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  • Uni/Hochschule: Institut für Werkzeugforschung und Werkstoffe (IFW)
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Frank Zobel, Peter Dültgen, Christian Pelshenke, Helmut Brand, Richard Wloka, Christian Hennigs, Rabi Lahdo, André Springer, Stefan Kaierle, Michael Hustedt
  • Artikel vom: 04 Juli 2016
  • Seitenaufrufe: 1798
  • Artikel Nummer: 057-024-de
  • Kategorie(n): Zerspanen, Laserbearbeitung, Sägewerkzeug, Diamant-/diamantähnlich beschichtete Werkzeuge
  • Schlüsselbegriffe: Lasertechnologie
  • Laserbasiertes Kleben von diamant- bestückten Segmenten an Trennscheiben

    Mit den heutigen Klebstoffen können Verbindungen mit hohen Festigkeiten hergestellt werden, die mit geschweißten oder gelöteten Fügeverbindungen vergleichbar sind. Geklebte Diamant-Schleifsegmente an Trennscheiben halten den Belastungen bei der Gesteinsbearbeitung von Marmor und Granit stand. Durch die Entwicklung einer laserbasierten Fertigungskette sind Erst- und Wiederbestückung geklebter Trennscheiben wärmearm und reproduzierbar möglich.

    Laserschweißen oder Induktionslöten (Abb.1) zählen heutzutage zu den gängigen Verfahren zum Bestücken von Diamant-Schleifwerkzeugen [1]. Beide Fügeverfahren bringen viel Wärme in die Trennscheibe ein und führen so zu einer Gefügeänderung in der Wärmeeinflusszone, welche die Werkzeugeigenschaften nachteilig beeinflusst. Bei der Erstfertigung erhöht dies die Anzahl der Produktionsprozesse und erschwert die Wiederbestückung vor Ort. In beiden Fällen muss die Trennschleifscheibe durch einen nachfolgenden Prozessschritt mechanisch gespannt werden, um die geforderten Eigenschaften der Trennscheibe hinsichtlich Schnittqualität und Verschleiß zu gewährleisten [2]. Die Klebetechnik kommt, je nach verwendetem Klebstoff, ohne Wärmeeinwirkung aus oder benötigt geringe Temperaturen bis maximal 200 °C für den Fügeprozess. Die Klebetechnik eignet sich daher gut für die Erst- und Wiederbestückung von Trennschleifscheiben mit Diamant-Schleifsegmenten [3, 4], ohne das Gefüge im Bereich der Klebefuge thermisch zu ändern. Die Vorteile des Klebens können wie folgt zusammengefasst werden:

    • - kein thermischer Einfluss auf das Gefüge
    • - homogene Spannungsverteilung in der Fügezone
    • - hohe dynamische Festigkeit und Schwingungsdämpfung
    • - Fügen nicht löt- oder schweißbarer Werkstoffe
    • - geringer bzw. fehlender Verzug

    Neue Prozesskette

    Damit diese Klebstoffeigenschaften bei der Erst- und Wiederbestückung zur Verfügung stehen, wurde eine Prozesskette mit Hilfe der Lasertechnik entwickelt. Die Vorteile der Lasertechnik liegen in der gezielten Wärmeeinbringung zur Aufheizung von großvolumigen Körpern und in der zur Verfügung stehenden hohen Intensität zur Reinigung und klebgerechten Strukturierung der Oberfläche. Aufgrund der erwähnten Vorteile konnte eine laserbasierte Prozesskette zur Umsetzung der Erst- und Wiederbestückung die hierfür erforderlichen Teilprozesse Lösen der Segmente (1), Reinigen (2) und Strukturieren der Oberfläche (3) sowie Aushärten des Klebstoffs (4) entwickelt werden (Abb. 2) [5 - 8].

