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Title:
DEVICE HAVING A TOOL HOLDER AND A TOOL BLADE FOR TURNING AN OPTICALLY FUNCTIONAL SURFACE OF A WORKPIECE, AND METHOD FOR TURNING A SURFACE OF A WORKPIECE BY MEANS OF A MONOCRYSTALLINE DIAMOND
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/027985
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a device (1), having a tool holder (2) and a tool blade (3) for turning an optically functional surface (24) of a workpiece (13) made of glass or glass ceramic and having an apparatus (4) for producing, guiding and focusing a laser beam (10) at a laser focus (11) in a machining region (12) of the workpiece (13), and to a method for turning a surface (23) of a workpiece (13) made of glass or glass ceramic by means of a monocrystalline diamond (14) in order to produce an optically functional surface (24), in which method a machining region (12) of the workpiece (13) is heated by means of a laser beam (10).

Inventors:
WENZEL CHRISTIAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2020/000182
Publication Date:
February 18, 2021
Filing Date:
August 07, 2020
Export Citation:
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Assignee:
INNOLITE GMBH (DE)
International Classes:
B23P25/00; B23K26/00; B23K26/08; B28D5/00; B23B27/10; B23B27/20; B23Q11/10
Domestic Patent References:
WO2013050166A12013-04-11
Foreign References:
CN107042364B2019-03-19
CN100374243C2008-03-12
FR2444648A11980-07-18
US20150217418A12015-08-06
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWALTSKANZLEI LIERMANN-CASTELL (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) mit einem Werkzeughalter (2) und einer Werkzeugschneide (3) zum Drehen einer optisch funktionalen Oberfläche (24) eines Werkstücks (13) aus Glas oder Glaskeramik und mit einer Einrichtung (4) zur Erzeugung, Führung und Fokussierung eines Laserstrahls (10) auf einen Laserfokus (11) in einem Bearbeitungsbereich (12) des Werkstücks (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugschneide (3) einen monokristallinen Diamant (14) aufweist, die Vorrichtung (1) eine Inertgaszufuhrung (15) zur Werkzeugschneide (3) und eine Temperaturregeleinrichtung (17) aufweist, um im Bearbeitungsbereich (12) eine Temperatur (25) unterhalb der Übergangstemperatur Tg (26) des Materials des Werkstücks (13) und oberhalb des unteren Kühlpunktes (27) des Materials des Werkstücks (13) einzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) eine Regelung (17) aufweist, um die Temperatur auf +/- 100 K und vorzugsweise auf +/- 50 K genau einzustellen.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) Umlenk- und Fokussierspiegel (8) für den Laserstrahl (10) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) eine transmissive Optik (9) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) mindestens eine Optik (7) mit Freiformflächenanteilen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine rotatorische oder translatorische Kinematik (34) aufweist, um den Laserfokus (11) während der Bearbeitung kontinuierlich oder diskret relativ zum Werkstück (13) nachfuhren zu können.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Düse (16) aufweist, um während der Bearbeitung auftretende Späne aus dem Laserfokus (11) zu blasen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sensorik (18, 19) zur Messung der aktuell vorliegenden Temperatur (25) im Bearbeitungsbereich (12) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine passive oder aktive Kühlung (35) aufweist, um Temperaturdehnungen bedingt durch Absorption von Streustrahlung zu reduzieren.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) eine Leistung von 10 bis 100 Watt und vorzugsweise von 20 bis 50 Watt aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) eine Wellenlänge > 6 pm aufweist.

