Diamant –  Der Schneidstoff für  Verbundwerkstoffe
  • Firma: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
  • Land: Deutschland
  • Artikel vom: 23 März 2015
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  • Artikel Nummer: 052-006-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN
  • Diamant – Der Schneidstoff für Verbundwerkstoffe

    Weiterentwicklungen in der Technik, insbesondere der Leichtbau in nahezu allen Bereichen, wie beispielsweise in der Automobil- oder Luftfahrtbranche und im allgemeinen Maschinenbau, erfordern den Einsatz von Verbundwerkstoffen. Der Verbundwerkstoff besteht aus mehreren, mit unterschiedlichen Materialeigenschaften verbunden Materialien. Je nach Belastungs- oder Einsatzfall werden diese Verbundwerkstoffe zusammengesetzt. Sandwichbauweisen aus unterschiedlichsten Materialien erlauben komplizierteste Konstruktionen mit vielfältigen maßgeschneiderten Anwendungsmöglichkeiten.

    Grundlagen

    Verbundwerkstoffe sind im eigentlichen Sinne Konstruktionen. Kupferlagen für Leiterbahnfunktionen oder Titaneinlagen zur Erhöhung der Stabilität sind nur die einfachsten Beispiele. Die Zerspanbarkeit ist bei allen Verbundwerkstoffen anders zu bewerten, was eine Einteilung in Zerspanungsklassen, wie sie bei den Stählen üblich ist, nahezu unmöglich macht.

    Um eine Übersicht zu bekommen, können Verbundwerkstoffe grob in drei Hauptgruppen eingeteilt werden:

    • Schichtverbundwerkstoffe wie beispielsweise Sperrholzplatten
    • Teilchenverbundwerkstoffe wie Spanplatten
    • Faserverbundwerkstoffe

    Bei letzteren wird unterschieden zwischen Metall Matrix Verbundwerkstoffen MMC, Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen FKV und den Faser Keramik Verbunden, Ceramic Matrix Composites CMC.

    Die wichtigste Gruppe stellen hierbei die FKV Materialien dar. In dieser Gruppe bietet der allen bekannte und überwiegend im Flugzeugbau verwendete Carbon Faser verstärkter Kunststoff, CFK, das breiteste Anwendungsfeld.
    Häufig für den Bootsbau verwendet wird das FKV Material als Glasfaser verstärkter Kunststoff GFK. Werden Bauteile mit extrem hoher Festigkeit und Schlagzähigkeit gebraucht, kommt Aramid oder Kevlar als Aramid Faser verstärkter Kunststoff AFK zum Einsatz. Hochleistungs-Verbundwerkstoffe sind moderne Leichtbauwerkstoffe mit einem hohen Innovationspotenzial. Durch gezielte Kombination verschiedener Faser- und Matrix-Materialien und die Verwendung spezieller Verstärkungsarchitekturen können Produkte mit höchster Festigkeit für die unterschiedlichsten Anforderungsprofile maßgeschneidert konstruiert werden.

    Herausforderung bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen

    Bei der spanenden Bearbeitung von Verbundwerkstoffen wie CFK und GFK ist in der Regel die Bearbeitungssituation durch die heterogenen Eigenschaften des Werkstückstoffes unklar. Verbundwerkstoffe bestehen aus einem Matrixmaterial, welches durch Glas- oder Kohlefasern verstärkt wird. Je nach Anwendung kommen hochfeste Fasern in allen erdenklichen Ausführungen zum Einsatz. Die Faserorientierungen richten sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall des Endproduktes. Werden diese Fasern geschnitten, kommt es nahezu unkontrolliert zu parallelem oder senkrechtem Faserschnitt.

    Werkstückbeschädigungen wie Ausfransungen, Delaminationen und Faserbruch sind die Folge. Insbesondere hochfeste Fasern führen zu starkem abrasivem Verschleiß, welcher den Einsatz von hochharten Schneidstoffen erfordert. Die Bindermaterialien der Verbundwerkstoffe sind wenig temperaturstabil und setzen häufig die Grenzen bei der Schnittgeschwindigkeit, um thermische Beschädigungen zu vermeiden. Die Kombination der Verbundmaterialien kann chemische Reaktionen mit dem Schneidstoff hervorrufen. Kriterien, wie die Definition der Bauteilqualität durch die Vorgabe von Oberflächengüten und Richtlinien beim Emissionsschutz, sind weitgehend nicht definiert.

