Ultrapräzises Diamantdrehen von Stahl – mit Ultraschall
Die son-x GmbH ist ein junges Spin-off Unternehmen des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT, Aachen. Sie stellt Ultraschallsysteme für die ultrapräzise Diamantzerspanung her. Mit dieser Technologie, dem sog. „ultraschallunterstützten Diamantdrehen“ ist es möglich, Formeinsätze aus Stahl direkt endzubearbeiten. Lange, kostenintensive und fehleranfällige Nickel-Phosphor-Beschichtungen entfallen somit und flexibilisieren den ultrapräzisen Formenbau. Hierdurch wird eine Alternative bereitgestellt, die für viele Hersteller von Kunststoffoptiken von Interesse sein dürfte.
von Olaf Dambon, Benjamin Bulla
Die Ultrapräzisionsbearbeitung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen, die sog. »Diamantzerspanung «, ist eine Technologie zur Fertigung optischer und mechanischer Komponenten mit höchsten Oberflächengüten und Formgenauigkeiten. Mit keinem anderen Werkzeugwerkstoff lassen sich solch hohe Genauigkeiten über mechanische Fertigungsverfahren fertigen wie mit monokristallinen Diamanten. Die Technologie hat sich insbesondere als Fertigungsprozess zur Herstellung ultrapräziser Komponenten, wie z.B. Strahlführungsoptiken aus Kupfer für CO2-Laser, sowie zahlreicher optischer Applikationen etabliert und ist somit in der Ultrapräzisions- und Optikfertigung unverzichtbar. Typische Materialien, die mit dieser Technologie bearbeitet werden, sind Nichteisenmetalle (Aluminium, Neusilber, Messing etc.) oder Kunststoffe (Polycarbonat PC, Polymethylmethacrylat PMMA etc.) [1, 2, 3]. In Abbildung 1 ist der Prozess mit repräsentativen Bauteilen und Produkten dargestellt, die mittels Diamantzerspanung hergestellt werden. Die Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe, wie z.B. von gehärtetem Stahl, ist dagegen auf konventionellem Wege mit monokristallinen Diamantwerkzeugen nicht möglich. Bereits nach einigen Metern Drehweg ist die Schneide um den gesamten Betrag des Eingriffs verschlissen, sodass eine Bauteilfertigung nicht möglich ist. Ursache hierfür ist der starke Verschleiß des Diamanten, der zu inakzeptablen Bauteilungenauigkeiten führt. Es gibt zahlreiche Theorien, die den Verschleiß des Diamanten bei der Stahlbearbeitung beschreiben und die sich allesamt ergänzen [4, 5]. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die chemische Affinität von Kohlenstoff zu Eisen dafür verantwortlich ist. Dies führt zu einer Graphitisierung des Diamanten an der Kontaktzone, der dadurch seine gesamte Festigkeit verliert – mit dem unmittelbaren Verschleiß als Folge.
