Verwendung von Diamantschneidwerkzeugen für die Bearbeitung harter Materialien

Grundlagen von Diamant-Schneidwerkzeugen und ihre Funktionsweise

Diamantschneidwerkzeuge nutzen den härtesten verfügbaren Werkstoff für präzise Arbeiten bei harten Materialien wie Keramik, Verbundwerkstoffen und verschiedenen NE-Metallen. Das Design beinhaltet synthetische Diamanten, die in polykristalline Formationen angeordnet sind, wodurch das Risiko von Brüchen verringert wird, während gleichzeitig eine hervorragende Verschleißfestigkeit gewährleistet bleibt. Die Effektivität dieser Werkzeuge beruht auf der außergewöhnlichen Härte des Diamanten mit einem Wert von etwa 10.000 HV auf der Vickers-Skala. Dadurch können sie auf mikroskopischer Ebene schneiden, ohne viel Wärme zu erzeugen – ein entscheidender Vorteil beim Bearbeiten empfindlicher oder wärmeempfindlicher Materialien, die unter hohen Temperaturen leicht reißen oder verformen können.

Was sind Diamantschneidwerkzeuge und wie funktionieren sie?

Heutzutage gibt es Schneidwerkzeuge aus Diamant in zwei Hauptformen: vollständig gesinterte Diamantmatrizen oder solche, bei denen Diamanten auf Trägermaterialien aufgebracht sind. Bei der Bearbeitung von Materialien lösen die Diamantschneiden die Bindungen im Werkstück durch mechanisches Scherspanen auf, anstatt sie wegzuschmelzen. Dadurch entstehen äußerst glatte Oberflächen, manchmal mit einer Rauheit von nur Ra 0,02 Mikrometern. Im Vergleich zu herkömmlichen Hartmetallwerkzeugen behalten Diamantwerkzeuge bei abrasiven Materialien etwa das 10- bis 15-fache an Standzeit. Warum? Weil Diamant eine außergewöhnliche Härte von rund 90 GPa aufweist und Wärme mit etwa 2.000 W pro Meter Kelvin leiten kann. Das bedeutet, dass Wärme während des Betriebs sehr effizient abgeführt wird, was Leistung und Werkzeuglebensdauer erhält.

Arten von Diamant-Schneidwerkzeugen: PCD, CVD und diamantbeschichtete Varianten

Drei Haupttypen von Diamantwerkzeugen dominieren industrielle Anwendungen:

1. Polykristalliner Diamant (PCD) — Sinterte Diamantpartikel, verbunden mit Hartmetall, ideal für unterbrochene Schnitte in Verbundwerkstoffen
2. CVD-Diamantwerkzeuge — Einkristalline Diamantschichten, aufgezogen durch chemische Gasphasenabscheidung, verwendet in der Ultrapräzisionsbearbeitung von Optiken
3. Diamantbeschichtete Werkzeuge — Mikrometerdünne Diamantschichten, auf Hartmetallsubstrate mittels HFCVD (Hot Filament CVD) aufgebracht, bieten eine kostengünstige Lösung für die Keramikfräsbearbeitung

PCD-Werkzeuge widerstehen Schneidkräften bis zu 700 N bei Metallmatrix-Verbundstoffen, während CVD-Varianten eine Genauigkeit von ±0,5 μm bei Luftfahrtkomponenten erreichen.

Materialabtragmechanismen beim Diamantschleifen

Bei der Bearbeitung harter Materialien entfernen Diamantwerkzeuge Material durch:

• Duktilmodus-Schneiden (für Keramiken unterhalb einer kritischen Tiefe von 0,2 μm)
• Mikrofrakturausbreitung in spröden Materialien wie Siliciumcarbid
• Thermochemische Abnutzung reduktion durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant

Diese doppelte mechanische und thermische Wirkung reduziert Schäden im Untergrund um 60–80 % im Vergleich zum herkömmlichen Schleifen, wie in Versuchen zum Fräsen von Zirkonia gezeigt (Yuan et al., 2023).

