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LASERTECHNIK >> Einfachere Herstellung von
Diamantwerkzeugen
>> Diamantschneidplatten sind seit vielen Jahren in Schneidwerkzeugen eta­
bliert, 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 ei­
ner Herausforderung. Hierfür rückt die Bearbeitung mit industriellen UltrafastLasern immer mehr in den Vordergrund.
Industrielle Diamanten werden zunächst
mit unterschiedlichen Methoden (siehe Tabelle) synthetisiert und anschliessend auf
einen Werkzeugeinsatz geschweisst. Anschliessend wird die Diamantklinge bearbeitet und das fertige SchneidwerkzeugInlay in das Werkzeuggehäuse eingesetzt.
Traditionelle Ansätze zur Formung einer
Schneidkante sind das mechanische Schleifen und die Funkenerosion (Electrical Dis­
charge 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 Dia-
mantkörner 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.
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.
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.
Bild: Coherent
Ewag setzt auf Coherent-Laser
Bild 1: Schematische Darstellung der grössten Unterschiede zwischen der Ultrafast-Bearbeitung und der Bearbeitung mit Lasern längerer Pulsbreiten.
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Die Laserbearbeitungsmaschine «Ewag Laser Line Ultra» ist ein komplett fertiges System für die Herstellung von Werkzeugen wie
Schneidwerkzeugeinsätze, Rotationswerkzeuge, Fräs- und Bohrbits. Sie kann eine
Vielzahl von ultraharten Materialien bearbeiten, darunter auch PCD und CBN (kubisches Bornitrid). Das System bezieht und
integriert für die Bearbeitungsmaschine
«Ewag Laser Line Ultra» den «Hyper Rapid
50»-Ultrafast-Laser von Coherent, der eine
Bild: Coherent
>> LASERTECHNIK
Bild 2: 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.
Tabelle 1: Anwendbarkeit verschiedener Methoden zur Schneidkanten-Herstellung für
verschiedene Typen von synthetischen Diamanten.
Durchschnittsleistung von 50 Watt zur Verfügung stellt.
Der grösste Vorteil dieses Ultrafast-LaserSystems ist, dass sich damit nahezu jede
Geometrie in dem Diamanten realisieren
lässt. Zudem kann man in einer einzigen
Aufspannung die komplette Werkzeuggeometrie herstellen: Klinge, Frei- und Spanflächen, Spanbrecherstrukturen usw. Wird
eine komplexere Werkzeugform mittels
Schleif- oder EDM-Methode hergestellt, so
muss der Werkzeugkörper mehrfach neu
eingespannt werden, was zusätzlich Zeit
und Kosten verursacht.
Auch kleine Kantenradien ohne
Nachbearbeitungsprozesse
Darüber hinaus erfolgt die Werkzeugformung mit hoher Präzision, was eine Optimierung des Werkzeuges für seinen speziellen Einsatzzweck ermöglicht. So benötigt
man beispielsweise für die Bearbeitung von
Holz oder Kunststoff Fräswerkzeuge mit
Kantenradien von weniger als zwei Mikrometer, während man für die Aluminiumbearbeitung Kantenradien von vier bis sieben
Mikrometer benötigt. Noch grössere Kantenradien kommen zum Einsatz, wenn es
um das grossflächige Abtragen von Material geht. Im Gegensatz zu traditionellen Fertigungsmethoden können mit dem Ultrafast-System auch kleine Kantenradien ohne
Nachbearbeitungsprozesse hergestellt werden. Speziell bei der Bearbeitung von PCD
kann durch den berührungslosen Prozess
das Problem des Herauslösens von Diamantpartikeln aus der Karbidmatrix vermieden werden. Somit können wieder grössere Diamantpartikel eingesetzt und damit
die Lebensdauer des Werkzeuges verbessert
werden.
Volle Leistung, schnelle
Pulsfolge
Der Laser von Coherent wurde aus verschiedenen Gründen für das System ausgewählt.
Zum einen liefert der Ultrafast-Laser die
volle Leistung über alle Repetitionsraten
(was z. B. bei Scheibenlasern nicht der Fall
ist) und kann damit konsistentere Ergebnisse garantieren. Zum anderen bietet der Laser von Coherent einen so genannten
«Burst»-Modus an, bei dem eine schnelle
Folge von Pulsen erzeugt wird. Dieser BurstModus ermöglicht den Abtrag von grösseren Materialmengen, wie er für die Bearbeitung der Diamanten wünschenswert ist.
Zusammenfassend lässt sich feststellen,
dass die Materialbearbeitung mit UltrafastLasern eine hervorragende und universell
anwendbare Methode für die Herstellung
von Diamantwerkzeugklingen beliebigen
Profils darstellt, wobei die Anzahl der Prozessschritte und damit die Betriebskosten
gesenkt werden können. Im Gegensatz zu
früher angewandten Techniken kann mit
dieser Methode ausserdem jeder Diamanttyp durchgängig bearbeitet werden. <<
Autor:
Frank Gäbler, Marketingdirektor, Coherent
Information:
Coherent (Deutschland) GmbH
Dieselstrasse 5b
D-64807 Dieburg
Tel. +49 6071 968 0
Fax +49 6071 968 499
[email protected]
www.coherent.de
Anwender:
Ewag AG
Industriestrasse 4
4554 Etziken
www.ewag.com
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