DIAS

IGF-Projekt: 19664 N  (2017 - 2020)

DIE HERAUSFORDERUNG

Mikroschleifstifte werden heute in vielen Branchen zur Herstellung von Mikro- und Präzisionsbauteilen benötigt. Der Trend zu Miniaturisierung und Leistungssteigerung sowie die damit verbundenen steigenden Qualitätsanforderungen erfordern in stark zunehmendem Maße die Herstellung und Bearbeitung von Strukturen mit immer kleineren Abmessungen. Die heute verfügbaren Schleifstifte sind allerdings bezüglich kleinstem Durchmesser und feiner Körnung limitiert.

Schleifstifte mit mikrokristalliner CVD-Diamant-Beschichtung sind verschleißärmer und erlauben deutlich kleinere Stiftdurchmesser. Zudem verfügen sie über scharfkantigere Mikroeinzelschneiden in höherer Anzahl und sind sofort nach der Herstellung einsatzfähig. Aufgrund der glatten Oberflächen sind jedoch die Kühlmittelzufuhr und die Spanabfuhr gehemmt. Daher kommt es beim industriellen Einsatz zu Zusetzungen, die insbesondere bei sehr kleinen Stiftdurchmessern (< 1 mm) zum Werkzeugbruch führen können. Weitere mögliche Ursachen für einen Werkzeugbruch sind zu hohe Abweichungen des Rundlaufs (Gleichförmigkeit des Rundprofils in Rotation) und zu hohe Zustellungen beim Schleifprozess sowie Unwuchten der hochtourig betriebenen Schleifspindeln.

Leistungsfähige Schleifstifte mit kleinsten Stiftdurchmessern und Körnung sind derzeit nicht verfügbar. Zudem fehlen wirkungsvolle Instrumente, um konstante Prozessbedingungen zu ermöglichen.

DIE INNOVATIONSIDEE

Ziel des Projekts DIAS war die Entwicklung leistungsfähiger CVD-Diamant-Schleifstifte mit 0,1-3,0 mm Durchmesser und hoher Stabilität und Reproduzierbarkeit. Hierzu wurden Span- und Kühlschmierstoff-Transportgeometrien durch Schleifen der Grundkörper und anschließendem Beschichten sowie durch Laserstrukturierung der CVD-Diamantschicht in den Schleifstift eingebracht, um Zusetzungen zu vermeiden und höhere Zeitspanungsvolumina zu ermöglichen. Für eine optimierte Prozessüberwachung wurde ein Körperschallsensor zur Anschnitterkennung eingesetzt und der Rundlauf mittels Lasertriangulation ermittelt.

DIE ERGEBNISSE

Um auch Schleifstifte mit Durchmessern ≤ 0,5 mm vor der CVD-Diamantbeschichtung ohne Bruchgefahr vorbehandeln zu können, wurde auf das sonst übliche Sandstrahlen der Hartmetallrohlinge verzichtet und die Vorbehandlung basierend auf Cobaltätze optimiert, sodass eine anwendungsgerechte Schichthaftung sichergestellt werden konnte. Durch Anpassung der Prozessparameter und Optimierung der Chargierung im Beschichtungsprozess konnten Werkzeuge mit unterschiedlichen Durchmessern und Nutgeometrien uniform und konturgetreu beschichtet werden. Auf den CVD-Diamantschleifbelägen wurde keine besondere Klebneigung der Späne festgestellt.

Für Schleifstifte mit Durchmessern von 0,2-3,0 mm wurden zwei Strukturierungskonzepte erfolgreich umgesetzt: Das schleiftechnische Einbringen von Spiralnuten in den Hartmetallgrundkörper vor der Diamantbeschichtung sowie die nachträgliche Strukturierung der Diamantschichten mittels Laserbearbeitung. Mit der Grundkörperstrukturierung durch Schleifen wurden besonders gute Ergebnisse erzielt: Die eingebrachten Spiralnuten bewirkten eine signifikante Reduzierung der Schleifkräfte, woraus eine geringere Werkzeugabdrängung und eine gesteigerte Präzision der Bearbeitung resultiert. Durch eine verbesserte Kühlschmierstoffzufuhr erhöht die Strukturierung gleichzeitig die Lebensdauer von CVD-Diamantschleifstiften auf das 2,5-fache von konventionellen Diamantschleifstiften, bei einer gleichzeitig um 40 % reduzierten Rautiefe. Die nachträgliche Laserstrukturierung führte dagegen bei Praxistests bisher noch zur Destabilisierung (und Delamination) der Diamantschicht.

Erstmals konnten auch CVD-Diamantschleifstifte aus Siliziumnitrid-Grundkörpern hergestellt werden, die mittels Laserbearbeitung der Diamantschicht strukturiert und erfolgreich im Labor sowie bei beteiligten KMU getestet wurden. Zudem wurde eine optimierte Prozessüberwachung aufgebaut, die sichere und reproduzierbare Prozesse ermöglicht.

KMU-NUTZEN

Zunehmend werden Bauteile aus Keramik und Hartmetall hergestellt. Diese lassen sich wirtschaftlich nur mit Diamantschneidstoffen zerspanen. Insbesondere durch die vielfältigen Vorteile der neu entwickelten CVD-Diamantschleifwerkzeuge profitieren die mittelständisch geprägten Branchen der Präzisionswerkzeughersteller, CVD-Diamantbeschichter und Hersteller von Mikro- und Präzisionsbauteilen. Hier können strukturierte Mikroschleifstifte z. B. bei der Herstellung von Glasküvetten, der Fertigung von optischen Oberflächen, dem Schleifen von Linsenformen für Linsenarrays aus Glas, der Präzisionsbearbeitung von Einspritzsystemen der Automobilindustrie sowie in der Medizintechnik und Halbleiter-Industrie Anwendung finden und können dabei helfen, dem Trend zu Miniaturisierungen und steigenden Qualitätsanforderungen gerecht zu werden. Die neuen Werkzeuge tragen somit dazu bei, Produktionskosten zu senken und bestehende Geschäftsfelder zu sichern und zu erweitern.

Laufzeit: 01.09.2017 - 31.05.2020