DE102015119325A1 - Method for smoothing surfaces of a workpiece - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glättung von Oberflächen eines Werkstücks. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Erzeugen eines Plasmastrahls durch Mikrowelleninduktion in einem Gasmedium, das keinen Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen sowie keine Halogene oder halogenhaltige Verbindungen enthält; und b) Behandeln einer zu glättenden Werkstückoberfläche mit dem Plasmastrahl.The invention relates to a method for smoothing surfaces of a workpiece. The method comprises the steps of: a) generating a plasma beam by microwave induction in a gas medium containing no hydrogen or hydrogen-containing compounds and no halogens or halogen-containing compounds; and b) treating a workpiece surface to be smoothed with the plasma jet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glättung von Oberflächen eines Werkstücks.The invention relates to a method for smoothing surfaces of a workpiece.
Technologischer HintergrundTechnological background
Zur Glättung von Oberflächen aus harten, spröden und optischen Materialien stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. Insbesondere hochpräzise optische Systeme mit Glasoptiken stellen in zahlreichen Anwendungen mit hohen Wachstumsraten (Mess- und Produktionstechnik, optischen Nachrichtentechnik, Medizin- und Pharmatechnik, elektronischen Konsumgütern) eine Schlüsselkomponente dar, deren Qualität maßgeblich zur Leistungsfähigkeit der Gesamtlösung beiträgt und häufig den Weg für Innovation bereiten. Aus technologischen Gründen entwickelt sich das Design der Optikkomponenten hin zu immer komplexeren Geometrien. Trotz der technologischen Vorteile von Asphären und Freiformflächen beschränken zurzeit ein hoher Fertigungsaufwand, insbesondere beim Polieren, und eine aufwändige Messtechnik eine Ausweitung der Anwendung. Bei der Optikfertigung stellt das Polieren einen unverzichtbaren Schritt in der Technologiekette dar, der maßgeblich die Qualität bestimmt, aber auch den größten Aufwand verursacht.For smoothing surfaces of hard, brittle and optical materials, various methods are available that are based on different principles. In particular, high-precision optical systems with glass optics represent a key component in numerous applications with high growth rates (measurement and production technology, optical communications, medical and pharmaceutical technology, electronic consumer goods), whose quality significantly contributes to the performance of the overall solution and often paves the way for innovation. For technological reasons, the design of optical components is evolving towards increasingly complex geometries. Despite the technological advantages of aspheres and free-form surfaces, currently a high production outlay, in particular during polishing, and an expensive measuring technique limit the extension of the application. In optics production, polishing is an indispensable step in the technology chain, which crucially determines the quality, but also causes the greatest effort.
Stand der konventionellen Technik ist das mechanisch-abrasive Polieren mit Scheiben- oder Punktwerkzeugen einschließlich magneto-rheologischen Polieren (MRF) und computergestütztes Polieren (CCP) mittels einer magnetischen Polierpaste bzw. einer Poliersuspension, wobei die Glättung stets mit einem Materialabtrag verbunden ist, der insbesondere für sehr kleine, stark gekrümmte oder Freiform-Oberflächen zu einer Formveränderung führt.State of the conventional technique is the mechanical-abrasive polishing with disc or point tools including magneto-rheological polishing (MRF) and computer aided polishing (CCP) by means of a magnetic polishing paste or a polishing suspension, wherein the smoothing is always associated with a material removal, in particular For very small, strongly curved or free-form surfaces leads to a change in shape.
Allen plasmachemische Ätzverfahren wie CVM (Chemical Vapour Machining) [siehe beispielweise
In
In der deutschen Patentanmeldung
Die Bestrahlung von Gläsern mittels Hochleistungs-Lasern (z. B. CO2-Lasern) wird auch für das Polieren oder Glätten von Oberflächen beziehungsweise für das Brechen von Kanten eingesetzt. Ein Beispiel dafür wird in der europäischen Patentschrift
Es besteht daher ein anhaltender Bedarf nach einem Verfahren zur Subapertur-Oberflächenbearbeitung, das die geschilderten Nachteile des Standes der Technik behebt oder zumindest mindert. Insbesondere sollte das Verfahren zur direkten, flexiblen und wirtschaftlichen Glättung von Oberflächen aus harten, spröden und optischen Materialien, wie beispielsweise Quarzglas und ULE-Glas (Ultra-Low Expansion Glas) für optikrelevante Werkstücke, wie Linsen, Spiegel, Spiegelsubstrate und Abformmaster, nutzbar sein.There is therefore a continuing need for a process for subaperture surface treatment which overcomes or at least reduces the described disadvantages of the prior art. In particular, the method should be useful for direct, flexible and economical smoothing of surfaces of hard, brittle and optical materials, such as quartz glass and ULE (Ultra-Low Expansion Glass) glass for optically relevant workpieces such as lenses, mirrors, mirror substrates and impression masters ,
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Ein oder mehrere Nachteile des Standes der Technik werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Glättung von Oberflächen eines Werkstücks behoben oder zumindest gemindert. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Erzeugen eines Plasmastrahls durch Mikrowelleninduktion in einem Gasmedium, das keinen Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen sowie keine Halogene oder halogenhaltige Verbindungen enthält; und
- b) Behandeln einer zu glättenden Werkstückoberfläche mit dem Plasmastrahl.
