• Artikel vom: 07 Januar 2013
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Werkzeuge nach Schneidstoffen, Diamant-/diamantähnlich beschichtete Werkzeuge
  • Schlüsselbegriffe: CFK, CVD Diamant
  • Kleinste Durchmesser prozesssicher beschichten: CFK und Graphit mit Multilayern bezwingen

    Faserverstärkte Kunststoffe, Aluminium-Silizium-Legierungen oder das im Formenbau beliebte Graphit – in Zerspanoperationen mit solchen Werkstoffen ist eine wirtschaftliche Bearbeitung oftmals nur mit diamantbeschichteten Bohrern oder Fräsern möglich. Das etablierte CVD-(Chemical Vapor Deposition)-Verfahren scheidet kristalline und nanokristalline sowie Multilayer Diamantschichten auf nahezu sämtliche Geometrien – auch kleinster Durchmesser – ab. Die Cemecon AG aus Würselen bietet dazu den entsprechenden Service, inklusive Know-how sowie Technologie.

    Miniaturisierung ist weit mehr als ein Trend und hält in den unterschiedlichsten Branchen Einzug: Nicht mehr nur die Bauteile in Mobiltelefonen oder anderen technischen Errungenschaften schrumpfen, auch die Komponenten in der Medizintechnik oder der Fahrzeugelektronik werden kleiner. Zu ihrer Herstellung werden immer neue Verfahren entwickelt. Doch ohne das „klassische“ Bohren, Fräsen und Drehen geht auch dort nicht viel. Allerdings benötigt der Zerspaner entsprechende Werkzeuge mit nur wenigen Millimeter oder gar Zehntel Millimeter Durchmesser. Bei Bedarf sind diese Werkzeuge sogar mit Kühlkanälen versehen und bohren oder fräsen prozesssicher härteste oder abrasivste Materialien. Um in diese kleinen Dimensionen vorzustoßen, sind spezielle Werkzeuggeometrien ebenso wie entsprechende Beschichtungslösungen gefragt. Die Beschichtung muss nicht nur ultradünn sein, sondern auch äußerst langlebig und dabei so glatt wie möglich sein – in vielen Anwendungen ist das ein Fall für Diamantbeschichtungen.
    Schon seit Ende der 1980er Jahre können Diamantschichten mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) wirtschaftlich hergestellt werden. Dabei zeigt der CVD-Diamant ähnlich gute physikalische und chemische Eigenschaften wie der Naturdiamant. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die große Härte, die hohe chemische Resistenz und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials. „CVD-Diamantbeschichtungen haben sich mittlerweile in vielen Gebieten der Technik durchgesetzt und sind damit schon lange kein Nischenprodukt mehr“, so Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei Cemecon. Diamantbeschichtete Fräser und Bohrer sind deutlich leistungsfähiger als unbeschichtete Werkzeuge und glänzen mit einer enormen Standzeit. Gerade im Miniaturbereich müssen aber sehr kleine und feine Geometrien eingehalten werden. Die Beschichtung darf die Funktion nicht beeinträchtigen. „Daher dürfen gerade in der Feinst- und Mikrobearbeitung die Schichten nicht zu dick sein, bei Diamantbeschichtungen sind Dicken von 2 µm möglich. Die Konturtreue und somit die Schärfe der Schneide muss erhalten bleiben“, so Manfred Weigand. Unter Mikrozerspanung wird im Allgemeinen der Arbeitsbereich ≤ 1 mm verstanden. Für diese Aufgaben bieten einige spezialisierte Unternehmen Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeuge mit einem Durchmesser ab extrem geringen 0,01 mm an. Um derartige Präzisionswerkzeuge herstellen zu können, bedarf es einer genauen Abstimmung zwischen Hartmetall, Geometrie und Beschichtung. Als Substrat für Mikrowerkzeuge und ihre feinen Geometrien eignen sich meist nur hochwertige Ultra-Feinstkorn-Hartmetallsorten mit Korngrößen von 0,2 µm und bis zu 0,8 µm. Für die Geometrie mit Span-, Frei- und Keilwinkel sorgt ein präziser Schleifprozess. So sind besonders kleine und reproduzierbare Eckenradien möglich. Je nach Größe der Kristallite werden Beschichtungen in kristalline und nanokristalline (glatte) Schichten unterteilt. Durch abwechselndes Aufwachsen von kristallinen und nanokristallinen Schichten können Multilayer mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Voraussetzung für eine hohe Schichtqualität und eine gute Haftung der Diamantschicht auf dem Substrat, ist neben der Prozessführung auch die richtige Vorbehandlung des Substrats.