12. Verfahren für das Drehen einer Oberfläche (23) eines Werkstücks (13) aus Glas oder Glaskeramik mit einem monokristallinen Diamanten (14), zur Herstellung einer optisch funktionalen Oberfläche (24), bei dem mit einem Laserstrahl (10) ein Bearbeitungsbereich (12) des Werkstücks (13) erwärmt wird, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bearbeitungsbereich (12) ein Schutzgas zugeführt wird und im Bearbeitungsbereich eine Temperatur (25) unterhalb der Übergangstemperatur Tg des Werkstücks (13) und oberhalb des unteren Kühlpunktes (27) des Werkstücks (13) eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich (12) des Werkstücks (13) und vorzugsweise das ganze Werkstück (13) in einem Raum mit einer Temperatur (25) vorgeheizt wird, die während der Bearbeitung hochpräzise auf zumindest +/- 0,1 K gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (23) vor der Bearbeitung bereits eine Formhai tigkeit von weniger als 50 pm und eine Rauigkeit von weniger als 100 Nanometer RA aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bearbeitungsbereich (12) die Temperatur (25) gemessen wird und auf Basis der ermittelten Temperatur (25) die Laserleistung, die Laserfokuspositionierung und/oder die Laserfokussierung regelt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer geometrisch bestimmten Schneide (3), vorzugsweise mit Naturdiamant (12), unter Entfestigung des Glaswerkstoffs durch Laserstrahlung mit Wellenlängen > 6 gm die Oberfläche (23) ultrapräzise zerspant wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Freiformoptik (7) ein deterministisches Intensitätsprofil auf der Oberfläche (23) eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bearbeitungsbereich (12) über eine Düse (16) ein Schutzgas zugefuhrt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (13) aus Quarzglas hergestellt ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bearbeitungsbereich (12) koaxial zum Laserstrahl (10) gemessen wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (25) des Bearbeitungsbereichs (12) am monokristallinen Diamanten (14) berührend gemessen wird. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus (11) ultrapräzise in Bearbeitungsrichtung unmittelbar vor oder seitlich der Werkzeugschneide mit einer relativen Genauigkeit zwischen Werkzeugschneide (3) und Laserfokus (11) < 1 mm vorzugsweise < 500 pm positioniert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Regelung (17) zur hochpräzisen lokalen Erwärmung der Fokusdurchmesser im Bearbeitungsbereich (12) auf < 500 pm vorzugsweise < 200 pm eingestellt wird.

Description:
Vorrichtung mit einem Werkzeughalter und einer Werkzeugschneide zum Drehen einer optisch funktionalen Oberfläche eines Werkstücks und Verfahren für das Drehen einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem monokristallinen Diamanten

[01] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Werkzeughalter und einer Werkzeugschneide zum Drehen einer optisch funktionalen Oberfläche eines Werkstücks aus Glas oder Glaskeramik und mit einer Einrichtung zur Erzeugung, Führung und Fokussierung eines Laserstrahls auf einen Laserfokus im Bearbeitungsbereich des Werkstücks, und ein Verfahren für das Drehen einer Oberfläche eines Werkstücks aus Glas oder Glaskeramik mit einem monokristallinen Diamanten, zur Herstellung einer optisch funktionalen Oberfläche, bei dem mit einem Laserstrahl ein Bearbeitungsbereich des Werkstücks erwärmt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Bearbeitung eines Werkstücks aus Glas oder Glaskeramik zur ultrapräzisen Herstellung optisch funktionaler Oberflächen, wie sie für Linsen oder Spiegel benötigt werden, mittels Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide.

[02] Glasoptiken werden zur Lichtlenkung in zahlreichen Anwendungen genutzt. In der Regel sind Optiken für Beleuchtungsaufgaben, z.B. in einem Xenonschweinwerfer, von geringerer Präzision (Formhaltigkeit, Oberflächenrauheit). Dem entgegenstehen Optiken für Bildgebung, wie sie beispielsweise im Objektivbau für die Fotographie, die Mikroskopie oder die Lithographie verwendet werden. Die Formhaltigkeit oder max. zulässige Abweichung von der Sollform wird oftmals in Referenz zu der Prüfwellenlänge eines Interferometers beschrieben. Werte von l/10 (l=632 nm) sind durch iterative Korrekturschritte durchaus fertigungstechnisch erzielbar. Rauigkeiten < 1 nm Ra entsprechen ebenfalls dem Stand der Technik.

[03] Die klassische Herstellung derartiger optischer Oberflächen geschieht durch verschiedenartige Schleifprozesse (Vorschleifen zur Formgebung, Feinschleifen zur Oberflächenverbesserung) und nachgelagerte Polierprozesse (chemo-mechanisches Polieren, fluidbasiertes Polieren, Ionenstrahl Polieren). Weder das Schleifen noch das Polieren verwendet Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide. Das Einstellen der gefor-

BESTATIGUNGSKOPIE derten Formhaltigkeit kann nur durch eine gezielte Prozessfuhrung (z.B. Sphärenpolitur über Synchrospeed Kinematik) oder iterative Korrekturen mittels verweilzeitbasierter Politur erfolgen. Gerade bei komplexeren Oberflächenformen (Asphären, Freiformflä- chen) sind die Prozesse zeit- und kostenaufwändig. Mikrostrukturen und Facetten sind oftmals überhaupt nicht mit Werkzeugen geometrisch unbestimmter Schneide bearbeitbar.

