Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Strukturierte CVD-Diamant-Mikroschleifstifte

Mikroschleifstifte werden heute in vielen Branchen zur Herstellung von Mikro- und Präzisionsbauteilen benötigt: von Medizintechnik und Uhrenindustrie über Fertigung optischer Oberflächen bis hin zu Dentaltechnik, Werkzeug- und Formenbau, Mikrosystemtechnik, Mikrofluidik, Verbrennungsmotorentechnik und vielen weiteren Industriezweigen. Miniaturisierung und Leistungssteigerung sowie die damit verbundenen steigenden Qualitätsanforderungen sind aktuelle Trends und erfordern in stark zunehmendem Maße die Herstellung und Bearbeitung von Strukturen mit immer kleineren Abmessungen. Heute verfügbare Schleifstifte haben Beschränkungen bezüglich kleinstem Nenndurchmesser und feiner Körnung. CVD-Diamantschleifstifte besitzen das Potenzial, diese Einschränkungen zu überwinden, müssen aber leistungsfähiger werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von CVD-Diamant-Mikroschleifstiften mit Durchmessern zwischen 0,1 und 3,0 mm sowie angepasster Werkzeugmaschinentechnik und Bearbeitungsprozess-Know-how, für eine wirtschaftliche Schleifbearbeitung mit sehr hoher Oberflächengüte.

Der grundlegende Zweck des hier zu untersuchenden Werkzeugsystems ist die Nutzung von CVD-Diamant-Schleifstiften, die als Neuheit zusätzlich eingebrachte Spannuten aufweisen, um Zusetzungen zu vermeiden und höhere Zeitspanungsvolumina zu ermöglichen. Eine zweite wesentliche Verbesserung ist die Möglichkeit zur Überwachung des Werkzeugs, um prozessbegleitend die kritischen Momente des Zerspanvorgangs und des Werkzeugerstkontakts zu detektieren und eine schnelle Reaktion zu ermöglichen.

Die Kombination aus neuen CVD-Diamantschichtaufbauten (größere Kristallite) mit den neuen Nutgeometrien in den Stiften zur Spanabfuhr stellen eine erhebliche Produktinnovation dar, die den Standort Deutschland für die mittelständisch geprägten Branchen der Präzisionswerkzeughersteller, der CVD-Diamantbeschichter und der Hersteller von Mikro- und Präzisionsbauteilen nachhaltig stärken wird.

Ergebniszusammenfassung:

Durch Kombination einer CVD-Diamantschicht mit einer zusätzlichen Oberflächenstrukturierung wurde ein völlig neuartiges Werkzeugsystem für Schleifanwendungen hergestellt und unter praxisnahen Bedingungen erprobt. Die extremen Eigenschaften von CVD-Diamantschichten erlauben die Herstellung besonders feiner und verschleißarmer Schleifbeläge, da sie im Unterschied zu konventionellen Diamantschleifbelägen frei von Bindematerial sind und ihre Rauheit durch Variation der Schichtdicke beliebig fein einstellbar ist. Nachteile solcher CVD-Diamantschleifbeläge war bisher, dass aufgrund ihrer glatten Oberflächen Kühlmittelzufuhr und Spanabfuhr gehemmt sind, was ihre Einsatzdauer begrenzt. Durch das Einbringen von Zusatzstrukturen in die Werkzeugoberfläche wurden die Gebrauchseigenschaften von CVD-Diamantschleifstiften erheblich verbessert. Für Schleifstifte mit Durchmessern von 0,2 bis 3,0 mm wurden zwei Strukturierungskonzepte erfolgreich umgesetzt: Das schleiftechnische Einbringen von Spiralnuten in den Hartmetallgrundköper vor der Diamantbeschichtung sowie die nachträgliche Strukturierung der Diamantschichten mittels Laserbearbeitung. Besonders gute Ergebnisse wurden mit der Grundkörperstrukturierung durch Schleifen erzielt. Die eingebrachten Spiralnuten bewirkten eine signifikante Reduzierung der Schleifkräfte, woraus eine geringere Abdrängung der Werkzeuge resultiert, was die Präzision der Bearbeitung steigert. Durch verbesserte Kühlschmierstoffzufuhr erhöht die Strukturierung gleichzeitig die Lebensdauer von CVD-Diamantschleifstiften auf das 2,5-fache der Lebensdauer von konventionellen Diamantschleifstiften, bei gleichzeitig um 40 % reduzierter Rautiefe. Im Projekt ist es erstmals gelungen, CVD-Diamantschleifstifte mit Grundkörpern aus Siliziumnitrid herzustellen und mit Erfolg zu testen. Durch erfolgreiche Einsatztest bei den beteiligten KMU wurden die positiven Ergebnisse von Laboruntersuchungen bestätigt und die Basis gelegt für die weitere industrielle Umsetzung.