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  • Uni/Hochschule: ETH Zürich – Institut für Werkzeug- maschinen und Fertigung (IWF)
  • Land: Schweiz
  • Autor(en): Josquin Pfaff, Maximilain Warhanek, Paul Butler-Smith, Konrad Wegener
  • Artikel vom: 04 Juli 2016
  • Seitenaufrufe: 3667
  • Artikel Nummer: 057-010-de
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung, Fräswerkzeug, Abrichten, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung, Bohrwerkzeug
  • DIPLAT: Ultrakurzpulslaserbearbeitung von Diamantwerkzeugen

    Neben der klassischen Synthese bei hohem Druck und hoher Temperatur hat sich die Abscheidung von polykristallinem CVD-Dickschichtdiamant oder monokristallinem Diamant (MKD) aus der Gasphase als Herstellungsverfahren bereits seit Jahren fest etabliert. Ein neues Konzept verbindet die Skalierungsvorteile der Gasphasenabscheidung mit dem Einkristallwachstum und ermöglicht so erstmals MKD von exzellenter Homogenität für Schneidkanten mit Längen von über 20 mm. Wichtige Eigenschaften der Kristalle wie Transparenz oder elektrische Leitfähigkeit lassen sich über weite Bereiche kontrolliert einstellen.

    Im Rahmen des Projekts DIPLAT, welches von der EU im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7) gefördert wird, wird eine umfassende Technologieplattform für innovative 3D Kurzpulslaserprozesse für die Herstellung von Werkzeugen mit hoher Wertschöpfung entwickelt. Das Projekt wird im Juli dieses Jahres abgeschlossen und blickt auf drei Jahre erfolgreiche Kooperation zwischen zwei Universitäten und sechs Industrieunternehmen zurück. DIPLAT leistet einen massgeblichen Beitrag zur Ausnutzung des Potenzials von Diamant als Werkzeugmaterial und zur Industrialisierung der Kurzpulslasertechnik.

    Technologie: Kurzpulslaserablation

    Laserablation ist ein Materialabtragmechanismus bei dem Material durch Einstrahlung von Laserlicht mit hoher Intensität verdampft wird [1]. Dies wird durch Anregung der molekularen Gitterstruktur und freien Elektronen durch Absorption der Energie des Laserlichts erreicht. Bei herkömmlichen Laserprozessen unter Anwendung von kontinuierlich emittierenden Laserquellen wird das Material aufgeheizt, geschmolzen, verdampft oder verbrannt. Dies sind thermische Laserbearbeitungsmechanismen wie sie zum Beispiel in der Metallverarbeitung eingesetzt werden. Da Diamant ein temperaturempfindliches Material ist, welches bei ca. 800°C zu Graphit umgewandelt wird, eignen sich solche Laserprozesse nicht zur Herstellung von Werkzeugen aus Diamant [2]. Kurz- und Ultrakurzpulslaserquellen emittieren die Energie des Laserlichts nicht kontinuierlich sondern in Pulsen mit einer Dauer im Nanosekunden- (10-9 s) bis Femtosekundenbereich (10-15 s). Diese kurzen Laserpulse haben zwei Vorteile für die Bearbeitung von Diamant. Erstens wird die Energie des Laserlichts während dieser kurzen Zeitspanne mit ausserordentlich hoher Leistung im Megawattbereich abgegeben. Dies hat zur Folge, dass jedes Material – insbesondere auch transparente und thermisch stark leitfähige Materialien wie Diamant – mit diesen Laserquellen effizient bearbeitet werden kann. Der zweite Vorteil ist die sogenannte „kalte Ablation“. Bei Pulsdauern unter 10 Pikosekunden (10-11 s) wird nur ein geringer Anteil der absorbierten Laserenergie an das umgebende Material weitergegeben bevor der Puls zu Ende ist. Demzufolge befindet sich die meiste Wärme im abgetragenen Anteil des Materials und das Werkstück bleibt kalt. Bei korrekter Prozessführung können damit signifikante thermische Schädigungen des Diamants gänzlich vermieden werden. Weitere Vorteile der Laserbearbeitung im Allgemeinen sind die Verschleiss- und Kraftfreiheit der Prozesse. Abb. 1 zeigt Stege mit 5 µm Wandstärke welche aus polykristallinem Diamant mittels Ultrakurzpulslaser hergestellt wurden. Herkömmliche mechanische Prozesse wären für diese Bearbeitungsaufgabe in mehrerer Hinsicht ungeeignet. Die dünnen Stege aus sprödem Diamant würden durch die angreifenden Prozesskräfte zerstört. Auch würde jedes mechanische Werkzeug rasch verschleissen und seine Form verlieren, weil kein härteres Werkzeugmaterial als Diamant existiert (Abb. 1 [2]).

