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CFK und Composites:CVD-Diamant-Werkzeuge von Horn

Schneiden statt brechen

27.06.2012

CVD-Diamant-Werkzeuge: CirComp entwickelt und fertigt Faserverbundbauteile. Für die drehende Oberflächenbearbeitung der gefertigten rotationssymmetrischen Bauteile setzt das Unternehmen auf CVD-Diamant-Werkzeuge von Horn. Sie schneiden die Fasern, statt sie zu brechen, und punkten mit geringem erosiven Verschleiß.

Eine Fülle hoch innovativer CirComp- Produkte aus Hochleistungs-Verbundwerkstoffen mit Faser oder Gewebematrix, oberflächenbearbeitet mit Schneiden aus CVD-Diamant von Horn.

Die CirComp GmbH fertigt aus Hochleistungsverbundwerkstoffen hochwertige Faserverbundbauteile. In CNC gesteuerten Faserwickelverfahren werden Bauteile wie Rohre, Wellen, Zug- und Druckstäbe, Walzen, Druckbehälter, Masten, Spalttöpfe und -rohre, Torsionsrohre und Gleitlager aus modernen Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Rotorarmierungen aus dem Werkstoff FilaWin, als Magnethalter zum Beispiel in Asynchronmotoren, werden in Stückzahlen bis zu 100 000 Einheiten hergestellt.

Sie müssen Drehzahlen bis zu 150 000 U/min aushalten. Stützringe und Gleitlager aus der Werkstoffreihe DExWin, ein Verbundwerkstoff mit hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, sind beständig bis etwa 300 ºC und nutzen den Graphit aus der Kohlefaser zur Schmierung. Hans-Peter Fuchs, Produktionsleiter bei CirComp, erklärt: „Als Verstärkungsfasern dienen hochwertige Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern und auch natürliche Fasern in Kombination mit Duromeren oder thermoplastischen Kunststoffen. Mit hohem Know-how-Potenzial, verbunden mit ausgereiften Produktionsprozessen zur Herstellung von Komponenten aus Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen, erschließen wir bei CirComp ständig neue hoch innovative Anwendungen. Daher steht das Unternehmen an vorderster Stelle, wenn leichte, rohrförmige und kosteneffiziente Komponenten aus Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen verlangt werden. Anwendungsfelder finden sich in der gesamten Industrie, der Luft- und Raumfahrt und in der Marine.“

Schneidplatte mit positivem Spanwinkel für universellen Einsatz beim Schruppen und Schlichten und hoher Zustellung.

Innovativer Schneidstoff
Die Faserverbundbauteile werden meist mit anderen Werkstoffen im Bereich der Kraft einleitenden Schnittstellen wie Gewinde oder Wellen­enden kombiniert: Aluminium, rostfreier Stahl, Titan und Kunststoff-Spritzgießteile. Diese Inserts werden verklebt oder formschlüssig im Wickelverfahren eingearbeitet. Gängige Stückzahlen liegen zwischen 10 und 1000 Teilen bei Losgrößen von 1 bis 50.

Verbundwerkstoffe besitzen vielfältige Faser-Matrixkombinationen. Bei der abschließenden Drehbearbeitung zur Herstellung präziser Oberflächengeometrien werden bis heute als Stand der Technik PKD-Schneidstoffe eingesetzt. Diese verschleißen bei der Bearbeitung aber relativ rasch. Das Schneiden der Fasern ist wie ein, mikroskopisch gesehen, extremer unterbrochener Schnitt im Mikrosekundentakt mit ständig wechselnden Schnittwinkeln durch die hochfesten Fasern: längs, quer, schräg, bei jeder Lage anders.

Thomas Massinger, Außendienstmitarbeiter bei Horn, kennt das Problem schon lange. Doch seitdem er einen neuen innovativen Schneidstoff in vielen Versuchen bei CirComp erfolgreich in der Praxis getestet hat, ist aus dem Problem eine Lösung geworden. Die neuen Schneidplatten mit in einem Spezialverfahren aufgelöteten CVD-Diamant-Schneiden haben die Standzeiten der Werkzeuge um das fünf- bis sechsfache gegenüber den PKD-Schneiden gesteigert.

Dafür gibt es laut Massinger gleich mehrere Gründe: „Der CVD-Diamant-Schneidstoff ist zu 99,9 Prozent reiner Diamant aus homogenen Kristallen von 20 bis 25 µm. PKD dagegen ist eine Mischung aus Diamant und Binder mit in der Regel etwas über 80 Prozent Diamantanteil. Dadurch besitzt der CVD-Diamant auch eine weitaus höhere Härte als PKD und ist sogar teilweise härter als ein Naturdiamant.“

Hans-Peter Fuchs (links), Produktionsleiter bei CirComp, und Thomas Massinger von Horn sind sich sicher: „Der Schneidstoff CVD-Diamant wird sich bei der Bearbeitung abrasiver Faserverbundbauteile durchsetzen.“

Die Schneidkante wird zudem präzisionsgelasert mit einer Kantenverrundung, besser Kantenschärfe, von 1 bis 2 µm. Beim Lasern werden dabei die einzelnen Kristalle zerschnitten und nicht herausgebrochen wie beim Schleifen. Damit sind CVD-Schneiden mindestens zehnmal schärfer als PKD-Schneiden. Auch können unterschiedlichste Spanleitstufen mittels Laser exakt in die Schneide eingebracht werden.