    Die heterogenen Eigenschaften und schwierigen Bedingungen bei der Zerspanung von Verbundwerkstoffen erfordern nahezu die komplette Bandbreite an Schneidstoffen. Werden scharfe Schneiden mit hoher Härte gebraucht, um die Fasern zu schneiden, kommen CVD Diamant und PKD bestückte Werkzeuge zum Einsatz. Die Formgebung bei bestückten Werkzeugen ist, insbesondere bei komplexen Werkstückkonturen, jedoch eingeschränkt. In einigen Fällen erfordern bereits geometrische Anforderungen den Einsatz von Hartmetall. Hartmetall kann, um abrasivem Verschleiß entgegen zu wirken, mit einer entsprechenden Diamantschicht versehen werden. Eine allgemein gültige Standardlösung für die Zerspanung von Verbundwerkstoffen kann es nicht geben.

    HORN Werkzeuge zeigen Lösungen

    Beim Verbundwerkstoffspezialisten CirComp GmbH in Kaiserslautern werden seit einigen Monaten rotationssymmetrische Bauteile, wie zum Beispiel Rohre, Stützstreben, Masten oder Gleitlager aus Hochleistungs-Verbundwerkstoffen, mit CVD Dickschicht-Diamant-Schneideinsätzen von Horn spanend überdreht. Bisher waren PVD Schneiden der Stand der Technik bei der Bearbeitung von Faserverbundstoffen wie CFK oder GFK. Doch die neuen innovativen CVD-Schneiden schlagen mit ihren überragenden Eigenschaften die Zerspanungsergebnisse der PKD Schneiden um Längen.

    Fasern schneiden statt brechen

    Verbundwerkstoffe besitzen vielfältige Faser-Matrixkombinationen. Das Schneiden der Fasern ist wie ein, mikroskopisch gesehen, extremer unterbrochener Schnitt im Mikrosekundentakt mit ständig wechselnden Schnittwinkeln durch die hochfesten Fasern: längs, quer, schräg, bei jeder Lage anders. Die neuen Schneidplatten von Horn, mit im Spezialverfahren aufgelöteten CVD Dickschicht-Diamant-Schneiden haben die Standzeiten der Werkzeuge um das bis zu 5- bis 6-fache gegenüber den PKD Schneiden gesteigert. Dafür gibt es gleich mehrere Gründe: Der CVD Diamant-Schneidstoff ist zu 99,9 % reiner Diamant aus homogenen Kristallen von 20 bis 25 µm.
    PKD dagegen ist eine Mischung aus Diamant und Binder mit in der Regel etwas über 80  % Diamantanteil. Dadurch besitzt der CVD Diamant auch eine weitaus höhere Härte als PKD und ist sogar teilweise härter als ein Naturdiamant. Die Schneidkante wird präzisionsgelasert mit einer Kantenverrundung, besser benannt Kantenschärfe, von 1 bis 2 µm. Beim Lasern werden dabei die einzelnen Kristalle zerschnitten und nicht herausgebrochen wie beim Schleifen. Damit sind CVD Schneiden mindestens zehnmal schärfer als PKD Schneiden. Auch können unterschiedlichste Spanleitstufen mittels Laser exakt in die Schneide eingebracht werden.

    Hohe Prozesssicherheit und Standzeit

    Die Schärfe der Schneidkante in Verbindung mit der höheren Härte und Zähigkeit des monolithischen und feinkristallinen CVD ist entscheidend für die hohe Standzeit und Schneidleistung der CVD Diamant-Schneiden. Da also die scharfe CVD Schneide die Fasern schneidet, statt sie zu brechen wie PVD, ist der erosive Verschleiß logischerweise viel geringer. Und wenn Verschleiß bei der CVD Schneide eintritt, dann ist es meist Freiflächenverschleiß, der die Schneidkante mit oder ohne Spanleitstufe sogar immer wieder bis zu einer gewissen Grenze nachschärft. Diamant ist auch einer der besten Wärmeleiter, daher wird punktueller Wärmeeintrag an der Schneidkante sofort abgeleitet, ohne sie zu überhitzen.

    Als Grunderkenntnis des erfolgreichen Einsatzes bei CirComp mit dem hoch innovativen Schneidstoff CVD Diamant hat sich herausgestellt, dass ein positiver Spanwinkel die beste Lösung ist bei universeller Anwendung in der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen. Er erzielte die besten Ergebnisse bei Kombination von Schruppen und Schlichten, vor allem bei hoher Zustellrate und wechselnder Spandicke zum Beispiel beim ersten Schruppschnitt. Die Schneiden mit 3D-Spanleitstufe sorgen beim Schlichten für beste Oberflächengüten bei hoher Standzeit.

    Quelle: Institut für Werkzeugmaschinen Universität Stuttgart, Tagungsband 2011

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