- a) generating a plasma beam by microwave induction in a gas medium containing no hydrogen or hydrogen-containing compounds and no halogens or halogen-containing compounds; and
- b) treating a workpiece surface to be smoothed with the plasma jet.
Im Schritt a) des Verfahrens wird demnach ein mikrowelleninduzierter Plasmastrahl erzeugt, beispielsweise mit Hilfe eines geeignet modifizierten MPT (Microwave Plasma Torch). Das zur Erzeugung des Plasmastrahls verwendete Gas oder Gasgemisch enthält inerte Komponenten (insbesondere Ar und He), jedoch keinen Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen sowie keine Halogene oder halogenhaltige Verbindungen. Im Schritt a) der Erzeugung des Plasmastrahls herrscht vorzugsweise Atmosphärendruck.In step a) of the method, therefore, a microwave-induced plasma jet is generated, for example with the aid of a suitably modified MPT (Microwave Plasma Torch). The gas or gas mixture used to generate the plasma jet contains inert components (in particular Ar and He), but no hydrogen or hydrogen-containing compounds and no halogens or halogen-containing compounds. In step a), the generation of the plasma jet is preferably atmospheric pressure.
Durch Ausschluss halogen- und wasserstoffhaltiger Verbindungen zur Erzeugung des Plasmastrahls kommt es bei direktem Kontakt zur Oberfläche, vor allem bei der Bearbeitung (Glättung) von Quarzglas oder quarzähnlichen Materialien (z.B. ULE), zu keinem Materialabtrag.By excluding halogen- and hydrogen-containing compounds to produce the plasma jet, there is no material removal on direct contact with the surface, especially in the processing (smoothing) of quartz glass or quartz-like materials (e.g., ULE).
Ferner besteht durch die Kombination von konvektiver und Mikrowellenheizung eine signifikante Tiefenwirkung, wodurch neben der oberflächlichen Glättung insbesondere auch oberflächennahe Defekte ausgeheilt werden können, was zu einer Verbesserung der Laserzerstörschwelle oder verminderten Aufrauhung durch anschließende Ätzverfahren (plasmachemisches- oder nasschemisches Ätzen) führt.Furthermore, by the combination of convective and microwave heating, a significant depth effect, which in addition to the superficial smoothing especially near-surface defects can be cured, resulting in an improvement of the Laserzerstörschwelle or reduced roughening by subsequent etching (plasmachemisches- or wet-chemical etching).
Der Aufbau ist so gewählt, dass der Plasmastrahl in direktem Kontakt zur zu bearbeitenden Oberfläche steht (Schritt b)) und die Oberfläche durch eine lineare, spiralförmige und/oder rotierende Bewegung des Plasmastrahls relativ zur Oberfläche abgefahren wird. Bei direktem Kontakt des Plasmastrahls mit der Oberfläche kann der Plasmastrahl als Mikrowellenleiter fungieren. Dies kann zu einer Einkopplung von Mikrowellenleistung in die Oberfläche und damit zu einer zusätzlichen, lokalen Temperaturerhöhung durch Umwandlung dielektrischer Verlustleistung führen. Das Material unterliegt infolge der Erwärmung in Verbindung mit dem konvektiven Einfluss des Plasmastrahls und der Grenzflächenspannung einer Umverteilung und damit einer Glättung, die neben den hochfrequenten auch mittelfrequente Anteile der Rauheit und Welligkeit erfasst. Plasmastrahl und Werkstückoberfläche können relativ zueinander mit konstanter oder wechselnder Geschwindigkeit bewegt werden.The structure is chosen so that the plasma jet is in direct contact with the surface to be processed (step b)) and the surface is traversed by a linear, spiral and / or rotating movement of the plasma jet relative to the surface. Upon direct contact of the plasma jet with the surface, the plasma jet can act as a microwave conductor. This can lead to a coupling of microwave power into the surface and thus to an additional, local temperature increase by conversion of dielectric power loss. As a result of the heating in conjunction with the convective influence of the plasma jet and the interfacial tension, the material is subject to redistribution and thus smoothness, which, in addition to the high-frequency and medium-frequency components, detects the roughness and waviness. Plasma jet and workpiece surface can be moved relative to each other at a constant or changing speed.
