Maximum tool life in CFRP thanks to diamond coating

It’s the world’s hardest material: the diamond. That’s why it’s the cutting material of choice, for example when machining aluminium or CFRP (carbon fibre reinforced plastic). In this regard, we make a distinction between PCD (polycrystalline diamond) and diamond coatings. Binders are used for PCD blanks to hold the diamond crystals together. This binder is not necessary for CVD diamond coating (chemical vapor deposition). “With CVD we have 100 percent diamond on carbide”, says Dr Wolfgang Baumann, who is responsible for coating and cutting material technology at MAPAL. Another difference between the two types of diamond is the sharpness of the cutting edge. Whenever an extremely sharp cutting edge is required, nothing holds a candle to PCD. In many other cases, CVD diamond coating is a real alternative.

In the field of PCD tools, MAPAL has the largest production worldwide and for decades has been finding the best strategy for the respective machining task together with its customers. MAPAL is now building up the same expertise with its new strategic partner SP3 in the field of diamond coatings. “Diamond-coated tools or indexable inserts have the best application values and tool lives, especially when machining CFRP, plastics and ceramics”, explains Dr Wolfgang Baumann. Diamond-coated carbides are also suitable for machining graphite electrodes, for example in the die & mould sector.

SP3 is a coating company based in Silicon Valley in the USA. The company, which gets its name from the chemical structure of diamond, has developed its own processes for applying CVD diamond coatings to various substrate materials. Bob DeFeo, Managing Director of SP3, says: “Working closely with tool manufacturers, carbide suppliers and tool users is our recipe for success”. This close cooperation has resulted in various coatings, which SP3 today offers its customers as a service. 

“Depending on the application and our customer’s requirements, we find the optimum solution together”, promises DeFeo and goes on to describe diamond coating as “a complex process. Numerous factors must be taken into account”. The most important points he mentions are the carbide, the tool geometry, the preparation of the cutting edge or substrate for the coating as well as the coating thickness and roughness.

For the actual coating, SP3 uses the so-called “hot filament CVD” process. Dr Wolfgang Baumann explains the process: “We use tungsten wires to heat up hydrogen and methane to 2,550 degrees Celsius. This produces very reactive methane radicals. These gradually deposit their C-atoms on diamond nuclei on the carbide surface, which causes the diamond to grow. The size of the crystals varies depending on pressure, gas flow and temperature. It ranges from nanocrystalline to microcrystalline. The surface of the coating depends on the size of the crystal produced. It ranges from extremely smooth to rough”.

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.

Als erstes gemeinsames Projekt von SP3 und MAPAL stand die Beschichtung des OptiMill-Composite-Speed-Plus an. „Gemeinsam haben wir intensiv daran gearbeitet, die optimale Beschichtung zu entwickeln“, sagt Baumann. Der Fräser, der vor allem in der Luftfahrtindustrie zum Einsatz kommt, ist auf die Bearbeitung von CFK ausgelegt. Durch ein neues Hochleistungssubstrat in Kombination mit einem verstärkten Kerndurchmesser steigerten die Entwickler bei MAPAL die Bruchfestigkeit des achtschneidigen Fräsers im Vergleich zum Vorgängermodell um 50 Prozent. Das optimierte Nutprofil sorgt für eine schnelle und sichere Abfuhr von Stäuben und Prozesswärme auch bei extrem hohen Zerspanungsvolumen. Der Schneidkeil wurde eigens auf die Anforderungen spröder Werkstoffe optimiert. „Das i-Tüpfelchen war dann die Beschichtung, die für höchste Standwege sorgt“, freut sich DeFeo. Dank der Diamantbeschichtung kann zudem mit höchsten Einsatzwerten gefahren werden. 

In der CFK-Bearbeitung bei einem Nutzer des Fräsers wird beispielsweise mit einer Drehzahl von 5.968 min-1, einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/min und einem Vorschub von 955 mm/min gearbeitet. Dabei beträgt sowohl die Schnitttiefe als auch die Schnittbreite 8 mm. „Wir erzielen mit der neuen Beschichtung beste Ergebnisse und erreichen eine Standzeit, die 20 Prozent über der des Vorgängermodells liegt“, sagt DeFeo.

Die Beschichtung des OptiMill-Composite-Speed-Plus ist der erste Erfolg der strategischen Partnerschaft, dem sicherlich zahlreiche weitere folgen werden, sind sich DeFeo und Baumann einig. Denn: „Um die bestmögliche Leistung eines CVD-diamantbeschichteten Werkzeugs zu erreichen, müssen Werkzeughersteller und Beschichter sehr eng zusammenarbeiten. Nur so sind höchste Standzeiten, prozesssichere Ergebnisse und beste Oberflächen für den Anwender realisierbar.“