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Horn Blog

CVD-Diamant - Der Maßstab für die Verschleißfestigkeit

November 2021
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Autor: paulhorn
Firma: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
CVD-Diamant - Der Maßstab für die Verschleißfestigkeit

Die Verschleißfestigkeit von CVD-Diamantwerkzeugen überzeugt bei der Bearbeitung von hoch abrasiven Werkstoffen. Mit den CVD-Dickschicht Diamantwerkzeugen der Paul Horn GmbH, bearbeitet die Deutsche Technoplast aus Wörth an der Donau seit einigen Jahren erfolgreich die Werkstoffe PEEK und glasfaserverstärkte Kunststoffe. Die Ergebnisse zeigen deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Schneidstoffen.

„Mikropräzision in Milliardenstückzahl“ ist das markante Schlagwort und Kennzeichen des Familienunternehmens und Kunststoffspezialisten. Seit mehr als 45 Jahren steht Technoplast für Präzision und Vielfalt in der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe und dem dazugehörigen Werkzeug- und Formenbau im Präzisionsbereich. Seit 1968 als Familienunternehmen im ostbayerischen Wörth an der Donau ansässig, umfasst die Unternehmensgruppe „Deutsche Technoplast“ heute drei eigenständige Mitglieder. Am Stammsitz in Wörth, ausgestattet mit einem Präzisions-Werkzeug- und Formenbau, fertigen 142 Mitarbeiter mit Mikropräzision Bauteile aus Hochleistungskunststoffen in Milliardenstückzahl. Bei der W&L Deutsche Technoplast in Schwabach produzieren 78 Mitarbeiter ein breites flexibles Spektrum an Kunststoffteilen nach Kundenwunsch. Die Niederlassung in Malaysia produziert mit derzeit 87 Mitarbeitern seit 1993 Kunststoff-Serienteile nach den strengen Qualitätsmaßstäben des „Made in Germany“.

Als Prime Supplier der Elektronik- und Automobilindustrie liegen die Kernkompetenzen der Mitarbeiter in Wörth in der Entwicklung und Produktion hochpräziser Kunststoffteile im Spritzgießverfahren unter anderem von Metall-Kunststoff-Hybriden für SMT-Gehäuse (zum Beispiel für LED´s) im Reel-to-Reel-Trägerband Umspritzverfahren. Den Einsatz finden diese Komponenten in modernen Automobilen, der modernen Beleuchtungstechnik und vielen anderen Zukunftstechnologien.

PEEK mit 50 Prozent Kohlefaser

Gleichzeitig produziert das Unternehmen in Wörth neben den LED-Produkten auch zirka 1.700 verschiedene Artikel aus unterschiedlichen Kunststoffen und Hochleistungs-Kunststoffteile für die Industrie in Mittel- und Großserie. Ein Beispiel hierfür ist eine Schalt/Klemmnocke zum Flaschentransport einer Getränkeabfüllanlage. 18 unterschiedliche Varianten dieser Schaltnocke in unterschiedlichen Längen werden in Stückzahlen von etwa 250.000 pro Jahr gespritzt und spanend bearbeitet. Der Werkstoff ist Polyetheretherketon (PEEK) mit 30 bis 50 Prozent Kohlefaseranteil. Ein mechanisch und thermisch

hochbelastbarer Kunststoff, welcher sich bei der spanenden Bearbeitung sehr abrasiv auf die Werkzeugschneide auswirkt.

Die unterschiedlichen Schaltnocken in linker oder rechter Ausführung haben etwa in der Mitte je nach Größe eine Lagerfläche mit 20, 24 oder 30 mm Durchmesser in der Toleranz e8. Gelagert werden die Schaltnocken in einem Bauteil aus lebensmittelgeeignetem rostfreiem Stahl. 60fach in Reihe angeordnet tragen sie in der Abfüllmaschine das Gewicht von gefüllten Glasflaschen. Jede dieser Schaltnocken hält in einer berechneten Standzeit von vier Jahren 20 Millionen Lastspiele aus.