Im Schritt b) des Verfahrens wird vorzugsweise eine Oberflächentemperatur vorgegeben, die oberhalb des Schmelzpunktes, aber unterhalb des Verdampfungspunktes des Werkstückes liegt. Die Oberflächentemperaturen sollten deutlich unter dem Verdampfungspunkt liegen, z.B. für Quarzglas im Bereich 1500 bis 2000°C. Vorzugsweise wird das Werkstück auf eine Temperatur > 100°C vorgeheizt. Der Plasmastrahl kann senkrecht oder unter einem Winkel auf die Oberfläche treffen.In step b) of the method, a surface temperature is preferably set which is above the melting point, but below the evaporation point of the workpiece. The surface temperatures should be well below the evaporation point, e.g. for quartz glass in the range 1500 to 2000 ° C. Preferably, the workpiece is preheated to a temperature> 100 ° C. The plasma jet can strike the surface perpendicularly or at an angle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des Verfahrens wird mit mehreren Plasmastrahlen gleichzeitig eine Oberfläche bearbeitet.According to a further preferred variant of the method, a surface is processed simultaneously with a plurality of plasma jets.
Durch die Einstellung geeigneter Plasmastrahlparameter lassen sich der Glättfaktor sowie die Glättrate beeinflussen. Typische Werte für den Glättfaktor, definiert als das Verhältnis aus der Rauheit vor und nach der Glättung, liegen zwischen 100 und 1000. Die Glättraten betragen bei typischer Ausführung je nach Glättfaktor 0,1–10 cm2/min. Nach dem Schritt b) weist die Oberfläche vorzugsweise einen Rauheitswert von Ra < 1 nm bei Ortswellenlängen von weniger als 10 µm auf.By setting suitable plasma jet parameters, the smoothing factor as well as the smoothness rate can be influenced. Typical values for the smoothing factor, defined as the ratio of the roughness before and after the smoothing, are between 100 and 1000. The smoothness rates are typically 0.1-10 cm 2 / min depending on the smoothing factor. After step b), the surface preferably has a roughness value of Ra <1 nm at spatial wavelengths of less than 10 μm.
Darüber hinaus ergibt sich unter geeigneten Bedingungen eine effektive Glättung (Rauheit nach Bearbeitung < 0.5 nm rms) rauer Ausgangsflächen ohne Materialabtrag.In addition, under suitable conditions, an effective smoothing (roughness after processing <0.5 nm rms) of rough starting surfaces without material removal results.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat zusammenfassend die folgenden Vorteile:
- • eine Oberflächenglättung erfolgt durch Materialumverteilung ohne Materialabtrag;
- • die Ausgangsrauheit des Werkstücks wird verbessert;
- • die räumliche Ausdehnung des Plasmastrahl erlaubt eine lokale Glättung mit lateraler Auflösung < 5 mm;
- • die axiale Ausdehnung des Plasmastrahls lässt eine Bearbeitung stark gekrümmter Oberflächen zu;
- • das Verfahren ist anwendbar auf Mikrooptiken (< 2mm Durchmesser);
- • das Verfahren ist anwendbar auf Werkstückkanten; und
- • oberflächennahe Defekte werden durch die Plasmabehandlung ausgeheilt.
- • surface smoothing is achieved by material redistribution without material removal;
- • the starting roughness of the workpiece is improved;
- • the spatial extent of the plasma jet allows a local smoothing with lateral resolution <5 mm;
- • the axial extent of the plasma jet allows processing of strongly curved surfaces;
- • the method is applicable to micro-optics (<2mm diameter);
- • the method is applicable to workpiece edges; and
- • Near-surface defects are healed by the plasma treatment.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Glätten einer Oberfläche eines optischen Werkstücks aus optischen Gläsern oder Glaskeramik, vorzugsweise Quarzglas, oder vergleichbaren für Optiken eingesetzte Materialien. Das plasmagestützte Verfahren kann insbesondere zur direkten Glättung der Oberfläche von optischen Werkstücken, wie Linsen, Spiegeln, Spiegelsubstraten oder Abformmastern aus Quarzglas oder ULE verwendet werden.The method is particularly suitable for smoothing a surface of an optical workpiece made of optical glasses or glass ceramic, preferably quartz glass, or comparable materials used for optics. The plasma-assisted method can be used in particular for the direct smoothing of the surface of optical workpieces, such as lenses, mirrors, mirror substrates or mastermasters of quartz glass or ULE.
