Pikosekunden-Lasertechnik ermöglicht die Herstellung von grobkörnigen PKD-Wendeschneidplatten

Perfekte PKD-Werkzeuge dank Piko-Laser (Teil 1)

| Redakteur: Matthias Böhm

Bild 1: Werkzeugmaschine Laser Line der EWAG AG.
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Bild 1: Werkzeugmaschine Laser Line der EWAG AG. (Bild: EWAG)

>> Dieser Fachbeitrag behandelt die Bearbeitung der Schneidkanten von PKD-Wendeschneidplatten (PKD – polykristalliner Diamant) mit Ultrakurzpulslasern. Wie sich zeigt, ergeben sich durch das neue Verfahren – gegenüber herkömmlichen Schleiftechnologien – explizite Vorteile. Diese Forschungsentwicklung wurde an der ETH Zürich unter Leitung von Professor Dr. Konrad Wegener vorangetrieben, der auch am 3. SMM-Kongress (Do, 4. Dez. 2014) zum Thema «Moderne Produktionsverfahren für Hochleistungswerkstoffe» referieren wird.

Wendeschneidplatten aus polykristallinem Diamanten (PKD) werden aufgrund ihrer herausragenden Härte vermehrt zur Bearbeitung von abrasiven Werkstoffen wie z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt. Aufgrund technischer Vorteile bei der Herstellung von Schneidkanten mit konventionellen Schleifprozessen wird bisher hauptsächlich feinkörniger PKD eingesetzt.

Auch grobkörniger PKD per Laser bearbeitbar

Der Einsatz von Pikosekunden-Lasermaschinen ermöglicht effiziente Bearbeitungsprozesse für die Produktion von PKD-Wendeschneidplatten unabhängig von der Korngrösse. Eine umfangreiche Vergleichsstudie von konventionell hergestellten und laserbearbeiteten, fein- sowie grobkörnigen PKD-Wendeschneidplatten für das Drehen von CFK zeigt erhebliche Vorteile des Laserprozesses.

Die Motivation

In den vergangenen Jahren erfreute sich die direkte Laserbearbeitung und Laser-Werkzeugherstellung zur Modifikation von Verbundwerkstoffen regem Interesse. CFK-Bearbeitungsmethoden umfassen Fräsen, Drehen, Bohren, Wasserstrahlschneiden und Laserprozesse.

Hartmetallwerkzeuge werden ohne Beschichtung oder mit Beschichtungen auf Nitrid-Basis eingesetzt. Diese bieten hohe Flexibilität bezüglich der Schneidkantenkontur [1, 2], unterliegen jedoch hohem Verschleiss und erreichen unzulängliche Lebensdauern.

Konventionell: Schleifen der PKD-Schneidplatten

Die wesentlichen Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von CFK umfassen Effekte wie Delamination, Faserausrisse und thermische Schädigung. Infolgedessen sind scharfe definierte Schneidkanten notwendig, um eine gute Oberflächenqualität auf CFK zu erreichen [3, 4, 5]. Konventionell werden diese durch Schleifen der Wendeschneidplatten hergestellt.

Ergänzendes zum Thema
 
Teil 2: Die Ergebnisse

Im Falle von Wendeschneidplatten aus auf Hartmetall gelötetem PKD bedeutet dieser Prozess, dass die Diamantkörner der Schleifscheibe mit den Diamantkörnern der Wendeschneidplatte interagieren. Die Körner der Wendeschneidplatte werden durch die Kollisionen mit den Schleifkörnern entweder gespalten oder aus dem metallischen Binder herausgebrochen.

Laser vermeidet mechanische Belastung

Die Laserbearbeitung vermeidet hingegen mechanische Belastung an der Werkzeugoberfläche, weil die einzelnen Diamantkörner durchschnitten werden. Ultrakurz gepulste Laser ermöglichen die Bearbeitung ohne wärmebeeinflusste Zone und somit die Herstellung einer präzise definierten Schneidkante entlang der gesamten Werkzeugkontur.

