Autorin
Kerstin Hecht

Betreuende Hochschulen
Technische Universität Ilmenau, Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. oec. Dagmar Hülsenberg
Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena, Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner

Zusammenfassung

Das Ziel der Laserstrahlpolitur (LSP) ist die gleichmäßige und formerhaltende Glättung des Rauheitsprofils einer Quarzglasoberfläche in kürzester Zeit. Die Laserstrahlung wirkt dabei unabhängig von der Geometrie der zu polierenden Oberfläche in der Art eines schnellen Subaperturwerkzeuges. Die Untersuchungen der Prozesseinflussgrößen, der Wechselwirkungen zwischen Laserstrahlung und Quarzglas sowie die Auswertung der Ergebnisse hinsichtlich Oberflächenqualität, der Beeinflussung von Spannungen und mechanischen Eigenschaften, unterstützen die Entwicklung eines industriell einsetzbaren Laserstrahlpolierverfahrens.

An die Einführung schließen sich Darstellungen zum Verständnis wichtiger Grundlagen an. Darin enthalten sind das Funktionsprinzip der LSP, Aufbau und Eigenschaften der verwendeten Laseranlagen sowie Werkstoffeigenschaften und prozessrelevantes Verhalten des verwendeten Quarzglases. Eine Simulation der LSP sowie Betrachtungen zu Viskosität, Oberflächen­spannung und Materialabtrag runden diese ab.

Im Hauptteil der Untersuchungen werden Proben unterschiedlich spanend vorbearbeitet und mittels Laserstrahlung poliert. Die Planung, Durchführung und Auswertung der Experimente erfolgt unter Anwendung statistischer Methoden. Diese zeigen u. a. dass für die Laserstrahlpolitur die Leistung und ihre Einwirkdauer von größter Bedeutung sind. Die Temperatur, als wichtigste Einflussgröße des Prozesses, wird während der Politur punkt- bzw. linienförmig mittels Pyrometer und z. T. mittels Wärmebildkamera überwacht. In einem Temperaturbereich

von 1900…2100 °C wird eine Politur ohne signifikanten Materialabtrag erreicht. Messungen am Tastschnittmessgerät (2D und 3D) zeigen, dass die Oberflächenausgangsrauheit Ra von 0,1…0,4 µm durch die LSP auf 4…10 nm reduziert werden kann. Zur Bewertung der Oberflächen werden AFM-, REM- und EDX-Analysen, Härte- und Biegebruchfestigkeitsuntersuchungen sowie Spannungsmessungen durchgeführt. Es zeigt sich u. a., dass die LSP die Form der Oberflächen nicht verändert aber ein geeigneter Kühlprozess zum Spannungsabbau notwendig sein kann. Im Gegensatz zur mechanischen Vergleichspolitur mit einer Polierrate von 228 s/cm² können Quarzglasoberflächen jetzt in 4,8 s/cm² bearbeitet werden.

Zur Erweiterung der Anwendungsbreite der LSP wird zusätzlich ein Piezo-Scanner entwickelt, gefertigt und in den Testbetrieb überführt, der die Politur von 2½D‑Konturen auf Quarzglasoberflächen ermöglicht.

Die Arbeit schließt mit Applikationsbeispielen ab, die u.a. eine erfolgreiche Fertigung und LSP von Werkzeugformeinsätzen zum Kunststoffspritzgießen für ein industrienahes Forschungsprojekt enthalten.

Die Einsatzgebiete des Verfahrens liegen insbesondere beim Polieren von 2D- und 2½D‑Bauteilen, Werkzeugformeinsätzen für die Kunststoffverarbeitung und auch in Teilbereichen optischer Komponenten.

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