[04] Daher hat sich gerade für asphärische Linsen mit einem kleineren bis mittleren Durchmesser (bis 30-40 mm) alternativ zur konventionellen Fertigungstechnik die Replikation etabliert. Hierbei wird ein Negativformwerkzeug aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt (z.B. Wolffamcarbid). Ein Glasrohling wird entweder außerhalb der Umformmaschine oder zeitgleich in der Umformmaschine auf eine Temperatur oberhalb des unteren Kühlpunktes des Werkstücks oder sogar oberhalb der Umformtemperatur des Glases (T g ) erhitzt, um eine Formgebung zu ermöglichen. Durch einen sensitiven Umformzyklus bestehend aus Aufheiz-, Abkühl- und Haltezeiten wird der Glasrohling in die gewünschte Form gebracht. Der erhöhte Aufwand für die Herstellung des Formwerkzeugs sowie das Einfahren des Replikationsprozesses amortisiert sich über die anschließende Stückzahlfertigung durch Replikation.

[05] Nach dem Stand der Technik sind für die konventionelle Optikfertigung das Schleifen und das Polieren mit geometrisch unbestimmter Schneide bzw. das Replizieren von Glas die einzigen existierenden Fertigungstechnologien.

[06] Ein neueres Verfahren zur Reduktion der Oberflächenrauheit bei Glasoptiken ist das Laserpolieren. Man unterscheidet zwei Prinzipien bei der Laserpolitur, das Subli- mieren von Rauheitsspitzen bzw. das Randzonenumschmelzen. Bei der Bearbeitung von Glas ist das Randzonenumschmelzen das gängigere Verfahren. Ein Laserstrahl koppelt so viel Energie in die Randzone des Glases ein, bis diese aufschmilzt. Durch die materialcharakteristische Oberflächenspannung der Schmelze kommt es zu Glättungsmechanismen bei der anschließenden Abkühlung der Schmelze. Während man Rauheiten insbesondere zeiteffizient reduzieren kann, sind insbesondere mittelfrequente Oberflächenfehler (umgangssprachlich Organgenhaut) charakteristisch für das Verfahren. Diese Fehler sind u.a. geometrieabhängig und somit schwer standardisiert zu beheben. Einsatzfelder für die Laserpolitur finden sich bei einfachen Beleuchtungsoptiken, jedoch nicht in höherwertigen Anwendungen in der Abbildung.

[07] Optische Oberflächen in Nichteisenmetallen bzw. Kunststoffen können alternativ zum Schleifen und Polieren über die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide aus monokristallinem Diamant hergestellt werden. Die extreme Schärfe des Diamanten aufgrund von Schneidkantenverrundungen bis zu < 50 nm ermöglicht die direkte Zerspanung von Oberflächen mit optischer Qualität (Ra < 5 nm) ohne polierende Nachbearbeitung. Durch eine entsprechende Maschinengenauigkeit können somit durch die geometrisch bestimmte Schneide des Diamanten auf einzigartige Weise präziseste Oberflächenform und minimale Rauheit kombiniert werden. Aufgrund des schwer zerspanbaren, spröd-harten Materialverhaltens von Glas kann dieses Verfahren jedoch nicht zur Bearbeitung von Glas verwendet werden.

[08] Für die Zerspanung hochfester Materialien wie beispielsweise hochlegierter Stähle bzw. Keramiken (SiC) sind aus dem Stand der Technik das laserunterstützte Zerspanen und insbesondere das laserunterstützte Drehen bekannt. Die Strahlungsenergie des Lasers wird unmittelbar an der Bauteiloberfläche absorbiert, führt zu einer Erwärmung und folglich zu einer Entfestigung des zu bearbeitenden Materials, so dass eine Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide möglich bzw. wirtschaftlicher wird.