In dieser Studie werden grobkörnige PKD-Strukturen evaluiert. Sie werden mit identisch geschliffenen und laserbearbeiteten feinkörnigen PKD-Strukturen verglichen, welche in der Vergangenheit von den Autoren [6] untersucht wurden. Bei konventioneller Bearbeitung von grobkörnigem PKD mit den bewährten Prozessparametern für feinkörniges PKD ist mit grossen Scharten durch Ausbrüche ganzer Körner zu rechnen.

Experimenteller Aufbau und Prozessbeschreibung

Die Experimente werden mit auf Wendeschneidplatten (CCXW09T304FN-AS) aus auf Hartmetallsubstrat gelötetem fein- und grobkörnigem PKD (mittlere Korngrössen: 2–4 µm bzw. 25 µm) an einer EWAG Laser Line (siehe Bild 1) durchgeführt.

Das angewendete Lasersystem besteht aus einem MOPA-Laser (Master Oscillator Power Amplifier) mit einer Pulslänge von 10 ps und einer Wellenlänge von 1064 nm. Die Führung des Laserstrahls ist in Bild 2 dargestellt. Dieser wird über mehrere Spiegel, ein 1:3-Teleskop zur Strahlaufweitung, Verzögerungsplatten zur Polarisationseinstellung, ein dynamisches Fokussiersystem, eine Kamera und eine zweidimensionale Strahlablenkungseinheit in den Bearbeitungsraum gelenkt. Die Fokussierung des Strahls erfolgt durch eine F-Theta-Linse mit einer Brennweite von 163 mm.

Das Testobjekt wird über ein hochpräzises fünfachsiges CNC-System relativ zum Laserstrahl bewegt. Mehrere Düsen ermöglichen die Zuführung von Prozessgasen wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, etc. an den Arbeitspunkt. Zur Ausrichtung des Werkstücks wird ein dreidimensionaler Messtaster in der Maschine eingesetzt.

Schneidkante und Freifläche in einem Durchgang

Beim Schneiden der Wendeschneidplatte entlang der finalen Kontur werden gleichzeitig die Schneidkante und die Freifläche hergestellt.

Der Laserprozess wird folglich in Bezug auf den Schneidkantenradius, Freiwinkel und die Oberflächengüte der Freifläche optimiert. Die angewendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

µm-genaue CNC-Führung der Wendeschneidplatte

Zur Reduktion der Auswirkungen von thermischen Drifteffekten der Strahlablenkungseinheit auf die Genauigkeit der Werkzeuggeometrie wird der Laserstrahl nur in Form eines kontinuierlich wiederholten Musters abgelenkt.

Die eigentliche Kontur wird durch Bewegung der Wendeschneidplatte mit den wesentlich präziseren CNC-Achsen erzeugt. Dies ist insbesondere bei längeren Prozesszeiten notwendig, denn die erreichbaren Toleranzen des CNC-Systems (ca. 2 µm über fünf Achsen) sind langfristig um ein Vielfaches genauer als die der Strahlablenkung.

Bild 3 illustriert den Schnittprozess durch beide Werkstoffe, um die finale Kontur der Wendeschneidplatte herzustellen.

Der Schnitt wird durch Ablation der Materialien in einer definierten Anzahl von vertikalen Schritten mit einem definierten Anstellwinkel erzeugt. Dieser Anstellwinkel wird anhand der Ablationseigenschaften von PKD und Hartmetall sowie des gewünschten Freiwinkels berechnet. Die erforderliche Breite des Schnittspalts ist abhängig von der gesamten zu schneidenden Materialdicke.

Kraftsensor misst Schneidkräfte per Direktmessung

Die Validierungsexperimente müssen aufzeigen, dass sich die laserbearbeitete Schneidkante in der Zerspanung bewährt. Diese werden an einer mit einem dreidimensionalen Kraftsensor ausgestatteten Drehmaschine durchgeführt.