    Multilayer erfolgreich in Graphit

    Diamantbeschichtete Werkzeuge sind besonders oft bei der Bearbeitung des sehr abrasiven Graphit im Einsatz. „Dieser Werkstoff wird immer häufiger im Formenbau eingesetzt und sticht dort mittlerweile zunehmend das bisher favorisierte Kupfer aus. Während in Europa mehr als 50 Prozent aller Elektroden aus Graphit hergestellt werden, sind es beispielsweise in China nur etwa 10 Prozent, Tendenz steigend. Mit Graphit lassen sich sehr feine Strukturen abbilden, gleichzeitig ist das Material aber so abrasiv, dass es den eingesetzten Werkzeugen in puncto Verschleiß ganz schön zusetzt.“, erläutert Manfred Weigand. Um die feinen Konturen und immer enger werdenden Toleranzen einzuhalten, werden in der Graphitbearbeitung zunehmend Werkzeuge mit kleinen Durchmessern ab 0,1 Millimeter eingesetzt. Multilayer-Diamantbeschichtungen zeigen dort gegenüber kristallinen Lösungen enorme Vorteile, etwa bessere Oberflächengüten und längere Standzeiten. Um sämtliche Kriterien für entsprechende Fräserlösungen zu erfüllen, entwickelten die Ingenieure der Cemecon AG den Schichtwerkstoff CCDia Carbonspeed. Er ist besonders verschleißresistent, da die Multilayer-Diamantbeschichtung „rissstoppende“ Eigenschaften besitzt: Während bei kristallinen oder nanokristallinen Beschichtungen ein im Bearbeitungsprozess entstehender Riss entlang der Kristallgrenzen schnell bis zum Substrat hinunter reicht, – was dann rasch zum Totalausfall des Werkzeugs führt – vermindert CCDia Carbonspeed aufgrund seines speziellen Gefüges die Gefahr solcher Beschädigungen.
    Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind im Leichtbau auf dem Vormarsch, ihre Bearbeitung ist jedoch alles andere als leicht: Die miteinander verbundenen Materialien sind stark abrasiv und weisen als Matrix bzw. Fasern unterschiedlichste Eigenschaften auf. Manfred Weigand: „Die harten Kohlenstofffasern, die man für eine hohe Zugfestigkeit braucht, verursachen bei der spanenden Bearbeitung einen extrem starken Abrasionsverschleiß – da helfen nur Schneidstoffe bzw. Beschichtungen höchster Härte und Glätte.“ Für solche Aufgaben kommen zum Beispiel VHM-Bohrer in verschiedenen Durchmessern von mini bis maxi infrage, deren Hartmetalle und Geometrien genau den Anforderungen angepasst sind. Nicht weniger wichtig ist dabei die richtige Beschichtung. Aktuelle CemeCon-Diamant-Multilayer der CCDia-Reihe bieten Beschichtungslösungen, mit denen sich diese höchst kritischen Auflagen erfüllen lassen: Die Multilayer verbinden die Vorteile kristalliner Schichten, nämlich die exzellente Haftung, mit denen nanokristalliner Schichtkonstruktionen, nämlich sehr glatten Oberflächen. Das resultiert in sauberen Schnitten auch in abrasivem CFK, verlängert die Standzeiten der beschichteten Werkzeuge und reduziert somit kostentreibende Wechsel. Damit sind die Diamant-Multilayer der CCDia-Reihe prädestiniert zur Bearbeitung von CFK und anderen Verbund- und Sandwichwerkstoffen, die einerseits sehr abrasiv sind, andererseits aber auch zum Kleben oder zu Aufschmierungen neigen. Bei der Werkzeugkonstruktion bieten die Multilayer jegliche geometrische Gestaltungsfreiheit. Im Einsatz schützt diese Art des Schichtaufbaus das Hartmetall-Werkzeug besser vor Wärmeeintrag als Monolayer-Diamant-Schichtwerkstoffe. Optimale Schichtspannungsverhältnisse zählen neben der extremen Härte zu den weiteren Vorteilen, die den mit Multilayer-Diamant beschichteten Werkzeugen eine hohe Lebensdauer sichern.

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