[09] Aus dem Stand der Technik sind Maschinen bekannt, die zwei Bearbeitungsköpfe vereinen, einer, der das Zerspanungswerkzeug hält und führt, ein zweiter mit optischem Aufbau, welcher der Strahlführung dient. Es wird mit großen Laserleistungen > 300 W bis hin zu einigen kW gearbeitet, um auch bei räumlicher Distanz zwischen Zerspanwerkzeug und Laserfokus ausreichende Materialerwärmung zu realisieren. Im Wesentlichen zielen derartige Ansätze auf das Zeitspanvolumen und somit auf die Wirtschaftlichkeit ab. Zur Verwendung kommen i.d.R. fasergekoppelte Laser (Nd-Yag, Diode, Faserlaser), um eine vereinfachte Maschinenintegration zu ermöglichen. Exemplarische Prüfstandsaufbauten mit CO2 Lasern sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. [10] Die Kombination aus Diamantdrehen mit Laserunterstützung hat das US- amerikanische Unternehmen pLAM erstmals vorgestellt. Die Besonderheit des verwendeten Nd-Yag Lasers ist die hohe Transmission in dem Werkstoff Diamant, der als Schneidstoff des Drehmeißels dient. Der vorgestellte Bearbeitungskopf koppelt den fasergeführten Nd-Yag Laserstrahl in den Diamanten ein und führt die Strahlungsenergie an die Schnittkante des Diamanten. Eine gezielte Intensitätsverteilung ist somit nicht möglich, es prägt sich eine gemittelte nur bedingt beeinflussbare Intensitätsverteilung an der Diamantschneide aus. Direkt in der Zerspanzone kommt es zur Absorption an der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials. Für die Prozessfuhrung gemäß pLAM muss allerdings eine Absorption der Nd-Yag Strahlung (l=1064 nm) im zu bearbeitenden Material gegeben sein. Typische zu bearbeitende Materialien sind Infrarotkristalle (Germanium, Zink, Selenit) sowie in ersten Ansätzen Wolframkarbid. Diesen Materialien gemein ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass es zu einem schnellen effektiven Wärmeausgleich in der Schneidzone und zu keinen materialbeschädigenden Temperaturgradienten und somit induzierten Spannungen kommt.

[11] Der Werkstoff Glas vereint verschiedenartige Charakteristika, welche die jungen und wenig verbreiteten bestehenden technischen Lösungen aus der hybriden lasergestützten Zerspanung hochpräziser optischer Oberflächen nicht anwendbar machen.

[12] Für glasfasergekoppelte Laser, die sich effizient in Werkzeugmaschinen zur Zerspanung mit Werkzeugen geometrisch bestimmter Schneide integrieren lassen (vgl. pLAM Kopf), (Nd-Yag, Faserlaser, Diodenlaser, etc.) besteht eine zu geringe Absorption der Strahlung im Glas, so dass es folglich nicht zu einer entfestigenden Erwärmung an der Oberfläche kommen würde. Gängige Gläser für Anwendungen im sichtbaren Bereich (400nm < l < 800nm) weisen eine effiziente Absorption erst ab Laserwellenlängen > 6-8 pm auf. Folglich ist eine derartige Laserstrahlung nicht glasfasergängig.

[13] Bei der Absorption von Laserstrahlung in Glas bzw. Glaskeramik mit Wellenlängen > 6 pm kommt es weiterhin nicht zur Absorption an der Oberfläche (Absorptionszone im Bereich < 100 nm) mit nachgelagerter Temperaturverteilung durch materialcharakteristische Wärmeleitung in tiefere Materialbereiche, sondern die Absorption findet in einer ausgeprägten Randzone von bis zu 10 mpi statt. Es wird somit anders als beispielsweise bei Wolframcarbid nicht nur die Oberfläche sondern ein Volumen gleichzeitig durch den in das Glas eindringenden Laser erwärmt. Die Einbringung von Temperatur durch Laserstrahlung in Glas ist daher grundsätzlich unterschiedlich zu nicht transparenten Materialien mit Oberflächenabsorption.

[14] Für die Entfestigung eines hochfesten Materials zur Zerspanung mit Werkzeugen geometrisch bestimmter Schneide muss man materialcharakteristische Temperaturen überschreiten. Typischerweise liegen diese > 500 °C bis hin zu > 1000 °C. Für Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen (Formhaltigkeit < 5 pm) möchte man jedoch nur in einem minimalen lokalen Bereich unmittelbar an der Werkzeugschneide bzw. in der Zerspanzone das Temperaturaiveau überschreiten, um ansonsten auftretende temperaturbedingte globale Bauteilverformungen und somit hervorgerufene Ungenauigkeiten bei der Zerspanung zu verhindern. Bei der lokalen Erwärmung (Laserabsorption bzw. Fokusdurchmesser < 1 mm, vorzugsweise < 0,5 mm) von Material mittels Laserstrahlung ergeben sich folglich hohe Temperatur gradienten hin zum restlichen Bulkmaterial. Um durch hohe Temperaturgradienten keine Schädigung des Materials zu verursachen, sind die materialcharakteristischen Kennwerte der Wärmeleitung und der Wärmedehnung entscheidend.