Im Anschluss an die Plasmaglättung kann das Werkstück in geeigneter Weise getempert werden, um vorhandene Spannungen im Werkstück zu verringern oder zu beseitigen. Following the plasma smoothing, the workpiece may be suitably annealed to reduce or eliminate existing stresses in the workpiece.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the following description.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and associated drawings. The figures show:
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Mikrowellen induzierte Plasmaquellen (MIP) werden seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt. Diese Plasmaquellen sind im Allgemeinen aus verschiedenen Hochfrequenzbauteilen wie Resonatoren, Anpassungselementen, etc. aufgebaut. Für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich insbesondere sogenannte Plasmafackeln (MPT Microwave plasma torch). Durch einfache Transformationsschaltungen lässt sich für die MPTs eine sehr gute Leistungsanpassung an den HF-Generator für breite Bereiche von Mikrowellenleistung und Gasdurchsatz erreichen. MPT lässt sich auch bei Atmosphärendruck einsetzen. Mit einem geeigneten Führungsaufsatz kann das Plasma dann über die Werkstoffoberfläche geführt werden.Microwave induced plasma sources (MIP) have been used for several decades. These plasma sources are generally composed of various high frequency components such as resonators, matching elements, etc. For the purposes of the method according to the invention are particularly suitable so-called plasma torches (MPT Microwave plasma torch). Simple transformation circuits allow the MPTs to achieve very good power matching to the RF generator for broad ranges of microwave power and gas flow rate. MPT can also be used at atmospheric pressure. With a suitable guide attachment, the plasma can then be guided over the surface of the material.
Der Abstand und Winkel der Plasmaquelle
Zusätzlich kann das Werkstück
Die Bewegung eines Kontaktpunktes
Durch die Einwirkung eines mikrowelleninduzierten Plasmastrahls aus dem inerten Gasgemisch aus Ar/He unter Atmosphärendruck erfolgte eine lokale Umwandlung der feingeschliffenen Werkstoffoberfläche (Ausgangsrauheit Ra > 100 nm) in eine optisch glatte Oberfläche mit einer Rauheit Ra < 1nm. Eine deutliche Verbesserung der Oberflächen-Welligkeit war dabei ebenfalls zu beobachten. Die Umverteilung und damit die Glättung des Substratmaterials erfolgt dabei ohne Materialabtrag. Weißlichtmikroskop-Aufnahmen der geglätteten Werkstoffoberfläche (Messfläche von 160 × 120 µm) lieferten einen Rauheitswert von Ra < 0,3 nm. The action of a microwave-induced plasma jet from the inert Ar / He gas mixture under atmospheric pressure resulted in a local transformation of the finely ground material surface (initial roughness Ra> 100 nm) into an optically smooth surface with a roughness Ra <1 nm. A significant improvement in the surface ripple was also observed. The redistribution and thus the smoothing of the substrate material takes place without material removal. White light microscope images of the smoothed material surface (measurement area of 160 × 120 μm) provided a roughness value of Ra <0.3 nm.
Bei der klassischen Herstellung optischer Oberflächen wird das Werkstück durch Läpp- und Schleifprozesse geformt und die Oberfläche anschließend durch Politurverfahren unter Einsatz von abrasiven Fluiden geglättet. Dabei können oberflächennahe Defekte entstehen (sogenannte Sub-Surface-Damage). Eine Bearbeitung einer solchen gestörten Oberfläche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren heilt diese Störungen und verhindert damit die Aufrauhung der Oberfläche bei anschließenden chemischen oder plasmachemischen Ätzprozessen.In the classical production of optical surfaces, the workpiece is formed by lapping and grinding processes and the surface is then smoothed by polishing processes using abrasive fluids. In this case, near-surface defects can occur (so-called sub- Surface Damage). Processing of such a faulty surface with the method according to the invention heals these disturbances and thus prevents the roughening of the surface during subsequent chemical or plasma-chemical etching processes.
So wurden in einer Versuchsreihe konventionell geglättete und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geglättete Quarzglasoberflächen plasmachemisch geätzt (Abtrag 21 µm) und näher untersucht. Die konventionell geglättete Quarzglasoberfläche zeigte in Weißlichtmikroskop-Aufnahmen einen Rauheitswert von Ra > 10 nm, während die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandelte Oberfläche einen deutlich geringeren Rauheitswert von Ra < 1 nm aufwies.Thus, in a series of experiments, conventionally smoothed quartz glass surfaces smoothed by the process according to the invention were plasma-chemically etched (erosion 21 μm) and further investigated. The conventionally smoothed quartz glass surface showed a roughness value of Ra> 10 nm in white light microscope images, while the surface pretreated with the method according to the invention had a significantly lower roughness value of Ra <1 nm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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