Hybrid Laser-Polishing Process for Machining Silicon Carbide

Abstract

Silicon Carbide (SiC) is considered one of the best candidate materials for mirrors or structures for space optic applications because it has excellent mechanical and chemical properties, such as low density, high strength, low thermal expansion and superior chemical inertness. To fabricate optical elements, the work material needs to be polished and satisfy the requirements of accurate form and surface roughness at the same time. Given the micron-scale rate of material removal, however, the polishing is one of the most time-consuming processes. Furthermore, the extreme hardness and brittleness of SiC make it difficult and costly to fabricate for applications using conventional machining processes such as milling or turning.

There have been previous studies to investigate polishing SiC, including hybrid approaches of polishing SiC that employ external energy sources such as ultrasonic vibrations, magnetic fields or plasma. However, most of these efforts have been focused on roughness improvement. In contrast, improving the material removal rate (MRR) has not received much attention. Laser beams have frequently been adopted in hybrid manufacturing as the best assistive energy source to improve MRR. However, the laser beam has not yet been adopted as an assistive energy source for polishing.

A novel hybrid polishing process, namely laser assisted polishing (LaPol), was developed in this study to improve the MRR of polishing SiC, by combining a CO2 laser source with a conventional mechanical polishing process. For the first time a laser beam was synchronously irradiated through a rotating custom-made hybrid tool and focused onto the SiC surface during polishing in a water-based slurry environment. The effect of the resulting pre-cracked surface on material removal during the polishing of SiC was evaluated, along with characterization of the laser induced cracking, as well as the cracks lateral length, vertical depth, the crystalline structure and chemical composition, local hardness and roughness.

The results showed that the MRR of SiC polishing increased by 79% using the LaPol process on a pre-cracked SiC surface, with new crack opening. In comparison, during normal polishing of the pre-cracked SiC surface, the MRR increased by 45%, leaving no deterioration or alteration, as compared to the normal polishing process of an as-received SiC surface. It is expected that the proposed LaPol process and understanding of the material removal mechanism will help expand the hybrid machining field and increase the industrial applications of SiC.

실리콘 카바이드는 우주 광학 분야에서 거울 또는 그 구조체로 사용될 수 있는 가장 좋은 재료 중 하나이다. 그 이유는 재료 고유의 낮은 밀도, 높은 강성, 낮은 열팽창, 내화학성 등 우수한 기계적 물성 및 화학적 특성을 갖고 있기 때문이다. 광학부품을 만들기 위해서 재료는 폴리싱 공정을 거치면서 형상 정밀도와 표면 조도를 동시에 만족시켜야 한다. 그러나 오직 수 마이크로미터 수준의 재료 제거를 목표로 하는 폴리싱 공정은 시간이 가장 많이 소요되는 공정 중 하나이다. 뿐만 아니라, 재료 자체의 아주 높은 경도와 취성으로 인해, 실리콘 카바이드는 터닝 또는 밀링 공정과 같은 전통적인 방법으로는 가공이 매우 어렵고 비용이 많이 소비된다.

실리콘 카바이드의 표면 폴리싱에 대한 연구는 단순 기계적 폴리싱에서부터 플라즈마, 자기장 또는 초음파 등의 외부 보조 에너지원을 사용하는 하이브리드 폴리싱에 이르기까지 다양한 연구가 수행된 바 있다. 하지만 기존 연구의 대부분은 주로 표면 조도 향상을 목적으로 하고 있어, 폴리싱의 재료제거율 향상에 대한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 레이저는 하이브리드 가공에서 생산성 향상을 목적으로 자주 이용되는 외부 에너지원이지만, 폴리싱 공정에 보조 에너지원으로서 적용된 사례는 없다.

본 연구에서는 CO2 레이저와 슬러리 기반의 기계적 폴리싱 장치를 결합함으로써, 레이저 보조 폴리싱 (Laser assisted polishing, LaPol) 공정을 새롭게 개발하여 실리콘 카바이드의 폴리싱 생산성을 향상시키고자 한다. 레이저 빔은 자체 제작된 하이브리드 공구의 내부로 조사(照射)되어 재료 표면까지 집속 도달될 수 있으며, 공구의 회전과 동기화되어 조사될 수 있다. 재료 표면에 레이저 유도 미세 크랙을 생성하여 이 크랙이 이어지는 폴리싱 공정의 생산성에 미치는 영향에 대해 평가했다. 이를 위해, 출력에 따른 레이저 유도 미세 크랙의 길이와 깊이, 표면 경도 및 표면 거칠기가 평가되었으며, 더불어 레이저 조사 전/후의 결정 구조 변화 및 구성 원소 변화를 평가했다. 레이저 유도 미세 크랙을 생성한 후, 레이저 보조 폴리싱을 수행했을 때, 기존 폴리싱에 비해 재료제거율이 79% 향상되었으며, 레이저 유도 미세 크랙 생성 후 일반 기계적 폴리싱을 수행했을 때는 표면의 손상 없이 45%의 재료제거율 향상 효과를 얻었다. 본 연구에서 제안된 레이저 보조 폴리싱과 그 재료 제거 메커니즘은 다양한 하이브리드 가공 분야 및 실리콘 카바이드의 산업적 응용 분야 확장에 기여할 것으로 기대한다.