[15] Die Wärmeleitung (W/mK) beschreibt, wie schnell sich ein bestehender Temperaturgradient im Material ausgleicht. Ist er zu hoch, können keine hohen lokalen Temperaturen aufgebaut werden. Ist er zu niedrig, entstehen Temperaturspitzen (hot spots). Eine moderate Wärmeleitung im Material begünstigt die lasergestützte Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, weil keine übermäßig steilen lokalen Temperaturgradienten auftreten können.

[16] Die Wärmedehnung beschreibt die mechanische Dehnung des Materials unter Temperatureinfluss (pm/mK). Hohe Werte in Kombination mit steilen Temperaturgradienten führen zu mechanischen Spannungen und möglichem Bruch im Material. [ 17] Neben der Charakteristik, dass die Wellenlängen gängiger fasergekoppelter Laser von optischen Gläsern und Glaskeramiken nicht absorbiert werden, sind die signifikanten Unterschiede von Wolframkarbid, Germanium, Quarzglas und NBK7 insbesondere in der Wärmeleitung extrem herausfordernd, um eine erfolgreiche, schädigungsfreie hybride Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide von Glas zu ermöglichen und mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen nicht realisierbar.

[18] Die vorliegende Erfindung beschreibt folglich eine Vorrichtung und ein Verfahren, um Gläser und Glaskeramiken mit geometrisch bestimmter Schneide und zusätzlicher Nutzung von Laserstrahlung in optischer Oberflächenqualität zerspanen zu können.

[19] Die Erfindung wird mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei der die Werkzeugschneide einen monokristallinen Diamant aufweist, die Vorrichtung eine Inertgaszu fuhrung zur Werkzeugschneide und eine Temperaturregeleinrichtung aufweist, um im Bearbeitungsbereich eine Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des Materials des Werkstücks und oberhalb des unteren Kühlpunktes des Materials des Werkstücks einzustellen.

[20] Verfahrensmäßig wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst, bei dem im Bearbeitungsbereich ein Schutzgas zu- gefuhrt wird und im Bearbeitungsbereich eine Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur T g des Werkstücks und oberhalb des unteren Kühlpunktes des Werkstücks eingestellt wird.

[21] Entgegen den ursprünglichen Erwartungen hat sich überraschend herausgestellt, dass die Kombination von monokristallinem Diamant als Werkzeugschneide, Inertgaszuführung und Temperaturregeleinrichtung es ermöglicht, ein Werkstück aus Glas oder Glaskeramik mit höchster Präzision zu drehen. Die Inertgaszuführung zur Werkzeugschneide sorgt dafür, dass das auch bei sehr hohen Temperaturen der monokristalline Diamant nicht oxidiert oder zu Grafit zerfällt.

[22] Dies ermöglicht es, dass in einem Bearbeitungsbereich, der den Laserfokus, das Bauteil und die Werkzeugschneide umgrenzt, eine sehr hohe Temperatur eingestellt werden kann, die bis in die Nähe der Übergangstemperatur T g des Werkstücks herangeführt werden kann.

[23] Bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur geht ein festes Glas in einen gummiartigen bis zähflüssigen Zustand über. Bei anorganisch-nichtmetallischen Gläsern spricht man von der Transformationstemperatur. Bei Temperaturschwankungen in einem Bereich oberhalb der Übergangstemperatur entstehen bei Abkühlung von diesen Temperaturspitzen Spannungen im Glas, die typischerweise schnell zu Bruch fuhren. Wenn das Glas oberhalb oder nahe der Übergangstemperatur bearbeitet wird, muss durch besonders langsames Abkühlen das Entstehen von Spannungen minimiert werden. Daher wird vorgeschlagen, die Temperaturen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unterhalb der Übergangstemperatur zu halten. Um das Glas jedoch besonders einfach bearbeiten zu können, wird vorgeschlagen das Glas innerhalb des Transformationsbereiches, dessen untere Grenze durch die untere Kühltemperatur beschreiben wird, zu bearbeiten. Diese Temperatur stellt die theoretische Maximaltemperatur für den Einsatz einer bestimmten Glasart dar. In der Praxis liegt diese Temperatur etwa 50 bis 100 °C unterhalb der Übergangstemperatur.

[24] In der Praxis wird das Werkstück in einem Temperaturfenster oberhalb des unteren Kühlpunktes des Materials des Werkstücks und unterhalb der Übergangstemperatur des Materials des Werkstücks eingestellt.