Die bearbeiteten Wendescheidplatten werden direkt auf dem Kraftsensor montiert. Schnittkräfte und Vorschubkräfte können somit direkt aufgenommen werden.

CFK besonders geeignet zur Beurteilung der Werkzeugqualität

Zum Vergleich zwischen laserbearbeiteten und geschliffenen Wendeschneidplatten werden CFK-Werkstücke, deren Faserorientierungen verschiedene, aber pro Versuch konstante Winkel mit der Schnittgeschwindigkeitsrichtung einschliessen (siehe Bild 4) gedreht. CFK eignet sich besonders gut als Werkstückmaterial zur Beurteilung der Werkzeugqualität, weil es hochabrasiv ist und die Schnittbedingungen stark vom Schneidkantenradius abhängen. Dieser sollte im einstelligen µm-Bereich sein, was für die Laserbearbeitung eine Herausforderung darstellt, aber auch die Schneidkante stärker dem abrasiven Angriff aussetzt.

Verschleiss wirkt sich auf die Prozesskräfte aus

Auftretender Verschleiss wirkt sich somit rasch auf die gemessenen Prozesskräfte aus. Weitere Messungen zu Verschleisserscheinungen an den Wendeschneidplatten und mögliche thermische Schädigungen durch die Laserbearbeitung an der PKD-Oberfläche werden anhand eines optischen 3D-Mikroskops (Alicona Infinite Focus 3d) und eines Rasterelektronenmikroskops (FEI Quanta 200 FEG) durchgeführt. Zur Evaluierung der Schneidkantenradien wird ein robuster Algorithmus nach Wyen et al. [7] angewendet.

Vielversprechende Ergebnisse

So weit der erste Teil zum Thema Schneidkantenbearbeitung mittels Pikosekunden-Laser. Im zweiten Teil (SMM 13 / 2014) werden die konkreten Ergebnisse vorgestellt. Eines sei jetzt schon verraten, die Ergebnisse der Laserbearbeitung von PKD-Wendeschneidplatten sind vielversprechend. <<

Autoren:

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

Maximilian Warhanek, wissenschaftlicher Mitarbeiter, IWF. Er befasst sich mit Laserbearbeitung von Diamant-Schleifwerkzeugen.

Claus Dold, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Inspire AG. Er befasst sich mit der Laserbearbeitung von Diamant-Schneidwerkzeugen.

Marcel Henerichs, wissenschaftlicher Mitarbeiter, IWF. Er befasst sich mit der Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen.

Referenzen (für Teil 1 und 2)[1] Murphy, C., Byrne, G., Gilchrist, M. D., 2002. The performance of coated tungsten carbide drills when machining carbon fiber-reinforced epoxy composite materials, Journal of engineering manufacture 216, p. 143–152. [2] Sun, F. H., Zhang, Z. M., Chen, M., Shen, H. S., 2002. Fabrication and application of high quality diamond-coated tools, Journal of materials processing technology 129, p. 435–440.[3] Tsao, C. C., Hocheng, H., 2007. Effect of tool wear on delamination in drilling composite materials, International Journal of mechanical sciences 49, p. 983–988.[4] Brinksmeier, E., Fangmann, S., Rentsch, R., 2011. Drilling of composites and resulting surface integrity, CIRP Annals – Manufacturing Technology 60, p. 57–60.[5] Ferreira, J. R., Coppini, N. L., Miranda, G. W. A., 1999. Machining optimisation in carbon fiber reinforced composite materials, Journal of materials processing technology 92–93, p. 135–140.[6] Dold, C., Henerichs, M., Bochmann, L., Wegener, K., 2012. Comparison of ground and laser machined polycrystalline diamond (PCD) tools in cutting carbon fiber reinforced plastics (CFRP) for aircraft structures, CIRP Procedia 1C, p. 178–183.[7] Wyen, C., Wegener, K., 2010. Influence of cutting edge radius on cutting forces in machining titanium, CIRP Annals – Manufacturing Technology 59, p. 93–96.

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