Ultrafast-Laser Einfachere Herstellung von Diamantwerkzeugen

Redakteur: Luca Meister

Diamantschneidplatten sind seit vielen Jahren in Schneidwerkzeugen etabliert, da sie sich durch ihre hohe Härte zum Bearbeiten von jeglichen Metallen eignen. Allerdings macht die extreme Härte der Diamanten auch ihre eigene Bearbeitung und die Formung einer Schneidkante mit präziser Geometrie zu einer Herausforderung. Hierfür rückt die Bearbeitung mit industriellen Ultrafast-Lasern immer mehr in den Vordergrund.

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Das Gerät «EWAG Laser Line Ultra» (links) ist ein System zur Herstellung von Diamant-Werkzeugen. Die Fotos zeigen zwei Klingen im Vergleich: Die eine wurde mit der traditionellen Schleifmethode und die andere mit der Ultrafast-Laser-Ablationsmethode hergestellt. Die Klinge, die mit der Lasermethode hergestellt wurde, ist glatter und zeigt kaum Späne auf der Klinge.
Das Gerät «EWAG Laser Line Ultra» (links) ist ein System zur Herstellung von Diamant-Werkzeugen. Die Fotos zeigen zwei Klingen im Vergleich: Die eine wurde mit der traditionellen Schleifmethode und die andere mit der Ultrafast-Laser-Ablationsmethode hergestellt. Die Klinge, die mit der Lasermethode hergestellt wurde, ist glatter und zeigt kaum Späne auf der Klinge.
(Bild: Coherent)

Industrielle Diamanten werden zunächst mit unterschiedlichen Methoden (siehe Tabelle) synthetisiert und anschliessend auf einen Werkzeugeinsatz geschweisst. Anschliessend wird die Diamantklinge bearbeitet und das fertige Schneidwerkzeug-Inlay in das Werkzeuggehäuse eingesetzt.

Traditionelle Ansätze zur Formung einer Schneidkante sind das mechanische Schleifen und die Funkenerosion (Electrical Discharge Machining: EDM). Für den Schleifvorgang verwendet man Diamantschleifmittel, da dies das einzige Material ist, mit dem sich industrielle Diamanten schleifen lassen. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass sich Mikrorisse im Werkstück bilden, die eine gewisse Materialschwächung verursachen.

Polykristalline Diamanten (PCD) enthalten Diamantkörner, die in eine Karbidmatrix eingelagert sind. Bei der Bearbeitung eines PCD-Werkzeuges können die Diamantkörner beim Schleifen aus der Matrix gerissen werden, was Löcher hinterlässt. Hersteller versuchen daher, die Diamantkörner so klein wie möglich zu halten, damit diese Löcher, die durch den Schleifprozess entstehen, nicht zu gross werden. Das verringert jedoch die Lebensdauer, da grössere Körner länger in der Trägermatrix verbleiben. Mit anderen Worten: Der Schleifprozess vermindert die Langlebigkeit des entstehenden Werkzeugs.

Einzigartig für synthetische Diamanten

Das Funkenerodieren ist ein effektiver Prozess für die Herstellung von Schneidkanten aus hartem Material, kann aber nur bei leitenden Materialien eingesetzt werden. Das bedeutet, dass man diese Methode nur bei einigen Arten von synthetischen Diamantwerkzeugen verwenden kann.

Die Bearbeitung mittels Laserstrahlung weist hingegen keine Einschränkungen auf und ist die einzige Methode, mit der sich alle Typen synthetischer Diamanten qualitativ hochwertig bearbeiten lassen. Früher wurden dafür Laser mit Pulsbreiten im Bereich von einigen zehn Nanosekunden eingesetzt, die das Material mit jedem Laserpuls verdampft haben. Dieser Ansatz war zwar effektiv, erzeugte jedoch Mikrorisse. Weiter wurde eine wärmebeeinflusste Zone erzeugt, in der Diamant in Graphit umgewandelt wurde. Dadurch wurde die Materialhärte und damit auch die Werkzeugstärke vermindert.

Ultrafast-Laser mit Pulsbreiten von unter 15 Pikosekunden verursachen solche Probleme nicht, denn ihre extrem hohen Spitzenleistungen erhitzen das Material nicht einfach nur, sondern spalten die molekularen oder atomaren Bindungen, die das Material zusammenhalten. Diese «Atomisierung» eliminiert weitgehend die wärmebeeinflusste Zone und verhindert vollständig die Graphitbildung.

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