[25] Die Temperaturregelung ermöglicht es die Leistung des Lasers so zu variieren, dass im Bearbeitungsbereich eine möglichst konstante Temperatur vorliegt. Die Temperatur im Bearbeitungsbereich kann aber auch während der Bearbeitung verändert werden. wichtig ist die Regelung aus Temperaturmessung und Variation der Laserleistung, da auch eine konstante Laserleistung zu unterschiedlichen Temperaturen im Bearbeitungsbereich führen kann.

[26] Erfreulicherweise hat sich jedoch herausgestellt, dass sogar die für optisch funktionale Oberflächen geforderte Präzision und Wirtschaftlichkeit erreicht werden konn- ten, ohne dass das bearbeitete Material bricht, wegschmilzt oder der Diamant zu schnell verschleißt.

[27] Der Laserfokus kann dabei so eingestellt werden, dass das Material im Bearbeitungsbereich zunächst vorgewärmt, dann bearbeitet und schließlich abgekühlt wird. Dabei werden mit der Formgebung und der Intensitätsverteilung im Fokus die für den Vorgang optimalen Temperaturen eingestellt, um Spannungen im Material zu vermeiden und die Bearbeitung durch eine präzise Temperatur des Materials zu erleichtern. Die Inertgaszuführung ermöglicht es bei hohen Temperaturen zu arbeiten, ohne eine Beschädigung des Diamanten befürchten zu müssen.

[28] Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung als Präzisionseinrichtung ausgebildet ist, die die Temperatur auf +/- 100 K und vorzugsweise auf +/- 50 K genau einstellen kann, dabei wird die Temperatur immer auf einen speziellen Ort des Bearbeitungsbereichs bezogen.

[29] Um den Laserstrahl optimal zu fokussieren, wird eine Strahlfuhrung vorgeschlagen, die als Optik Umlenk- und Fokussierspiegel für den Laserstrahl aufweist.

[30] Kumulativ oder alternativ ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine transmissive Optik aufweist. Bei der Verwendung von C0 2 -Laserstrahlung (l=10,6 pm) lassen sich vorzugsweise Zink-Selenidlinsen (ZnSe) verwenden.

[31] Vorteilhaft ist, wenn die Einrichtung mindestens eine Optik mit Formflächenanteilen aufweist. Dies ermöglicht es, das Volumen möglichst anwendungsspezifisch mit möglichst geringem oder definiertem Temperaturgradienten zu erwärmen. Somit können deterministische Intensitäts- und somit Temperaturprofile in der Absorptionszone, die auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks liegt oder in einem Materialvolumen innerhalb des zu bearbeitenden Werkstücks einzustellen. Der Fokus des Laser kann somit im Bearbeitungsbereich beispielsweise eine ovale Form oder die Form eines Langlochs aufweisen, um das Werkstück in Längsrichtung des Fokus an einem Ende mit geringer Intensität vorzuheizen, im mittleren Bereich des Fokus mit der Schneide zu bearbeiten und am gegenüberliegenden Ende des Fokus mit geringerer Intensität abkühlen zu lassen.

[32] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung eine rotatorische oder translatorische Kinematik aufweist, um den Laserfokus während der Bearbeitung kontinuierlich oder diskret relativ zum Werkstück und insbesondere relativ zur lokalen Werkstücknormalen nachführen zu können.

[33] Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Vorrichtung mindestens eine Düse auf weist, um während der Bearbeitung auftretende Späne aus dem Laserfokus zu blasen. Über diese Düse kann auch ein Inertgas in den Bearbeitungsbereich geblasen werden, um einerseits Späne zu entfernen, andererseits im Bearbeitungsbereich eine Inertgasatmosphäre zu schaffen und vorzugsweise darüber hinaus im Bearbeitungsbereich die Bauteiloberfläche zu kühlen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur im Bearbeitungsbereich hochpräzise auf eine Temperatur +/- 100 K und vorzugsweise auf eine Temperatur +/- 50 K genau eingestellt wird.

[34] Weiterbildend wird daher vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Sensorik zur Messung der aktuell vorliegenden Temperatur im Bearbeitungsbereich aufweist. Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine passive oder aktive Kühlung aufweist. Dadurch können gezielt Temperaturdehnungen bedingt durch eine Absorption von Streustrahlung sowie Erwärmungen durch Streustrahlung und thermisch bedingte Verlagerungen des Werkzeugs minimiert werden.

