Die Zerspanung von CFK stellt höchste Anforderungen an die Schneidwerkzeuge. Schneidstoffe aus polykristallinem Diamant ersetzen dabei zunehmend die ursprünglich eingesetzten Hartmetallschneiden.
Bohrer und Fräser sind die wichtigsten Werkzeuge für die Zerspanung von faserverstärkten Kunststoffen
Leuco Ledermann
Die Qualität eines Zerspanungswerkzeugs steht und fällt mit seinem Schneidstoff. Hart muss er sein, zugleich zäh und beständig gegenüber hohen Temperaturen und chemischen Vorgängen. Das Problem ist jedoch: Ein Schneidstoff, der alle geforderten Eigenschaften in sich vereint, wurde bislang noch nicht erfunden, wie Jochen Dietrich und Arndt Richter im Kapitel Schneidstoffe des Buchs Praxis der Zerspanungstechnik darlegen. Stattdessen ist es Aufgabe der Ingenieure, Werkzeugstähle, Hartmetalle, Schneidkeramiken und -diamanten oder Bornitrid anwendungsspezifisch so auszuwählen, dass sie den zu zerspanenden Werkstoffen möglichst lange standhalten.
Zu den anspruchsvolleren Werkstoffen für die Zerspanung gehören carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Insbesondere die in den Kohlenstofffasern enthaltenen Graphenstrukturen fordern die Schneidwerkzeuge heraus: Graphen ist etwa 150-fach zugfester als Stahl und verfügt über eine mit Diamant vergleichbare Härte; ganze Schichten von Graphen müssen während der Bearbeitung durchtrennt werden – mit entsprechendem Werkzeugverschleiß.
Diese Schneidstoffe kommen in Frage
Für die Zerspanung von CFK und anderen Faserverbundwerkstoffen sind vor allem Schneiden aus Hartmetall und Diamant relevant, wobei hier zunehmend polykristalline Diamanten (PKD) zum Einsatz kommen. Andere bekannte Schneidstoffe wie Schnellarbeitsstähle oder keramische Schneidstoffe eignen sich aufgrund ihrer Verschleiß- oder Bruchneigung zumeist nicht für die CFK-Zerspanung. Nach Naturdiamant gehören PKD zu den mit Abstand härtesten Schneidkörpern, wie Dietrich und Richter weiter schreiben. Für die Herstellung von PKD-Schneidplatten werden sehr viele kleine Diamanten unter hohem Druck und hohen Temperaturen im Schneidenbereich eines Hartmetallgrundkörpers aufkristallisiert. Die so hergestellten Schneidplatten werden anschließend auf das Werkzeug gelötet oder geklemmt.
Noch eingehender stellt Wolfgang Hintze die Schneidstoffe für CFK im Kapitel Technologien zur Zerspanung von CFK, artverwandter Faserverbundkunststoffe und hybrider Schichtverbunde des Buchs CFK-Bearbeitung vor. Neben PKD, das in Form von Diamantkörnen in einer Kobaltmatrix oder einem Co-Binder gebunden sind, geht der Autor auch auf sogenannte Dickschichtdiamanten ein, die per chemischer Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, CVD) auf die Schneide aufgebracht werden. Die Härte von CVD-Diamant kommt Naturdiamant gleich. Allerdings geht die hohe Abrasionsbeständigkeit mit einer sehr geringen Zähigkeit einher, weswegen CVD-Schneidkanten oft durch Mikrobröckelungen verschleißen und in der CFK-Bearbeitung nur in engen Grenzen eingesetzt werden kann.
Die für die Zerspanung verwendeten Hartmetalle bestehen in den meisten Fällen zu etwa 94 % aus Wolframcarbid und zu 6 % aus Kobalt, der als Binder fungiert. Zum Schutz vor Verschleiß werden sie auch mit bis zu 20 µm dünnen CVD-Schichten, sogenannten Dünnschichten, versehen. Dabei schützt die Schicht das Werkzeug vor adhäsiver und abrasiver Abnutzung, während das Substrat die thermomechanischen Belastungen in den Werkzeugträger ableitet. Allerdings büßen Werkzeuge mit Diamantdünnschichten gegenüber dem reinen Hartmetall deutlich an Zähigkeit und Biegefestigkeit ein.
Hartmetall und CVD-Diamant mit Schwächen
Welche Herausforderungen das CFK-Zerspanen liefert und warum Hartmetallwerkzeuge zunehmend durch PKD-Schneiden verdrängt werden, erläutern Martin Dressler und Michael Kitzlinger in ihrem Beitrag Der richtige Schneidstoff für die Composite-Bearbeitung in der Zeitschrift maschinenbau 5/21. Als man mit der Zerspanung mit CFK-Bearbeitung begann, waren Hartmetallwerkzeuge das Mittel der Wahl, weil sie sich in kleinen Durchmessern und komplexen Geometrien herstellen lassen. Kleinere Durchmesser und angepasste Schneiden sind zwar Voraussetzungen für einen geringen Verschleiß, dennoch kam man mit Hartmetallwerkzeugen nicht über extrem kurze Standzeiten hinaus.
Die Beschichtung von Hartmetallschneiden mit CVD-Diamant verlagerte das Problem: Die Beschichtung verrundet die Schneidkante, wodurch sie weniger scharf ist. Beschichte Schneidkanten nachzuschleifen ist zwar möglich, es ist jedoch technisch anspruchsvoll und kostenintensiv. Dazu kommt, dass die mechanischen Eigenschaften der oberen Hartmetallschicht leidet, da aus ihr das Kobalt herausgelöst werden muss, um eine stabile Bindung zur CVD-Beschichtung einzugehen. Und selbst wenn das alles gelungen ist, neigt die CVD-Schicht unter schlagartigem Schnittdruck zum Abplatzen.
PKD mit 50-fach höherer Standzeit
Dressler und Kitzlinger plädieren deswegen für die Verwendung von PKD als massivem Schneidkantenmaterial. Nach Darstellung der Autoren ist PKD hinreichend hart für die Bearbeitung von CFK, zugleich könne die Schneidkante angeschliffen werden. Als Verschleißform trete Verrundung, nicht jedoch Abplatzen auf, wobei die Schneidkanten eine lange, gleichbleibende Schnittqualität erreichten. Ähnlich schätzt dies auch Wolfgang Hintze im oben genannten Kapitel ein. Demnach erreicht PKD bei ausschließlich abrasiven Beanspruchungen im Vergleich zu Hartmetall um bis zu 50-fach höhere Standzeiten.