    Die Größe der Stammblätter wurde auf einen Durchmesser von 490 mm bei einer Dicke von 4 mm festgelegt. Bei dem Werkstoff des Stammblattes handelte es sich um den niedriglegierten Werkzeugstahl 1.2003 (75Cr1), bei dem eine Gefügeänderung oberhalb einer Temperatur von 210 °C auftritt, indem der Restaustenit in Carbid und Ferrit umgewandelt wird. Dagegen können die verwendeten Schleifsegmente (7 x 40 x 10mm3) aus einer Kobaltmatrix mit eingelagerten Industriediamanten mit deutlich höherer Temperatur, ohne das Gefüge zu beeinflussen, beaufschlagt werden. Als Klebstoff wurde ein warmaushärtender 1-Komponenten-Epoxidharzklebstoff verwendet. Diese Gruppe von Klebstoffen ist bei der Verklebung von Metallen weit verbreitet und besitzt eine hohe Scherfestigkeit. Derartige Klebstoffe härten bei Temperaturen zwischen 130 °C und 180 °C aus und zersetzen sich ab einer Temperatur von 290 °C (Abb. 2).

    1. Prozess: Lösen der abgenutzten Segmente

    Zum Lösen der Schleifsegmente wurden die Segmente von oben mit dem Laserstrahl bis zum Erreichen der Zersetzungstemperatur des Klebstoffs an der Kontaktfläche zwischen Segment und Klebstoff erwärmt. Um eine Beschädigung des Stammblatts in Form von Oberflächenaufschmelzung zu verhindern wurde ein defokussierter Laserstrahl mit einem Spotdurchmesser von etwa 6 mm eingesetzt, der über die gesamte Länge des Segments pendelte. Die Temperatur am Segment und am Stammblatt wurde mit einer Thermokamera überwacht. Als Laserstrahlquelle wurde ein Diodenlaser im cw-Betrieb eingesetzt.

    2. Prozess: Reinigung der Klebeflächen

    Bei der Reinigung wurde die Klebefläche durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahl bearbeitet. Damit wurden Verunreinigungen, Oxidschichten und im Falle einer Wiederbestückung Klebstoffreste entfernt, mit dem Ziel die Stammblattoberfläche durch den Wärmeeintrag nicht zu schädigen.

    Die Versuche wurden mit einem kurzgepulsten Lasersystem durchgeführt, der mit einer Pulsdauer von 110 ns, einem Pulsüberlapp von 50 % und verschiedenen Pulsfrequenzen und -spitzenleistungen betrieben wurde. Die Oberflächen wurden mehrfach mit dem Laserstrahl behandelt. Mehr als 20 Wiederholungen brachten keine weitere Reduzierung der Klebstoffreste. Eine vollständige Entfernung der Klebstoffreste wurde nicht erreicht, was aber auch nicht erforderlich war, wie die im Folgenden dargestellten Festigkeitsprüfungen zeigen.

    3. Prozess: Die Aktivierung und Strukturierung der Oberfläche

    Für diesen Teilprozess wurde zur Erhöhung Klebfestigkeit die Klebefläche auf der Seite des Stammblattes mit einem fokussierten, kurzgepulsten Laserstrahl strukturiert und aktiviert. Um den Einfluss der Strukturierung auf die Festigkeit der Klebeverbindung zu ermitteln, wurde eine gleichbleibende Pulsdauer von 110 ns und gemäß der in Tabelle 1 dargelegten Prozessparameter hinsichtlich des Pulsüberlapps, der Wiederholungen, der Pulsspitzenleistung sowie der Pulsfrequenz eingestellt (Parametersätze P4 – P6). Anschließend wurden die geklebten Proben im Zug- und Druckscherversuch charakterisiert (Tab. 1). Zusätzlich wurden diese laserbearbeiteten Proben mit sandgestrahlten Proben hinsichtlich der Scherfestigkeit verglichen. In Anlehnung an die Norm DIN EN 1465:2009 wurden für den Zugscherversuch Stammblatt-Stammblatt- Verbindungen im Überlappstoß mit einer Klebefläche von 40 x 7,8 mm2 und für die Druckscherversuch Stammblatt-Schleifsegment-Verbindungen im Stumpfstoß mit einer 40 x 4 mm2 hergestellt. In Abb. 3 sind die Ergebnisse der Zug- und Druckscherversuche in Abhängigkeit vom verwendeten Parametersatz und von der erzielbaren Rauheit der strukturierten Flächen dargestellt. Für den Druckscherversuch wurde der Parametersatz angewendet, mit dem die höchsten Festigkeitswerte im Zugscherversuch erreicht wurden (Parametersatz P5). Zudem wurde die Benetzbarkeit einer geschliffenen Oberfläche sowie der mit den Parametersätzen P4 und P5 strukturierten Oberflächen mittels einer speziellen Test-Tinte (hier mit einer Oberflächenspannung von 58 mN/m) charakterisiert.