[35] Besonders gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Laserstrahl eine Leistung von 10 bis 100 Watt und vorzugsweise von 20 bis 50 Watt aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn der Laserstrahl eine Wellenlänge > 6 pm aufweist.

[36] Verfahrensmäßig ist darauf zu achten, dass im Bearbeitungsbereich unterhalb der Übergangstemperatur T g gearbeitet wird.

[37] Um die Präzision der Bearbeitung zu optimieren, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Bereich des Werkstücks und vorzugsweise das ganze Werkstück in einem Raum mit einer Temperatur vorgeheizt wird, die während der Bearbeitung hochpräzise auf zumindest +/- 0,1 K gehalten wird.

[38] Vorteilhaft ist es auch, wenn die Oberfläche des Werkstücks vor der Bearbeitung bereits eine Formhaltigkeit von weniger als 50 pm und einer Rauigkeit von weniger als 100 Nanometer RA aufweist.

[39] Um bestmögliche Zerspanungsergebnisse zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass im Bearbeitungsbereich die Temperatur gemessen wird und auf Basis der ermittelten Temperatur die Laserleistung, die Laserfokuspositionierung und/oder die Laserfo- kussierung geregelt werden. Dabei kann die Temperatur online kontinuierlich gemessen werden und der Laser kann für einen langsamen Temperaturübergang defokussiert werden. Dadurch wird der Gradient verringert, wodurch Spannungen vermieden werden.

[40] Dies ermöglicht es, mit einer geometrisch bestimmten Schneide, vorzugsweise mit Naturdiamant, unter Entfestigung des Glaswerkstoffs durch Laserstrahlung mit Wellenlängen > 6 pm die Oberfläche präzise zu zerspanen.

[41] Vorteilhaft ist es, wenn ein Intensitätsprofil mit einem Freiformflächenanteil auf der Oberfläche eingestellt wird. Das Intensitätsprofil wird auf der Bauteiloberfläche oder in einem Absorptionsvolumen genutzt, um ein prozessoptimiertes Volumentemperaturprofil ohne materialschädigende Temperaturgradienten einzustellen.

[42] Das Zuführen von Schutzgas über eine Düse zum Bearbeitungsbereich dient dazu, lokal auf der Glasoberfläche über Konvektion zu kühlen, Wärmestaus im Material aufgrund schlechter Wärmeleitung zu verhindern, als Inertgas den Diamanten zu schützen oder um Oxidationsvorgänge zu vermeiden und Späne, welche Laserstrahlung absorbieren, aus dem Fokusbereich zu blasen.

[43] Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn das Werkstück aus Quarzglas hergestellt ist. Dies führt zu Übergangstemperaturen von 1100 bis 1080°C.

[44] Im Bearbeitungsbereich wird die Temperatur vorzugsweise koaxial zum Laserstrahl gemessen. [45] Da ein Diamant ein besonders guter Wärmeleiter ist, kann eine Korrelation zur Temperatur des Bearbeitungsbereichs auch am monokristallinen Diamanten berührend gemessen und für die Leistungsregelung des Lasers genutzt werden.

[46] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Laserfokus ultrapräzise in Bearbeitungsrichtung unmittelbar vor oder seitlich der Werkzeugschneide mit einer relativen Genauigkeit zwischen Werkzeugschneide und Laserfokus < 1 mm, vorzugsweise < 500 mhi positioniert wird.

[47] Insbesondere hierbei wird vorgeschlagen, dass mit der Präzisionseinrichtung zur hochpräzisen lokalen Erwärmung der Fokusdurchmesser im Bearbeitungsbereich auf < 500 pm und vorzugsweise < 200 mih eingestellt wird.

[48] Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 als schematische perspektivische Darstellung eine Vorrichtung mit einem Werkzeughalter und einer Werkzeugschneide,

Figur 2 den Eingriff einer Werkzeugschneide an einem Werkstück und

Figur 3 die Viskosität von Glas über der Temperatur.