Bearbeitung von Keramiken, Verbundwerkstoffen und metallisch gebundenen Verbundstoffen mit diamantbeschichteten Werkzeugen

Diamantbeschichtete Werkzeuge sind unverzichtbar geworden, wenn mit harten Materialien wie Siliciumcarbid und Aluminiumoxid-Keramiken gearbeitet wird, da herkömmliche Schneidwerkzeuge deren enorme Härte von etwa 8 bis 9,5 auf der Mohs-Skala einfach nicht bewältigen können. Diese spezialisierten Werkzeuge halten beim Bearbeiten von Kohlefaser-Verbundstoffen, die in Autobremssystemen verwendet werden, äußerst enge Toleranzen von etwa plus oder minus 0,005 Millimeter ein, wodurch sich Materialtrennungsprobleme um rund zwei Drittel im Vergleich zu herkömmlichen Hartmetallwerkzeugen verringern, wie Untersuchungen der Precision Engineering Society aus dem Jahr 2023 zeigen. Bei Metallmatrix-Verbundstoffen, beispielsweise Aluminium gemischt mit Siliciumcarbid, sorgt das Diamantschneiden dafür, dass die Bauteile auch bei sehr hohen Temperaturen – manchmal über 400 Grad Celsius – formstabil bleiben. Branchenberichten zufolge sinken die Kosten für den Werkzeugersatz bei Herstellern, die auf diamantbeschichtete Fräser umsteigen, typischerweise um etwa ein Drittel, wenn große Mengen an Verbundbauteilen produziert werden.

Hochpräzise Bearbeitung mit Diamantwerkzeugen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik

Die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt bei der Bearbeitung von Inconel-Turbinenschaufeln auf Einkristall-Diamantwerkzeuge und erreicht dabei Oberflächenqualitäten unter Ra 0,2 Mikrometer, wodurch der Luftwiderstand im Flugbetrieb reduziert wird. Bei medizinischen Geräten verwenden Hersteller polykristalline Diamant- oder PCD-Werkzeuge, um Titan-Implikate für die Wirbelsäule zu formen. Diese Werkzeuge bieten eine Positionierungsgenauigkeit von etwa 3 Mikrometern und erfüllen damit bequem die FDA-Anforderung von 5 Mikrometern für Oberflächen, die mit dem Körper in Kontakt kommen. Laut einem aktuellen Branchenbericht aus dem Jahr 2024 stellten Unternehmen, die auf Diamantwerkzeuge umgestiegen sind, eine um rund 28 % höhere Effizienz bei der Herstellung optischer Linsen fest. Diese Verbesserung ermöglicht es ihnen, die extrem feinen Ebenheitsanforderungen für hochpräzise Laseranwendungen zu erreichen.

Verbesserung der Oberflächenqualität bei der Bearbeitung harter Materialien mit PCD-Werkzeugen

Polykristalline Diamant (PCD)-Werkzeuge reduzieren die Oberflächenrauheit bei der Hartmetall-Fräsbearbeitung um etwa 40 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen CVD-beschichteten Werkzeugen. Diese Werkzeuge erreichen Rauheitswerte unter 0,08 Mikrometer, was besonders wichtig für Formen und Matrizen mit spiegelglatten Oberflächen ist. Bei mehrschichtigen PCD-Werkzeugen mit Diamantpartikeln zwischen 8 und 12 Mikrometern verlängert sich zudem die Standzeit deutlich. Tests zeigen, dass diese Werkzeuge über etwa 1.200 Schneidzyklen hinweg eine konsistente Leistung aufrechterhalten, wobei die Variation der Oberflächenstruktur weniger als 2 % beträgt, insbesondere bei der Bearbeitung von glasfaserverstärkten Kunststoffen. Die verlängerte Standzeit macht sie besonders wertvoll für Hersteller, die mit Verbundwerkstoffen arbeiten, bei denen Konsistenz entscheidend ist.

Bewertung der Leistung und Verschleißfestigkeit von diamantbeschichteten Schneidwerkzeugen

Methoden zur Bewertung der Schneidleistung: Flankenverschleiß, Reibungstests und Fräsversuche

Bei der Bewertung von Diamant-Schneidwerkzeugen betrachten Branchenexperten typischerweise drei Hauptfaktoren: Flankenverschleiß, Reibungskoeffizienten und das Verhalten während tatsächlicher Fräsoperationen. Beispielsweise zeigen PCD-Werkzeuge bei der Bearbeitung von Siliciumcarbid-Verbundstoffen nach etwa zwei Stunden kontinuierlicher Bearbeitung einen Flankenverschleiß von rund 0,02 mm, was laut Ponemons Forschung des vergangenen Jahres etwa 63 % besser ist als bei herkömmlichen Hartmetallwerkzeugen. Untersuchungen an Zirkonoxid-Keramiken ergeben ebenfalls Interessantes: Diamantbeschichtete Schaftfräser halten Reibungskoeffizienten unter 0,15 beim Trockenfräsen ein, was bedeutet, dass sie deutlich weniger Wärme erzeugen als ihre unbeschichteten Gegenstücke. Dies macht sich deutlich bei der Werkzeuglebensdauer und der Werkstückqualität bemerkbar.

