01.01.2021
Höchste Standzeiten in CFK dank Diamantbeschichtung
MAPAL setzt auf Technik von SP3
Diamantbeschichtete Werkzeuge und Wendeschneidplatten überzeugen beim Bearbeiten von CFK und Co., unter anderem in der Luftfahrtindustrie. Warum MAPAL für die Beschichtung der Vollhartmetallwerkzeuge auf die Technik von SP3 setzt, was deren Anlagen besonders macht und wo genau das meiste Know-how beim Beschichten mit Diamant steckt …
Strategische Partnerschaft zur CVD-Diamantbeschichtung
Im Bereich der PKD-Werkzeuge verfügt MAPAL über die größte Fertigung weltweit und findet seit Jahrzehnten gemeinsam mit den Kunden die optimale Strategie für die jeweilige Zerspanungsaufgabe. Die gleiche Expertise baut sich MAPAL nun mit dem neuen strategischen Partner SP3 im Bereich der Diamantbeschichtungen auf. „Vor allem bei der Zerspanung von CFK, Kunststoffen und Keramik weisen diamantbeschichtete Werkzeuge beziehungsweise Wendeschneidplatten die besten Einsatzwerte und Standzeiten auf“, erläutert Dr. Wolfgang Baumann. Auch für die Bearbeitung von Graphitelektroden, beispielsweise für den Werkzeug- und Formenbau, eignen sich diamantbeschichtete Hartmetalle.
SP3 ist ein Beschichtungsunternehmen mit Sitz im Silicon Valley in den USA. Das Unternehmen, dessen Name sich aus dem chemischen Aufbau von Diamant ableitet, hat eigene Verfahren entwickelt, um CVD-Diamantbeschichtungen auf unterschiedliche Trägermaterialien aufzubringen. Bob DeFeo, Geschäftsführer von SP3, sagt: „Die enge Zusammenarbeit mit Werkzeugherstellern, den Anbietern von Hartmetallen sowie den Anwendern der Werkzeuge ist unser Erfolgsrezept“. Aus diesen engen Kooperationen sind verschiedene Beschichtungen entstanden, die SP3 heute seinen Kunden als Dienstleistung anbietet.
Komplexer Vorgang mit eigenem CVD-Diamant-Reaktor
„Je nach Anwendung und den Anforderungen unserer Kunden, finden wir gemeinsam die optimale Lösung“, verspricht DeFeo und beschreibt: „Die Diamantbeschichtung ist ein komplexer Prozess. Zahlreiche Faktoren müssen beachtet werden.“ Als wichtigste Punkte nennt er dabei das Hartmetall, die Werkzeuggeometrie, die Vorbereitung der Schneide beziehungsweise des Untergrunds auf die Beschichtung sowie die Schichtdicke und Rauigkeit.
Für die tatsächliche Beschichtung kommt bei SP3 das sogenannte „Hot-Filament-CVD“-Verfahren zum Einsatz. Dr. Wolfgang Baumann erläutert den Prozess: „Mithilfe von Wolframdrähten werden Wasserstoff und Methan auf bis zu 2.550 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entstehen sehr reaktive Methanradikale. Diese lagern ihre C-Atome nach und nach an Diamantkeimen auf der Hartmetalloberfläche ab, wodurch der Diamant wächst. Je nach Druck, Gasfluss und Temperatur variiert die Größe der Kristalle. Sie reicht von nanokristallin bis mikrokristallin. Die Oberfläche der Beschichtung ist abhängig von der erzeugten Kristallgröße. Sie reicht von extrem glatt bis rau.“
Gleichmäßigkeit der Diamantdicke sorgt für Prozesssicherheit
Um das Beschichtungsverfahren bestmöglich umzusetzen, hat SP3 eigene CVD-Diamant-Reaktoren entwickelt. Für eine gleichmäßige Energieverteilung hat das Unternehmen eine spezielle Anordnung der Heizdrähte konzipiert und sich diese patentieren lassen. Vor allem die maximale Schichtdicke von 50 µm ist es, die das von SP3 entwickelte Verfahren so besonders macht. „Unsere Anlage überzeugt durch eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit der Diamantdicke. Zudem können die Prozessvariablen in Echtzeit gesteuert werden“, sagt DeFeo. Damit sind die Beschichtungen präzise und wiederholbar, was vor allem in Branchen wie der Luftfahrtindustrie enorm wichtig ist. „Hier kommen nur Werkzeuge zum Einsatz, die qualifiziert sind. Sie müssen konstant immer die gleiche Leistung erbringen, um für die Sicherheit des Prozesses zu garantieren“, betont Bob DeFeo.
Wichtig für den späteren Einsatz der beschichteten Werkzeuge beziehungsweise Wendeschneidplatten ist zudem die Schichthaftung. „Dafür sind das Substrat und dessen Vorbehandlung entscheidend“, verrät Bob DeFeo. Die Vorbehandlung, in der auch das Gros des Know-hows steckt, unterteilt sich in Ätzen, Reinigen und Bekeimen.
CFRP milling cutter with maximum application values for the aerospace industry
The first joint project between SP3 and MAPAL was the coating of the OptiMill-Composite-Speed-Plus. “Together we worked tirelessly to develop the optimum coating”, says Baumann. The milling cutter, which is mainly used in the aerospace industry, is designed for machining CFRP. Thanks to a new high-performance substrate in combination with a reinforced core diameter, the developers at MAPAL increased the fracture strength of the eight-bladed milling cutter by 50 percent compared to the previous model. The optimised flute profile ensures fast and safe removal of dust and process heat even at extremely high machining volumes. The cutting edge was specifically optimised for the requirements of brittle workpiece materials. “The icing on the cake was then the coating that ensures maximum tool life”, says DeFeo happily. Thanks to the diamond coating, it’s also possible to operate with the maximum application values.
When using a milling cutter for CFRP machining, for example, a spindle speed of 5,968 rpm, a cutting speed of 150 m/min and a feed of 955 mm/min are used. Both the cutting depth and the cutting width are 8 mm in this case. “We achieve the best results with the new coating and reach a tool life that is 20 percent longer than the previous model”, says DeFeo.
The coating of the OptiMill-Composite-Speed-Plus is the first success of the strategic partnership, which will certainly be followed by numerous others, both DeFeo and Baumann agree. Because: “To achieve the best possible performance of a CVD diamond-coated tool, tool manufacturers and coaters must work very closely together. This is the only way to achieve the maximum tool life, reliable process results and the best surfaces for the user”.