    Obwohl Materialbearbeitung mittels Kurz- und Ultrakurzpulslaser in den vergangenen Jahrzehnten ausführlich wissenschaftlich behandelt wurde, steht die Industrialisierung dieser Technologie noch am Anfang. Ursachen dafür sind die nach wie vor geringen Abtragsraten und damit verbundenen langen Prozesszeiten, die hohen Beschaffungskosten der Laserquellen und die mangelnde Verfügbarkeit von ausgebildetem Personal sowie Prozesskenntnis in der Industrie. Die jährlich wachsende bereitgestellten Laserleistung und Stabilität von kommerziellen Kurz- und Ultrakurzpulslaserquellen und die rasche Entwicklung von softwareseitiger Prozessunterstützung ermöglicht die wirtschaftliche Nutzung dieser Technologie für eine steigende Anzahl von Anwendungen. DIPLAT legt daher neben der Entwicklung neuer Prozesse grossen Wert auf die industrielle Umsetzung der Forschungsergebnisse. Dies beinhaltet einen Fokus auf die Reduktion von Prozesszeit, hohe Wiederholbarkeit von Bearbeitungsergebnissen und ausführliche Tests der hergestellten Werkzeuge. Zudem werden sämtliche Prozesse auf einer EWAG Laser Line Ultra (Abb. 2) erprobt. Das vollautomatische Laserbearbeitungszentrum beherbergt fünf mechanische und drei optische CNC-Achsen, einen 50 Watt Ultrakurzpulslaser, integrierte Leistungsmessung und ein 3D Messsystem. Einige der nachfolgend beschriebenen Projektergebnisse werden bereits heute auf dieser Maschine industriell eingesetzt.

    Anwendungen: Struers - Abrasive Oberflächen

    Der Anwendungsfall des Projektpartners Struers - die Materialografische Analyse - ist ein weitverbreitetes Verfahren in der Qualitätssicherung und Materialwissenschaft. Sie dient dem Studium der Mikrostruktur von Materialien, um deren Eigenschaften vorherzusagen. Die materialografische Aufbereitung einer Probe beinhaltet einen mehrstufigen Schleif- und Polierprozess des zu untersuchenden Werkstücks. Mit jeder Stufe wird die von der vorhergehenden Stufe geschädigte Oberflächenschicht entfernt und eine neue, dünnere Schicht mit Deformationen und Spuren hinterlassen. Dies wird wiederholt bis die Oberfläche eine für die jeweiligen Messungen hinreichende Qualität erreicht hat. Die Qualität eines Werkzeugs für diese Anwendung wird daher über seine Fähigkeit, rasch Material abzutragen ohne das darunterliegende Material zu beeinflussen, beurteilt. Beste Ergebnisse werden bisher durch Polieren mit feinem Diamantkorn erreicht. Dieses kann lose mit einer Flüssigkeit aufgetragen werden oder fest mit einem Bindemittel als abrasive Oberfläche am Werkzeug fixiert sein (Abb. 3 unten). In jedem Fall wird der Polierprozess von der stochastischen Ausrichtung, Form und Größe der Diamantkörner bestimmt. Um eine abrasive Oberfläche mit aktiven Elementen, welche allesamt optimal ausgerichtet, geformt und dimensioniert sind, zu schaffen, werden diese mittels Laserablation als Struktur in massiven Diamantscheiben generiert. Die Flexibilität des Laserprozesses hat ermöglicht unterschiedliche Größen und Formen der Abrasivelemente zu erzeugen und zu testen. Das Ergebnis wird in Abb. 3 (oben) dargestellt.

    Es ist gelungen abrasive Oberflächen zu erzeugen, welche die hohen Oberflächenanforderungen der materialografischen Analyse nach kürzeren Prozesszeiten ermöglichen. Ausserdem wurden unterschiedliche Verschleißmechanismen festgestellt. Während beim konventionellen Werkzeug Ausbrüche und Zersplitterung der Diamantkörner auftreten, wurden keinerlei Anzeichen von aggressivem Verschleiß auf den neuen Werkzeugen beobachtet. Weitere Versuche zur Optimierung der Geometrie der abrasiven Elemente werden durchgeführt. Aus wissenschaftlicher Sicht erhofft man sich aus diesen Ergebnissen auch Rückschlüsse zur Verbesserung der Konditionierungsverfahren von konventionellen Werkzeugen.

