• Uni/Hochschule: ETH Zürich Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF)
  • Land: Schweiz
  • Autor(en): Maximilian Warhanek, Gregory Eberle, Christian Walter, Bruno Frei, Konrad Wegener
  • Artikel vom: 24 Februar 2015
  • Seitenaufrufe: 2774
  • Artikel Nummer: 051-010-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung
  • Schlüsselbegriffe: Diamant, EU, Graphitisierung, Laser, Ultrakurzpuls
  • DIPLAT – Entwicklung neuartiger Funktionalitäten von Diamant und anderen ultraharten Materialien durch integrierte Puls-Laser Abtrag-Technologie

    Konsortium

    Das DIPLAT Projektkonsortium besteht aus acht Partnern in fünf Europäischen Ländern. Mit der ETH Zürich und der University of Nottingham bringen zwei hochrangige akademische Forschungsinstitute ihre umfangreiche Erfahrung zu gepulster Laserbearbeitung und Werkzeugherstellung in dieses Projekt ein. Der Hersteller und Entwickler von industriellen ultraharten Materialien Element Six stellt massgeschneiderte Produkte für die unterschiedlichen Anwendungen im Projekt zur Verfügung. Die innovativen Technologieführer EWAG/Walter und Zeeko ermöglichen durch ihr umfassendes Knowhow in den Bereichen Werkzeugmaschinenbau und Steuerungstechnik die Umsetzung neuartiger, hochkomplexer Bearbeitungsprozesse. Diamoutils, Struers und Reishauer sind hochspezialisierte Werkzeughersteller. Als Anwender der neuen Technologie setzen sie wichtige Impulse für die Entwicklung industrieller Prozesse. Diese vielseitige Kombination von Forschungsinstituten und Industriefirmen konzentriert die Expertise aus allen notwendigen Bereichen für die Entwicklung der beschriebenen Konzepte von den wissenschaftlichen Grundlagen bis zur industriellen Verwirklichung dieser neuen Technologie.

    Projektziele

    DIPLAT strebt die Entwicklung einer integrierten PLA-Technologie zur Herstellung von Diamant- und cBN-Werkzeugen mit erweiterter Funktionalität für Hochleistungs- und Präzisionsbearbeitung an. Die erweiterte Funktionalität soll geringere Maschinenkräfte, höhere sowie homogenere Oberflächenqualität, robuste sowie vorhersagbare Werkzeugleistung und längere Standzeiten umfassen. Somit wird die Gesamtproduktivität der Produktionsprozesse gesteigert.

    Der Laserabtragsprozess wird zur Herstellung von speziell entwickelten Mikrogeometrien (Abbildung 2) auf der ultraharten Werkzeugoberfläche eingesetzt. Diese ermöglichen eine regelmäßige Verteilung, funktionsangepasste Form, uniforme Arbeitshöhe und hohe Dichte der Schneidkanten auf abrasiven Werkzeugbelägen. Die zur Herstellung dieser Mikrogeome-trien notwendige Flexibilität wird mit konventionellen Prozessen nicht erreicht. Der gepulste Laserabtrag hingegen weist einige entscheidende Vorteile auf: Die hohe Härte der Werkstoffe hat keinen Einfluss auf den Prozess. Die Vermeidung von Prozesskräften ermöglicht die Bearbeitung filigraner Werkstücke und eine höhere Präzision. Da das Werkzeug „Laser“ nicht verschleißt, sind die Bearbeitungsprozesse robuster und präziser. Der geringe Strahldurchmesser (ca. 35  µm) und die minimalen Trägheitseffekte bei der Strahlablenkung erlauben einzigartige geometrische Flexibilität. Abgesehen von den Werkzeugbearbeitungsaspekten liegt ein besonderer Fokus auf der Herstellung von komplexen dreidimensionalen Geometrien in ultraharten Materialien. Diese 3D-PLA-Technologie könnte auch bei anderen Applikationen wie zum Beispiel zur Herstellung von Diamant-Kühlkörpern, Diamant-Optiken, etc. zum Einsatz kommen.

    Industrielle Anwendungen

    Die Anwendungen der entwickelten Technologie gliedern sich in zwei Kategorien: Erstens, Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide für Bohr-, Fräs- und Polieranwendungen werden aus massiven Diamant- oder cBN-Rohlingen hergestellt. Die Werkzeuggeometrie wird vollständig durch den Laser-Prozess definiert (Abbildung 3). Zweitens, Werkzeuge mit geometrisch unbestimmter Schneide für Schleif- und Abrichtanwendungen werden aus Diamant/cBN Korn mit metallischem Binder hergestellt. In diesem Fall beschränkt sich der Laserprozess auf die Konditionierung (Strukturierung, Profilieren, Schärfen) des Abrasivbelags (Abbildung 4).

