In situ Messmethode zur Optimierung von Laserpolituren

© TH Deggendorf; Aufbau zum experimentellen Nachweis

Die TH Deggendorf (THD) stellt ein neuartiges Verfahren zur Regelung von Fertigungsparametern für Laserpolierprozesse vor: C-Lasso (Control of LASer Surface Optimization. Es kann sowohl den Glättungsprozess als auch die Reduzierung von Oberflächenrissen (SSD) in situ überwachen. Dadurch ist es möglich, die optimale Verweilzeit für eine stabilere und kostenoptimierte Politur zu ermitteln.

Paper zum Download

Einleitung
Laserpolieren[1] zeichnet sich unter den verschiedenen Subapertur-Polierverfahren durch seinen skalierbaren, berührungslosen Polierspot, sowie durch das Fehlen eines festen Kontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück aus. Die Politur wird durch die lokale Absorption der Laserleistung innerhalb des Footprints erreicht, wodurch die Oberfläche und darin befindliche Risse (SSD) schmelzen. Durch das Fließen des Materials werden Rauheit und SSD vermindert.

Dabei ist die Einstellung von Prozessparametern ein Kompromiss. Eine Option ist kontinuierliche Bestrahlung bei niedriger Laserleistung. Dabei schmelzen Oberfläche und die oberflächennahen Bereiche schonend auf. Es besteht jedoch das Risiko einer gesteigerten Formabweichung und mittelfrequenter Fehler aufgrund von Materialfluß.

Alternativ kann eine gepulste Bearbeitung bei hoher Leistung durchgeführt werden, um Formänderung und mittelfrequente Fehler zu vermeiden. Aufgrund der hohen Temperaturgradienten können Oberflächenspannung und Tiefenrissen entstehen.

In beiden Fällen besteht die Gefahr, dass verdampftes Material kondensiert und den Laserprozess beeinträchtigt.

Im Folgenden wird ein neues Verfahren zur Regelung von Fertigungsparametern für Laserpolierprozesse mit dem Namen C-Lasso (Control of LASer Surface Optimization) vorgestellt, das die Messung und Regelung von optimalen, lokalen Verweilzeiten und Prozessparametern ermöglicht.

C-Lasso: Verweilzeitüberwachung
Das Funktionsprinzip von C-Lasso beruht auf einer Intensitätsmessung. Dabei wird ein Laserstrahl von unten in das Werkstück eingekoppelt und von der bearbeiteten Fläche reflektiert, während an derselben Flächen von außen Material durch Schleifen oder Polieren abgetragen wird. Durch die Messung der Intensität des reflektierten Laserstrahls werden Rückschlüsse auf die zeitliche Entwicklung der Oberflächenrauheit möglich, die zur Prozessüberwachung und Regelung in Echtzeit genutzt werden können.[2].

Durch den Einsatz dieses als iIRM [3] bezeichneten Verfahrens, können Polierzeit und -kosten optimiert werden. Außerdem kann der Einfluss sich ändernder Prozessparameter auf das erzeugte Oberflächenrauhigkeitsniveau lokal beobachtet werden, was die Bestimmung der optimalen Polierprozessparameter ermöglicht[4].

Die iIRM-Methode wurde weiterentwickelt (siehe Abb.1), um die Überwachung von Laserpolierprozessen zu ermöglichen. Ein HeNe-Laserstrahl wird aus dem Inneren der Probe an der zu prüfenden Oberfläche reflektiert und die Intensität des reflektierten Strahls gemessen. Die zu prüfende interne lokale Subaperturfläche wird so gewählt, dass sie sich genau an der Stelle befindet, an der der Laser von der Außenseite der Probe poliert. Da das Quarzglas die Strahlung des CO2-Lasers nicht transmittiert, beeinflusst die Laserpolitur die Intensitätsmessung des HeNe-Lasers nicht, so dass problemlos während der Politur in Situ gemessen werden kann.

C-Lasso (Control of LASer Surface Optimization) überwacht den Oberflächenglättungsprozess sowie die Reduzierung von SSD, und erlaubt Rückschlüsse auf den Einfluss der Bearbeitungsparameter (wie z.B. Verweilzeit und Laserleistung).

FazitEs hat sich gezeigt, dass es durch die Anwendung der C-Lasso-Methode möglich CO2 Laserpolierprozesse zu überwachen. So kann die minimal erforderliche Verweilzeit eines Polierspots bereits im Prozess ermittelt werden. Dies ermöglicht die Minimierung der Polierzeit und reduziert damit Risiken bzgl. Formabweichung, thermisch induzierter SSD und mittelfrequenter Fehler, sowie Verdampfung und Kondensation von Glaspartikeln.

Außerdem kann der Einfluss von Prozessparametern, wie z.B. der eingesetzten CO2-Laserleistung, auf die erzeugte Oberflächenrauheit in situ überwacht und ein optimaler Parametersatz ermittelt werden.

Autoren: Rolf Rascher1, Christian Vogt1 and Oliver Faehnle2

1 THD-Technische Hochschule Deggendorf, Germany, rolf.rascher@th-deg.de2 FISBA AG, Rorschacher 268, CH-9016 St.Gallen, Switzerland

[1] A. Richmann, E. Willenborg, and K. Wissenbach, "Laser Polishing of Fused Silica," in International Optical Design Conference and Optical Fabrication and Testing , OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), paper OTuC2.

[2] O. Faehnle, “Process optimization in optical fabrication”, SPIE Journal on Optical Engineering 0001;55(3):035106.  doi:10.1117/1.OE.55.3.035106., 2016

[3] O. Faehnle, F. Zygalsky, E. Langenbach, F. Weimer, M. Kahl and A. Ettemeyer, “In situ monitoring of surface roughness and contamination of polishing processes”, EOSMTOC conference on “Manufacturing and Testing of Optical Components “, European Optical Society (EOS), München, Germany, June 2015

[4] O.Fähnle, “In process monitoring of optics fabrication”, SPIE conference on “Precision Optics Manufacturing”, Deggendorf Institute of Technology, Deggendorf, Germany, April 2017

Paper zum Download