    Anwendungen: Reishauer - Abrichtwerkzeuge

    Der Anwendungsfall des Projektpartners Reishauer ist die Herstellung von Abrichtwerkzeugen. Diese werden für die Konditionierung von Schleifwerkzeugen eingesetzt. Dies beinhaltet sowohl die präzise Herstellung der Makrogeometrie als auch die Einstellung der Mikrogeometrie der Schleifscheibenoberfläche [1]. Galvanisch einschichtig belegte Diamantabrichtwerkzeuge werden nach ihren Herstellungsverfahren in zwei Kategorien gruppiert – positiv und negativ belegte Werkzeuge (Abb.4). Bei positiv belegten Werkzeugen wird das Diamantkorn durch einen galvanischen Prozess formschlüssig auf der Oberfläche eines metallischen Werkzeugkörpers fixiert. Aufgrund der stochastischen Anordnung, Form und Größe der Körner ist es notwendig diese Abrichtwerkzeuge zu touchieren um eine ebene und präzise einhüllende Geometrie aller Körner zu erhalten. Konventionelle Touchierprozesse werden mangels eines härteren Materials mit anderen Diamantwerkzeugen durchgeführt. Somit arbeiten Diamanten in einem langwierigen Verfahren gegen Diamanten. Dieser Prozess wird in DIPLAT durch ein Lasertouchierverfahren ersetzt. Neben der Herstellung der Makrogeometrie ist es dabei auch gelungen Freiwinkel auf den Schnittflächen der Diamanten herzustellen, was zu einer erheblichen Reduktion der Prozesskräfte während der Konditionierung von Schleifscheiben führt [3].

    Bei negativen belegten Werkzeugen findet der galvanische Prozess in einer präzise gefertigten Negativform statt. Anschließend wird der Werkzeugkörper eingesetzt und die Form entfernt. Dies hat zu Folge, dass kein Touchierprozess notwendig ist, doch auch keinerlei Möglichkeit besteht die Mikrogeometrie der Werkzeugoberfläche zu beeinflussen. Der Einsatz von Laserablation zur Erzeugung von Strukturen auf der Oberfläche dieser Werkzeuge (Abb. 5) ergänzt diesen fehlenden Freiheitsgrad um die Einsatzeigenschaften der Werkzeuge zu verbessern. Dies soll insbesondere durch Reduktion der Kontaktfläche und Verbesserung des Kühlschmiermittelflusses erreicht werden. Erste Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduktion der Prozesskräfte. Weitere Versuche zur Standzeit der Werkzeuge und den Auswirkungen auf die Funktionalität der abgerichteten Schleifwerkezuge werden zur endgültigen Evaluierung dieser Modifikationen zum Ende des Projekts ausgeführt.

    Anwendungen: Diamoutils - Bohr- und Fräswerkzeuge

    Der Anwendungsfall des Projektpartners Diamoutils sind Bohr- und Fräswerkzeuge. Die Laserablation wird seit einigen Jahren für die Herstellung diverser Werkzeuge mit definierter Schneidengeometrie aus polykristallinem Diamant (PKD) eingesetzt. Dies war jedoch auf die Erzeugung von zweidimensionalen Konturen auf ebenen PKD-Einsätzen und die Herstellung von Spanbrechernuten beschränkt. Im DIPLAT-Projekt wurden Prozesse zur Herstellung komplexer dreidimensionaler Werkzeuggeometrien mittels Laserablation entwickelt [4]. Damit ist es gelungen sämtliche charakteristischen Geometrieelemente von Bohr- und Fräswerkzeugen (Abb. 6) herzustellen. Durch die konsequente Anwendung von tangentialen Laserbearbeitungsstrategien wird dabei eine hohe Präzision sowie ausgezeichnete Oberflächenqualität erreicht. Diverse Werkzeuge in einem Durchmesserbereich von 0.5 bis 3mm wurden produziert und für die Bearbeitung von Kompositmaterialien wie CFK und CMC sowie gesinterten keramischen Materialien wie ZrO2, Al2O3, WC und Si3N4 eingesetzt.