[49] Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung zeigt einen Werkzeughalter 2, mit einer Werkzeugschneide 3. An dem Werkzeughalter 2 ist eine Einrichtung 4 angeordnet, die es ermöglicht einen Laserstrahl zu erzeugen, zu fuhren und zu fokussieren. Hierfür hat die Einrichtung 4, eine Einrichtung 5 zum Einkoppeln eines kollimierten Laserstrahls, eine Einrichtung 6 zur dichtroiden Auskopplung für koaxiale Messungen und eine Einrichtung 7 als Fokussieroptik für linear basierte Systeme, die auch als Freiformoptik ausgebildet sein kann. Die Einrichtung 4 weist darüber hinaus Umlenkeinrichtungen 8, 9 für ein linsenbasiertes System auf, die bei einem spiegelbasierten System als Strahlformoptik ausgebildet sind. Der Laserstrahl 10 wird mit dieser Einrichtung 4 auf einen Laserfokus 11 in einem Bearbeitungsbereich 12 des Werkstücks 13 fokussiert. [50] Die Werkzeugscheide 3 weist einen monokristallinen Diamant 14 auf, der im Bearbeitungsbereich 12 mit dem Werkstück 13 in Eingriff steht.

[51] Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 eine Inertgaszuführung 15 auf, die eine Düse 16 für die Zufuhr von Schutzgas zum Bearbeitungsbereich 12 und zur Werkzeugschneide 3 enthält.

[52] Letztlich weist die Vorrichtung 1 auch eine Temperaturregeleinrichtung 17 auf, die mit einer Temperaturmesseinrichtung 18 und/oder der Pyrometertemperaturmesseinrichtung 19 einerseits und andererseits mit der Einrichtung 4 zur Erzeugung des Laserstahls 10 in Verbindung steht.

[53] Die Temperaturmesseinrichtung 17 misst die Temperatur im Bearbeitungsbereich 12 indirekt über einen Sensor auf dem monokristallinen Diamant 14. Dies ist möglich, da der monokristalline Diamant 14 eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

[54] Die Temperatur im Bearbeitungsbereich 12 kann jedoch auch mittels der Einrichtung 19 direkt über ein Pyrometer oder eine Infrarotkamera erfolgen.

[55] Die in der Figur 2 schematisch gezeigten Komponenten sind in dem in der Figur 1 gezeigten Werkzeugkopf 20 angeordnet, der eine Schutzgasführung 21 aufweist und es ermöglicht, den Laserstrahl 10 in Werkzeugnähe im Bereich 22 auszukoppeln.

[56] Das Werkstück 13 besteht aus Glas oder Glaskeramik und es weist eine Oberfläche 23 auf, die mit dem monokristallinen Diamant in einem Drehprozess bearbeitet wird, um eine optisch fünktionale Oberfläche 24 herzu stellen. Hierzu wird mit dem Laserstrahl 10 der Bearbeitungsbereich 12 des Werkstücks 13 erwärmt. Dabei werden im Bearbeitungsbereich 12 mit der Einrichtung 15 ein Schutzgas zugeführt und eine Temperatur 25 gemessen, die so eingestellt wird, dass sie unterhalb der Übergangstemperatur Tg 26 des Werkstücks 13 und oberhalb des unteren Kühlpunktes 27 des Werkstücks 13 liegt. Der Arbeitsbereich 28 für das laserunterstützte Drehen von Werkstücken 13 aus Glas oder Keramik liegt somit zwischen dem oberen Kühlpunkt Tg 26 und dem unteren Kühlpunkt 27.

[57] Diese in der Figur 3 exemplarisch für ein Glas dargestellten Werte müssen bei der Durchführung des Verfahrens auf den jeweiligen Werkstoff des Werkstücks 13 abgestimmt sein. Hierfür sind aus dem Stand der Technik Kurven bekannt, die für spezielle Werkstoffe die Viskosität in log h in cLPas über der Temperatur in °C zeigen. In derartigen Darstellungen wird gezeigt, wie ein Material bei Steigerung der Temperatur aus dem Bereich Kühlen 29 über die Bereiche Sintern 30, Blasen 31, Pressen 32 bis zum Schmelzen 33 erhitzt werden kann.

[58] Die Umlenkoptik kann ein Umlenk- und Fokussierspiegel 8 und eine transmissi- ve Optik 9 aufweisen, wobei die Optik 7 Freiformflächenanteile aufweisen kann. Diese Optik kann eine rotatorische oder translatorische Kinematik 34 aufweisen, um den Laserfokus 11 während der Bearbeitung kontinuierlich oder diskret relativ zum Werkstück 13 nachzuführen. Die Einrichtungen 18 und 19 dienen als Sensorik zur Messung der aktuell vorliegenden Temperatur 25 im Bearbeitungsbereich 12.

[59] Zur Reduktion von Temperaturdehnungen bedingt durch Absorption von Streustrahlung kann eine passive oder aktive Kühlung 35 vorgesehen sein.