    Die höchste Klebstofffestigkeit die 64N/mm2 entspricht, wurde bei Parametersatz P5 mit einem Rauheitswert von Rz = 6,5 μm erreicht. Ferner wurde bei höherer Rauheit von Rz = 26,4 μm eine Klebefestigkeit von 48 N/mm2 erzielt. Die geringste Klebefestigkeit von 30 N/mm2 wurde bei dem geringsten Rauheitswert von 4,9 μm ermittelt. Bei den sandgestrahlten Proben (Parametersatz P7) wurde eine Klebefestigkeit von 37 N/mm2 erreicht. Daran ist zu erkennen, dass zum Erreichen einer hohen Klebefestigkeit eine optimale Rauheit existiert. Die hohe Klebefestigkeit mit Parametersatz P5 im Vergleich zu Parametersatz P4 spiegelt sich auch darin wider, dass die strukturierte Oberfläche sich gut mit Test-Tinte benetzen lässt (Abb. 3, rechts). Im Druckscherversuch wurde im Vergleich mit dem Zugscherversuch eine höhere Klebefestigkeit von 63 N/mm2 erzielt. Der Grund ist darin zu finden, dass sich die effektive Klebefläche des Stammblattes vergrößert hat, indem bei den Proben für den Druckscherversuch der Klebstoff aus der Klebefuge floss und an den Seitenflanken anhaftete. Wird lediglich die Grundklebefläche von 40 x 4 mm2 betrachtet, indem herausgequollene Klebstoffreste mechanisch entfernt werden, so ergeben sich Klebefestigkeit Festigkeitswerte von ca. 50 N/mm2, die ebenfalls im Zugscherversuch erreicht wurden.

    4. Prozess: Aushärten des Klebstoffs

    Um eine Klebeverbindung zu erzeugen, wurden die Schleifsegmente mit einem Fügespalt von 0,2 mm auf ein Stammblatt aufgebracht. Wie zuvor beim Lösen wurde das Segment zum Aushärten des Klebstoffs von oben mit einem defokussierten Laserstrahl für 15 Minuten bei einer Aushärtetemperatur von 180 °C erwärmt (vgl. Abb. 2). Dabei wurde der Laserstrahl für eine gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Länge des Segments gependelt. Zur Einhaltung der Aushärtetemperatur über die Zeit und zur Gewährleistung einer möglichst schnellen Aufheizung der Klebeverbindung wurde die Laserleistung auf Basis der pyrometrisch am Segment gemessenen Temperatur geregelt. Bei diesem Aushärteprozess wurde eine Höchsttemperatur von 97°C gemessen. Derartige geringe thermische Belastung des Stammblattes führt zu keiner Gefügeveränderung.

    Mobile Wiederbestückung

    Neben der Entwicklung der laserbasierenden Prozesskette wurde eine mobile Vorrichtung zur Umsetzung der Prozesskette entwickelt, die eine Wiederbestückung vor Ort, beim Anwender, ermöglicht (Abb. 4a). Das Stammblatt wird dabei von Segment zu Segment gedreht, während mit dem Laserstrahl das Segment oder die Stammblattoberfläche behandelt wird. Bei dem Lösen und Kleben des Segments wird eine Halterung zur Fixierung eingesetzt. Die geklebten Trennschleifscheiben wurden auf einer Brückensäge einem Praxistest unterzogen. Dabei wurden die zu trennenden Materialen wie Gasbeton, Stein und Granit mit einer Umdrehungszahl von 618 min-1 bearbeitet (Abb. 4c). Um den “Worst-Case-Fall“ für ein Gesteinssägeblatt zu simulieren, wurde der Trockenschnitt gewählt. Der erste Schnitt diente dem Anritzen des Materials, um anschließend das Material mit Schritttiefen von 1, 2 und 3 mm sicher zu bearbeiten. Nach den Praxiseinsätzen wurde der Verschleiß an den Segmenten untersucht. Zu erkennen in Abb. 5 an der linken Seite ist, dass die Segmente nicht exakt parallel zum Stammblatt (Versatz um bis zu 0,2 mm) ausgerichtet und geklebt wurden. Auch wenn hier noch offensichtlich Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Ausrichtung der Segmente auf das Stammblatt besteht, so ist dennoch festzuhalten, dass die geklebten Segmente dem durchgeführten anspruchsvollen Versuchsprogramm standhielten. Dies gilt nicht nur für die Festigkeit der geklebten Segmente und der Standzeit der Werkzeuge, sondern auch für die Schnittqualität des Werkstücks.

