Hybrides Schleifen mit Laserunterstützung für duktile Bearbeitung sprödharter Werkstoffe

Erfindungsangebot

Die Präzisionsbearbeitung von sprödharten Werkstoffen wie Glas, Saphir oder Keramiken ist bisher durch niedrige Abtragsraten, kurze Werkzeugstandzeiten und den Übergang in sprödbruchdominiertes Materialverhalten limitiert. Obwohl Gläser makroskopisch kein duktiles Verhalten zeigen, können sie im Mikromaßstab duktil bearbeitet werden – sofern die Eingriffstiefe des Schleifkorns < 1 µm bleibt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges hybrides Schleifverfahren mit laserunterstützter Energieeinbringung, welches die Effizienz und Qualität der Bearbeitung sprödharter Werkstoffe signifikant steigert. Während konventionelles Schleifen von Gläsern, Saphir oder Keramiken durch sprödbruchdominierte Materialabtragung und damit verbundene Sub-Surface Damage begrenzt ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine duktil dominierte Spanbildung.

Das zugrunde liegende Prinzip basiert darauf, dass Gläser und kristalline Werkstoffe im Mikromaßstab durchaus ein gewisses duktiles Verhalten aufweisen. Wird die Eingriffstiefe eines Schleifkorns kleiner als 1 µm begrenzt, lässt sich ein duktiler Materialabtrag erreichen, ähnlich wie beim Schleifen metallischer Werkstoffe. Dieser Bereich ist in der konventionellen Fertigung jedoch energetisch schwer zugänglich und durch geringe Zeitspanungsvolumina gekennzeichnet.

Durch die gezielte zusätzliche Energieeinbringung mittels Laserstrahlung wird die kritische Rissbildungsschwelle im oberflächennahen Werkstoffvolumen abgesenkt. Die optische Eindringtiefe des Laserlichts beträgt dabei etwa 10 µm, sodass die plastische Verformbarkeit im Kontaktbereich zwischen Schleifkorn und Werkstoff gezielt erhöht wird. Dies führt dazu, dass die kritische Eingriffstiefe um den Faktor 3 bis 5 gesteigert werden kann. Entsprechend erhöht sich das bezogene Zeitspanungsvolumen um denselben Faktor, wodurch Bearbeitungsprozesse deutlich effizienter gestaltet werden können.

 Lösung
Das durch die Antragsteller zum Patent eingereichte Verfahren kombiniert Schleifbearbeitung mit laserbasierter Energieeinbringung:

Absenkung der kritischen Rissbildungsschwelle,

• gezielte Laser-Vorwärmung des Volumens bis ca. 10 µm Tiefe,
• Erhöhung der kritischen Eingriffstiefe um den Faktor 3–5,
• Steigerung des Zeitspanungsvolumens und deutliche Verkürzung der Bearbeitungszeit.

Damit wird erstmals ein industrietaugliches duktiles Schleifen für optische Gläser und andere hartspröde Werkstoffe möglich.

Vorteile und Einsatzfelder
Mit dieser hybriden Verfahrensweise wird nicht nur eine erhebliche Verkürzung der Bearbeitungszeiten erreicht, sondern auch eine Verbesserung der Oberflächenqualität durch reduzierte Sub-Surface Damage und eine deutliche Verlängerung der Werkzeugstandzeiten. Das Verfahren eröffnet zudem neue Möglichkeiten zur Herstellung multifunktionaler und monolithischer optischer Bauelemente, die bislang aufgrund der Grenzen rein mechanischer Verfahren nicht realisierbar waren.

Entwicklungsstand & Schutzrechte

• Vorversuche zur Machbarkeit im Laborstadium 
• Deutsche Patentanmeldung 
• Erfinder:  Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner (EAH Jena, Team AG Bliedtner, Dr. O. Fähnle (Pandao GmbH)