    Dabei wurde gezeigt, dass Laserablation nicht nur eine effiziente Methode zur Herstellung von PKD-Werkzeugen ist, sondern auch die geometrische Vielfalt erweitert und besonders schonenden Materialabtrag ermöglicht. Insbesondere bei der Anwendung in harten, keramischen Materialien zeigt sich, dass funkenerosive Verfahren, welche herkömmlich für die Bearbeitung von PKD eingesetzt werden, zu einer Schädigung des Werkzeugmaterials führen. Abb. 7 zeigt den Zustand nach 300 Bohrungen in CMC (Ceramic Matrix Composite) von zwei geometrisch identischen Bohrwerkezuge gefertigt aus demselben PKD-Material. Der mittels Laserablation gefertigte Bohrer weist nur geringe Spuren von Freiflächenverschleiss auf während der funkenerosiv gefertigte Bohrer bereits massive Ausbrüche an der Schneidkante aufweist. Analysen des bearbeiteten PKD zeigen, dass die Funkenerosion bevorzugt den Kobaltbinder im PKD abträgt, weil nur dieser elektrisch leitfähig ist. Auch in tiefen Schichten unterhalb der bearbeiteten Oberfläche können Schäden am Binder festgestellt werden, welche schließlich zu Ausbrüchen beim Einsatz der Werkzeuge führen. Die vielversprechenden Ergebnisse bei der Herstellung von PKD-Werkzeugen, insbesondere bei der Bearbeitung von harten keramischen Materialien, haben zu der Gründung eines Projekt-Spinoffs geführt. Die 6C Tools GmbH produziert und vertreibt seit August 2015 ein breites Spektrum an Bohr- und Fräswerkzeugen aus massivem PKD.

    Laserablation: Die Technologie für die Fertigung der Zukunft

    Mit DIPLAT ist es gelungen, den Grundstein für die industrielle Herstellung von Diamantwerkzeugen mittels Laserablation zu legen. Die Bedeutung dieser Entwicklung für die Zukunft der Fertigungstechnik ist enorm. Denn durch die Anwendung von Laserablation können geometrische Flexibilität und strukturelle Integrität – insbesondere bei Diamantwerkzeugen mit Mikroformelementen – signifikant verbessert werden. Für Hersteller von PKD- und PCBN-Materialien eröffnen sich damit bisher undenkbare Möglichkeiten: Aktuell müssen sie die von ihnen hergestellten Materialien hinsichtlich ihrer Bearbeitbarkeit mittels Funkenerosion auslegen. Die Verbreitung von Laserablation als Fertigungsverfahren hingegen eröffnet die Chance, neue und optimierte Materialsorten zu etablieren (Abb. 8).

    Danksagung

    Die Forschung, welche zu diesen Ergebnissen geführt hat, wurde durch das 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union (FP7/2007-2013, grant agreement n° 314731) gefördert.

    DIPLAT-Konsortium

    Das DIPLAT Projektkonsortium besteht aus acht Partnern in sechs 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. Ein Hersteller und Entwickler von industriellen ultraharten Materialien stellt massgeschneiderte Produkte für die unterschiedlichen Anwendungen im Projekt zur Verfügung. Die innovativen Technologieführer Ewag/Walter und Zeeko ermöglichen durch ihr umfassendes Know-how 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.

    Quellen

    [1]
    L. Laperrière and G. Reinhart, Eds., CIRP Encyclopedia of Production Engineering, no. Un 2003. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2014.
    [2]
    G. Eberle, C. Dold, K. Wegener, “Laser fabrication of diamond micro-cutting tool-related geometries using a high-numerical aperture microscanning system,“ Int J Adv Manuf Technol (2015) 81: pp. 1117–1125.
    [3]
    M. Warhanek, C. Walter, S. Huber, F. Hänni, and K. Wegener, “Cutting characteristics of electroplated diamond tools with laser-generated positive clearance,” CIRP Ann. - Manuf. Technol., vol. 64, no. 1, pp. 317–320, 2015.
    [4]
    C. Pluess, B. Frei, C. Dold, M. Warhanek, and C. Walter, “Producing workpiece surface at workpiece using processing machine (10) comprising laser with laser head and machine drive device, comprises e.g. positioning and/or aligning the workpiece relative to the laser head,” DE201410109613 20140709, 2014.

    Info

    Josquin Pfaff ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF (ETH Zürich).
    Er befasst sich mit der Laserbearbeitung von CBN und PCBN Werkzeugen.

    Maximilian Warhanek ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF (ETH Zürich).
    Er befasst sich mit der tangentialen Laserbearbeitung von Werkzeugen.

    Dr. Paul Butler-Smith ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am MCM (University of Nottingham).
    Er befasst sich mit der mikro- und nanometrischen Charakterisierung von Diamantwerkstoffe.

    Prof. Dr.-Ing Konrad Wegener ist Professor für Produktionstechnik und Werkzeugmaschinen an der ETH Zürich.
    Er leitet das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF).

    Josquin Pfaff
    ETH Zürich – Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF)
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