    Zusammenfassung

    Mit der hier vorgestellten neuen laserbasierten Prozesskette konnte die Möglichkeit der wärmearmen Erst- und Wiederbestückung von Trennschleifscheiben mit geklebten Diamant-Schleifsegmenten erfolgreich demonstriert werden. Die praktische Nutzbarkeit der mit dem Verfahren erzeugten Klebeverbindungen wurde anhand des experimentellen Nachweises hinreichender Festigkeiten sowie durch einen Praxistest mit geklebten Trennschleifscheiben an Marmor und Granit bestätigt. Die mobile Wiederbestückungseinheit ermöglicht den Einsatz auch in rauen Umgebungen. Wenngleich die axiale Ausrichtung der Segmente noch zu optimieren ist, sind die Voraussetzungen für eine industrielle Umsetzung gegeben.

    Danksagung

    Das IGF-Vorhaben Laserlösen (17120N) der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. – FGW, Papenberger Str. 49, 42859 Remscheid wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken der AiF an dieser Stelle für die Unterstützung.

    Info

    Institut für Werkzeugforschung und Werkstoffe (IFW)
    Papenberger Straße 49
    42859 Remscheid
    Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
    +49 2191-5921-0
    www.fgw.de

    Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
    Hollerithallee 8
    30419 Hannover


    Quellen

    [1]
    Stahlhut, C.: Laserstrahllöten von Stahl und Hartmetall für zerspanende Werkzeuge mit definierter Schneide. Dissertation, Hannover, 2011
    [2]
    Münz, U.V.: Dynamisches Prüfen von Kreissägeblättern. In: Maschinenmarkt 103, Ausgabe 4 (1997), Seite 26 – 31
    [3]
    Hartwig, A., Gross, A.: The adhesively bonded car – safer, more economical, more comfortable. In: European Coatings Journal 11 (2007), Spl. Automotive, Seite 13 – 14
    [4]
    Stehr, G. C.: Entwicklung einer wärmearmen Fügetechnik für das Bewehren von Stammblättern mit Schneidsegmenten. Schlussbericht zum AiF-IGF-Vorhaben 12792 N, IFW, Remscheid, 2004
    [5]
    Hennigs, C. ; Lahdo, R.; Springer, A. et. al.: Kleben statt Löten. In: Werkstoffe in der Fertigung, Ausgabe 3 (2015), Seite 28 – 30
    [6]
    Dültgen, P.; Hustedt, M.: Lösen von geklebten Segmenten an Diamant- Schleifwerkzeugen und Aushärten der Klebezone bei der Neubewehrung mittels Laserstrahlung. Schlussbericht zum AiF-IGF-Vorhaben 17120 N, IFW/LZH, Remscheid/Hannover, 2015
    [7]
    Hennigs, C., Lahdo, R., Springer, A., Kaierle, S., Hustedt, M., Brand, H., Wloka, R., Zobel, F., Dültgen, P., Pelshenke, C., “Kleben statt Löten” Werkstoffe in der Fertigung 3/2015, 28-30 (2015)
    8]
    Hennigs, C., Lahdo, R., Springer, A., Hustedt, Kaierle, S., M., Brand, H., Zobel, F., Wloka, R., Dültgen, P., “ Neuer Prozess zum Bestücken von Diamant- Trennschleifscheiben: Schleifsegmente laserbasiert kleben” adhäsion – Kleben & Dichten 60(3/2016)

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