    Grundsätzlich wird dieselbe PLA-Technologie für beide Anwendungen eingesetzt. Die signifikanten Unterschiede der zwei Werkzeugkategorien erfordern jedoch stark abweichende Prozesse. Während die Bearbeitung von komplexen dreidimensionalen Geometrien in massivem Diamant/cBN besondere Herausforderungen zur Kombination der notwendigen Präzision mit verträglichen Prozesszeiten stellt, erfordert die stochastische Verteilung des Abrasivkorns auf Schleifwerkzeugen eine außerordentlich hohe Prozesskontrolle, um die gewünschten Konditioniereffekte zu erreichen.

    Einsatz ultrakurz gepulster Laserquellen zur Bearbeitung von Diamantwerkzeugen

    Abgesehen vom konventionellen Schleifprozess werden heute Funken-erosion (EDM – Electrical Discharge Machining) und Laser zur Bearbeitung von Diamant eingesetzt. Die Funkenerosion und die Laserbearbeitung mit Pulsdauern ab einer Nanosekunde sind grundsätzlich thermische Prozesse, die eine Graphitisierung des Diamantwerkstoffs zur Folge haben können. Graphitisierung bedeutet Transformation des Diamants in graphitische Kohlenstoffverbindungen. Diese sind als Trockenschmierstoff, aber nicht mehr als Schneidstoff zu gebrauchen. Da Kohlenstoff auch in reiner Form unterschiedliche Strukturen – Diamant, Graphit, Nanotubes etc. – annehmen kann, wird Raman-Spektroskopie eingesetzt, um diese zu unterscheiden und nachzuweisen. Dieses Verfahren untersucht die Interaktion von elektromagnetischen Wellen mit dem Kristallgitter durch Ausbildung von Phononen, d.h. von Schwingungen, die für das Kristallgitter typisch sind. Abbildung 5 zeigt Raman-Spektren von polykristallinem Diamant (PKD) nach der Bearbeitung mittels Funkenerosion und zweier unterschiedlicher Laserquellen mit verschiedenen Pulsdauern. Die Referenzmessung zeigt unbearbeiteten Diamant. Bei per Funkenerosion und Nanosekundenlaser bearbeiteten Proben zeigen die Ergebnisse deutliche Peaks im D- und G-Band. Letzteres deutet auf die Existenz von ungeordnetem Graphit hin. Das Spektrum der per Pikosekundenlaser bearbeiten Probe zeigt hingegen wie das der unbearbeiteten Probe einzig einen Peak im D-Band, welches Diamant anzeigt. Dies lässt den Schluss zu, dass die Graphitisierung bei geeigneten Bearbeitungsstrategien mit Pikosekundenlaserquellen vermieden und die vorteilhaften Eigenschaften des Diamantwerkstoffs erhalten werden können. Die Funkenerosion und die Laserbearbeitung mit höheren Pulsdauern können hingegen zu thermischen Schäden am Werkstück führen.

    Um das Ausmaß dieser Schädigung sichtbar zu machen, wird ein fokussierter Ionenstrahl (FIB – Focussed Ion Beam) zur Herstellung von Querschnitten senkrecht zur bearbeiteten Diamantoberfläche angewendet. Abbildung 7 zeigt einen Vergleich von auf diese Weise gewonnenen Proben. Die per Nanosekundenlaser bearbeitete Probe zeigt eine deutlich sichtbare Schicht amorphen Kohlenstoffs. Die funkenerodierte Probe weist aufgrund der turbulenten Strömungen des Dielektrikums während der Bearbeitung eine unregelmässige Schicht polykrist- allines Graphit auf. Außerdem ist eine starke Porosität des Bindematerials unter der Oberfläche zu sehen, was auch auf thermische Schädigung hindeutet. Auf der mit Pikosekundenlaser bearbeiteten Probe sind hingegen keine Hinweise auf thermische Schädigungen erkennbar. Die Bearbeitung von ultraharten Werkstoffen gelingt ohne Risseintrag in die Oberfläche.

    Danksagung

    DIPLAT ist ein 42-monatiges, durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördertes Forschungsprojekt. Es wurde im Januar 2013 unter der Leitung der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich in der Schweiz gestartet. Das Projekt markiert den Anfang einer neuen Produktionstechnologie und manifestiert damit die Marktführerschaft Europäischer Hochleistungs-Werkzeughersteller.
    Besonderer Dank für die Unterstützung dieser Arbeit gilt der Schweizer Kommission für Technologie und Innovation (KTI), der EWAG AG, der Gruppe Mikro- und Nanosysteme der ETH Zürich und Herrn Konstantins Jefimovs vom Institut EMPA.