Standmenge verdreifacht

Die bisherige Bearbeitung des Passlagers der Nocken mittels PKD-Schneidwerkzeugen beendete ein redaktioneller Anwenderbericht in einer Fachzeitschrift über das Drehen von CFK-Faserverbundwerkstoffen. Die beiden verantwortlichen Technoplast Mitarbeiter, der Projektleiter Herbert Griesbeck und der Leiter der Spanabhebenden Fertigung Karl Baumann, kontaktierten daraufhin den im Bericht genannten Werkzeughersteller Horn. Es war der erste Kontakt zu Horn. Der zuständige Horn Außendienstmitarbeiter empfahl als Alternative zu PKD eine CCGT-Schneidplatte mit aufgelöteter CVD-Diamant-Schneide für den schon bisher verwendeten Normhalter mit Standardschnittstelle. Diese CVD-Diamant- Schneide hat einen positiven Schnittwinkel und einen Schneidenradius von 0,4 mm. Karl Baumann von Technoplast: „Der Einsatz dieses neuen Schneidstoffs verbesserte sofort die Standmenge von 750 bis 1.000 Teilen auf prozesssichere 3.000 Teile mit besserer gleichbleibender Oberflächenqualität über die gesamte Standmenge.“

Ein weiteres Einsatzbeispiel eines CVD-D-bestückten Werkzeugs ist die Dreh-Bearbeitung eines Greifers aus glasfaserverstärkten Kunststoff (PA6). Den Einsatz finden die Greifer in linker und rechter Ausführung ebenfalls beim Transport von PET-Getränkeflaschen. Losgrößen von 1.000 Stück im Jahr produziert die Technoplast von den Bauteilen pro Jahr. Bei der Bearbeitung der Bohrungen kommt eine CVD-Diamant-bestückte ISO-Schneidplatte von Horn zum Einsatz. Vor der Umstellung auf CVD-D bearbeitete man die Bohrungen in zwei Schritten; Aufbohren und Reiben. „Die Standzeit der Werkzeuge lag bei dieser Bearbeitungsstrategie bei 100 Teilen“, so Baumann. Durch die Umstellung auf den Diamantschneidstoff erreichten die Verantwortlichen eine Standzeit von 5.000 Teilen.

Zu 99,99 Prozent Diamant und zehnmal so scharf

CVD-Diamant Schneiden unterscheiden sich mehrfach von PKD-Schneiden. Der CVD-Diamant ist zu 99,99 Prozent fast reiner Diamant im Gegensatz zum mit Binderanteilen von 10 bis 20 Prozent gemischten PKD. Obwohl beide Schneidstoffe polykristallin aufgebaut sind, ist die Struktur von CVD-Diamant homogener und fast ebenso hart und verschleißfest wie monokristalliner Naturdiamant. Beachtet man beim Naturdiamanten nicht exakt die von der Kristallgitterstruktur vorgegebene Schneidenausrichtung, ist CVD-Diamant sogar druck- und verschleißfester. Während PKD-Schneiden üblicherweise geschliffen oder erodiert werden, sind CVD-Schneiden präzisionsgelasert und damit mit einer Schneidenverrundung zwischen einem und zwei µm mindestens zehnmal so scharf. Beim Schleifen von PKD werden Randkristalle an der Schneide herausgebrochen, beim Lasern von CVD-Diamanten aber durchschnitten.

Fasern schneiden statt abquetschen

Dadurch erklärt sich auch die hohe Standmenge beim Bearbeiten von kohlefaser- und glasfaserverstärkten Kunststoffen. Mit einer Schneidkantenschärfe von 1 bis 2 µm durchschneiden die CVD-Diamant-Schneiden die 5 bis 8 µm dünnen Fasern, während die PKD-Schneiden mit ihrer zehnfachen Schneidkantenverrundung die Fasern lediglich abquetschen und durch Reibung schneller verschleißen. Dass aber auch CVD-Schneiden einem, wenn auch viel geringerem Verschleiß unterliegen, ist verursacht durch die ungerichtete Anordnung der Kohlefasern im Kunststoffbett. Auch hier werden die Fasern, die nahezu in Längsrichtung des Schnittes angeordnet sind, eher abgequetscht als geschnitten. Die hochglanzpolierte Oberfläche und die gute Wärmeleitfähigkeit der Diamantschneide verhindern Aufbauschneidenbildung. Der „kühle“ Schnitt durch die scharfe Schneide erzeugt zudem kaum Wärme. Karl Baumann: „Und wenn eine CVD-Diamant- Schneide verschlissen ist, kann sie bis zu dreimal präzise nachgelasert werden mit den gleichen Eigenschaften wie eine neue CVD-Diamant-Schneidplatte. Die bisher verwendeten PKD-Schneidplatten mit Spanleitstufe waren hingegen nach dem ersten Standzeitende Schrott.“

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