29 Mars 2016  |  Couches minces
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 06/2015

Extrem glatte und harte Diamantbeschichtung

Aufgrund des wachsenden Mobilitätsbedürfnisses gepaart mit Forderungen nach höherer Energieeffizienz setzen die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie immer mehr auf Leichtbauwerkstoffe. So ist in den vergangenen Jahren beispielsweise der CFK-Anteil im Flugzeugbau bei einigen Flugzeugtypen auf mehr als 50% gestiegen.

En raison des besoins croissants en mobilité et des exigences pour une plus grande efficacité énergétique, l’industrie aéronautique et spatiale, ainsi que l’industrie automobile misent toujours plus sur des matériaux de construction légers. Ainsi, ces dernières années, par exemple, la proportion de CFC a augmenté de plus de 50 % dans la construction de certains types d’avions.

Die Entwicklung der Composites-Werkstoffe wird immer weiter vorangetrieben. Dabei stellt allerdings die inhomogene Materialstruktur Zerspaner vor besondere Herausforderungen, und es gilt, Lösungen zu finden, die auch in der industriellen Massenproduktion bestehen können. Mit dem Diamant-Multilayer «CCDia AeroSpeed» hat CemeCon eine Beschichtung geschaffen, die beim Bohren von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) höchste Präzision und Prozesssicherheit liefert.
 
Beim Bohren von CFK setzen sich diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge zunehmend durch. Mit der Multilayer-Diamantbeschichtung «CCDia AeroSpeed» erreichen Zerspaner dabei höchste Präzision und Prozesssicherheit.
 
Präzise Bohrungen
Composites wie etwa kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff werden für zahlreiche Leichtbauteile verwendet. Denn sie bieten sich überall dort an, wo niedriges Gewicht, geringes Bauteilvolumen und hohe mechanische Leistungsfähigkeit erforderlich sind, so etwa beim Flugzeugbau. Mit diesen Hochleistungs-Verbundwerkstoffen, bestehend aus der gezielten Kombination verschiedener Faser- und Harzmaterialien unter Verwendung spezieller Verstärkungsstrukturen, lassen sich Bauteile mit höchster Festigkeit für die unterschiedlichen Anforderungen massgeschneidert konstruieren. Solche Sandwichkonstruktionen erlauben auch extrem komplizierte Konstruktionen. Dazu bemerkt Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon: «Die spezielle Struktur, welche die Basis für die herausragenden Bauteileigenschaften ist, und die stark abrasiven Fasern machen die Zerspanung von CFK jedoch alles andere als einfach. Hier besteht oftmals immer noch ein enormes Optimierungspotenzial. Neben der hohen Bauteilqualität steht dabei auch immer die Prozesssicherheit im Fokus.»
Zu den am häufigsten eingesetzten Zerspanungsaufgaben bei der Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen gehört das Bohren. Denn die einzelnen Bauteile im Flugzeugbau werden meistens mit Nieten verbunden. «Hier sind Präzisionsbohrungen mit engen Toleranzen und hohen Oberflächengüten der Bohrungswände und Senkungen unabdingbar. Auch die Bohrungsein- und -austritte dürfen nicht vernachlässigt werden. Sie müssen delaminations- und faserüberstandsfrei sein», weiss Manfred Weigand. Eine direkte Nachbearbeitung des Werkstücks ist oftmals nur unter hohem Kostenaufwand möglich und damit wirtschaftlich nicht darstellbar.
Gerade beim Bohren von CFK setzen sich diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge zunehmend durch. Allerdings ist die Oberflächenrauheit aller bisherigen Diamantbeschichtungen in diesem Produktionsumfeld immer wieder kritisch. Sie kann nämlich Werkzeugschwingungen und damit einhergehende Rattermarken in der Senkung verursachen – mit dem Ausschuss der oftmals grossen Bauteile als fatale Folge. Zudem können Faserrückstände entstehen, die sich später beim Vernieten mit eindrücken und im schlimmsten Fall zum Lockern der Nietverbindung führen.
Die exakt auf die Anforderungen der CFK-Bearbeitung abgestimmte Multilayer-Beschichtung «CCDia AeroSpeed» schafft Abhilfe. Einerseits besitzt sie eine extrem glatte und feinstkristalline Oberflächentopographie sowie exzellente Haftung. Andererseits lässt sie die Mikrogeometrie des Werkzeugs unbeeinflusst und hat, verglichen mit allen anderen auf dem Markt verfügbaren Diamantbeschichtungen, deutlich schärfere Schneiden. «Im Einsatz überzeugen die Werkzeuge, lassen sich mit ihnen doch die Fasern des CFK besser trennen. Obendrein glänzen sie mit besten Rauheitswerten in der Bohrungswandung sowie der Senkung. Doch was wirklich essentiell für den Erfolg der Werkzeuge ist: Sie arbeiten schwingungs- und ratterfrei», bemerkt Manfred Weigand. Die extrem glatte und harte Diamantbeschichtung eignet sich neben der Zerspanung von CFK auch zur Bearbeitung von CFK/Al- und CFK/Ti-Stacks.
 
Im Vergleich mit anderen Diamantbeschichtungen (links) glänzt «CCDia AeroSpeed» (rechts) mit besten Oberflächen der Senkung. Es entstehen keine Rattermarken. (Bilder: CemeCon AG)
 
Verschleissfest und gute Wärmeleitfähigkeit
In vielen Fällen verursachen die harten Kohlenstofffasern bei der zerspanenden Bearbeitung von CFK einen extrem hohen Verschleiss Mit einer Härte von etwa 10000 HV0,05, die fast identisch mit der von Naturdiamant ist, widersteht «CCDia AeroSpeed» den hochfesten und stark abrasiven Fasern hervorragend und sorgt so für lange Standzeiten bei den Bohrwerkzeugen.
Die Bindematerialien der Verbundstoffe reagieren zudem meistens empfindlich auf hohe Temperaturen. Wird die Reibungswärme während der Bearbeitung zu hoch, kann die thermische Beanspruchung der Harze zur Auflösung einzelner Schichten oder zu Delaminierung an der Bohrung führen. Die neue Multilyer-Beschichtung sorgt dank seiner extremen Glätte nicht nur für einen guten Spanfluss sondern leitet auch die Wärme rasch aus der Kontaktzone heraus. Dies ist ein Garant für prozesssicheres Zerspanen in Trockenbearbeitung und unter Minimalmengenschmierung.
Wie alle anderen Schichtwerkstoffe der «CCDia»-Reihe ist auch «CCDia AeroSpeed» ein Multilayer. Dazu bemerkt Manfred Weigand: »Mit unserem patentierten CVD-Diamantbeschichtungsverfahren scheiden wir kristalline und feinstkristalline Schichten abwechselnd übereinander ab und kombinieren damit die Vorteile beider Strukturen, nämlich sehr hohe Adhäsion und extreme Oberflächenglätte. Ein weiterer Vorteil der Multilayer sind ihre rissstoppenden Eigenschaften: Wenn während der Zerspanung ein Riss in der obersten Schicht entstehen sollte, wird er von der darunter liegenden Schicht abgefangen und kann sich somit gar nicht erst bis zum Substrat ausbreiten. Dies führt bei Zerspanungswerkzeugen, die mit einer Multilayer-Diamantbeschichtung veredelt sind, zu einer deutlich höheren Prozesssicherheit.»
 
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