zu minimieren.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, nach dem Erzeugen der mindestens einen Schicht nachgelagerten Schritt die Form des Poliermittelträgers (1 b) abgerichtet wird, wobei die Form des Poliermittelträgers (1 b) an eine zu polierende Oberfläche angepasst wird.
- 22 -
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
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