Verschleißverhalten und Beschichtungsdelamination bei diamantbeschichteten Werkzeugen

Delamination ist der primäre Ausfallmechanismus bei Diamantbeschichtungen, insbesondere beim Bearbeiten von Eisenlegierungen. Metallurgische Untersuchungen zeigen, dass optimierte Verfahren des chemischen Gasphasenabscheidens (CVD) das Delaminationsrisiko durch verbesserte Substratvorbehandlung um 38 % senken. Die Analyse der Mikrorissausbreitung ergibt, dass mehrschichtige Diamantbeschichtungen 27 % höhere Scherspannungen aushalten als einschichtige Varianten, bevor ein Versagen an der Grenzfläche auftritt.

Bruchzähigkeit von Diamantbeschichtungen unter Hochlast-Bearbeitungsbedingungen

Unter Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsbedingungen (≥ 800 m/min) halten Diamantbeschichtungen Bruchzähigkeitswerte von über 8 MPa√m aufrecht und bewahren so die Kantenintegrität während der Bearbeitung spröder Materialien. Thermische Stabilitätsprüfungen zeigen, dass diese Beschichtungen bei 600 °C noch 91 % ihrer Härte bei Raumtemperatur behalten, im Vergleich zu 62 % bei Hartmetallwerkzeugen.

Werkzeugleistung unter Bearbeitungsbedingungen: Einfluss von Wärme und Vibration

Die Hochfrequenz-Schwingungsüberwachung während der Bearbeitung von glasfaserverstärktem Polymer zeigt, dass diamantbeschichtete Bohrer die Schwingungsamplituden um 44 % im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen reduzieren. Die inhärenten Dämpfungseigenschaften der Diamantbeschichtungen senken die Oberflächenrauheit (Ra) des Werkstücks von 1,2 μm auf 0,4 μm bei Fräsoperationen an luft- und raumfahrttauglichem Aluminium.

Diamantbeschichtete im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen: Vergleich von Standzeit und Verschleißfestigkeit

In kontinuierlichen Bearbeitungstests an Kohlefaser-Verbundwerkstoffen halten diamantbeschichtete Fräswerkzeuge 3,8-mal länger als unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge. Messungen des Schneidenradius zeigen nach 8 Stunden Titanbearbeitung 82 % weniger Verformung bei diamantbeschichteten Einsätzen, wodurch eine Schnittpräzision innerhalb von ±2 μm Toleranzen gewährleistet bleibt.

Optimierung der Diamantbeschichtungsabscheidung mit HFCVD-Technologie

Wie HFCVD die Haftung und Gleichmäßigkeit von Diamantbeschichtungen verbessert

Die Heißfilament-Chemische Gasphasenabscheidung, kurz HFCVD, ermöglicht Herstellern eine deutlich bessere Kontrolle beim Wachsen von Diamantbeschichtungen, da sie sowohl die verwendeten Gase als auch die Temperatur des Substratmaterials präzise einstellen können. Untersuchungen zum Zirkonia-Zerspanen zeigten, dass Beschichtungen, die auf diese Weise hergestellt werden, laut einer im vergangenen Jahr in Materials Today veröffentlichten Studie etwa 34 Prozent stärker an Oberflächen haften als bei herkömmlichen CVD-Verfahren. Was HFCVD besonders auszeichnet, ist die gleichmäßige Verteilung der Beschichtung auf Werkzeugen mit komplexen Formen, wobei die Schwankungen während des gesamten Bauteils unter plus/minus zwei Mikrometer liegen, während gleichzeitig die scharfen Kanten erhalten bleiben. Ingenieure können das Verhältnis von Methan und Wasserstoff anpassen, um die Beschichtungsdichte über die Marke von 98 Prozent zu steigern, was die Bildung feiner Risse unter intensiven Fräsbedingungen, bei denen die Werkzeuge ständig belastet werden, erheblich reduziert.

Leistung von mehrschichtigen, zweischichtigen und einschichtigen Diamantbeschichtungen beim Fräsen von Zirkonoxid-Keramiken

Neuere Studien zeigen deutliche Leistungsunterschiede zwischen Diamantbeschichtungsarchitekturen beim Bearbeiten von 3Y-TZP-Zirkonia auf:

Mehrschichtbeschichtungen bieten eine um 40 % längere Standzeit als einschichtige Versionen, da sie eine bessere Spannungsverteilung aufweisen. Alternierende nanokristalline und mikrokristalline Schichten absorbieren Vibrationsenergie effektiver und halten Oberflächen von ≤ 0,35 µm Ra über 85 % der Betriebslebensdauer des Werkzeugs aufrecht, wie in Hochgeschwindigkeits-Fräsversuchen bestätigt wurde.