Die Schärfe der Schneidkante in Verbindung mit der höheren Härte und Zähigkeit des monolithischen und feinkristallinen CVD-D ist entscheidend für die hohe Standzeit und Schneidleistung der CVD-Diamantschneiden. Da also die scharfe CVD-Diamantschneide die Fasern schneidet, statt sie zu brechen wie PKD, ist der erosive Verschleiß viel geringer. Und wenn Verschleiß bei der CVD-D-Schneide eintritt, dann ist es meist Freiflächenverschleiß, der die Schneidkante mit oder ohne Spanleitstufe sogar immer wieder bis zu einer gewissen Grenze nachschärft. Zudem wird punktueller Wärmeeintrag an der Schneidkante sofort abgeleitet.

Die Bauteile, bei denen die Oberflächen mittels Drehen geometrisch bearbeitet werden müssen, sind zum großen Teil nicht unproblematisch. Nehmen wir als Beispiel eine mit Carbon-Fasern armierte Verstärkungsstrebe mit Durchmessern von etwa 20 bis 40 mm und Längen bis 1100 mm. Diese Streben können wegen ihrer durch Wickeln und Vernetzen geringfügig unterschiedliche Wandstärke und großen Längen mit nur geringer Drehzahl und Schnittgeschwindigkeit überdreht werden.

Die mögliche Unwucht könnte auch nicht durch eine mitlaufende Pinole abgefangen werden. Daher ist mit geringer Schnittgeschwindigkeit und geringem Schnittdruck zu drehen. Höherer Schnittdruck würde die lediglich zwischen Spitzen gespannte Strebe auslenken und zum Rattern führen. Die Stange wird mit CVD-D-Schneiden geschruppt und geschlichtet. Dabei tritt beim ersten Schruppen wegen des leicht unterschiedlichen Rohdurchmessers eine schwankende Spantiefe auf, die problemlos von den CVD-D-Schneiden verkraftet wird.

Schlichten einer langen, dünnen und hohlen Verstärkungsstrebe aus CFK-Verbundwerkstoff mit CVD-Diamant-Schneide mit gelaserter 3D-Spanleitstufe für beste Oberflächengüte.

Umfangreiche Versuche
Weil bei diesen Bearbeitungen eigentlich auf keine Erfahrungswerte zurückgegriffen werden konnte, wurden umfangreiche Versuche gefahren: mit 0° Spanwinkel, mit positiven Spanwinkelvarianten, mit glatter Platte oder mit gelaserter Spanleitstufe. Die besten Effekte wurden beim Schruppen mit positivem Spanwinkel und glatter Schneidplatte erzielt und beim Schlichten mit Spanleitstufe.

Bei einer Welle für die Fördertechnik in einer hochdynamischen Verpackungsmaschine aus CFK mit Alu-Mittensteg wurde mit der gleichen CVD-D- Schneide sowohl die CFK-Oberfläche als auch der Alu-Mittensteg bearbeitet. Bei Streben aus CFK mit umwickeltem GFK-Gewindeeinsatz für die krafteinleitende Schnittstelle wurde das Innengewinde im GFK-Einsatz mittels einer Horn-Platte aus der Serie R114, beschichtet mit TH 35, gedreht, wobei eine neue Variante von TH 35 die Standzeit mehr als verdoppelte. Der GFK-Einsatz in der CFK-Strebe ist als Vollkunststofflösung chemisch hoch beständig und besitzt kein elektrochemisches Potential zum Beispiel gegenüber Metallen. Im Gegensatz zu CFK ist GFK nicht elektrisch leitend.

Massinger erklärt: „Als Grunderkenntnis der erfolgreichen Versuche mit dem hoch innovativen Schneidstoff CVD-Diamant hat sich herausgestellt, dass ein positiver Spanwinkel die beste Lösung bei universeller Anwendung in der Zerspanung von Faserverbundwerkstoffen ist. Er erzielte die besten Ergebnisse bei Kombination von Schruppen und Schlichten, vor allem bei hoher Zustellrate und wechselnder Spandicke zum Beispiel beim ersten Schruppschnitt. Die Schneiden mit 3D-Spanleitstufe sorgen beim Schlichten für beste Oberflächengüten bei hoher Standzeit.“

Fuchs erklärt: „Wir haben mit den neuen CVD-Diamant-Schneideinsätzen von Horn in allen bisher umgestellten Einsatzbereichen bessere Ergebnisse erzielt als mit den PKD-Schneiden. Aber jeder Hochleistungs-Verbundwerkstoff hat seine speziellen Zerspanungsbedingungen. Wir müssen also vor jeder Umstellung auf CVD-Diamant neue Tests fahren, um das jeweilige Optimum hinsichtlich Zerspanungsparametern und Plattengeometrie zu erreichen.“