Analyse von CVD- Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK

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1 38. IAK Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe - 2. März 2018, Berlin Gerret Christiansen, M. Eng. Wissenschaftlicher Mitarbeiter Analyse von CVD- Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK Produktionstechnisches Zentrum Berlin Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Technische Universität Berlin Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK)

2 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 2 Agenda Motivation und Zielsetzung Anwendungsfall Zerspanuntersuchungen Eigenspannungsanalysen Zusammenfassung und Ausblick

3 Q Coating Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 3 Motivation und Zielsetzung Motivation und Stand der Forschung Standweg Lc Zusammenhänge zwischen Eigenspannungen, Zusammenhänge Schichtqualität und zwischen Einsatzverhalten Eigenspannungen, [SAM15] Schichtqualität und Einsatzverhalten Niedrig Niedrig Q_Coating Verständnis der Prozesssicherheit von CVD-diamantbeschichteten Werkzeugen unzureichend Grundlage: DFG-Projekt Steigerung der Prozesssicherheit von CVD-diamantbeschichteten Hartmetallwerkzeugen unter Berücksichtigung von Schichteigenspannungen Wesentliche Einflussfaktoren auf die Schichthaftung sind die Substrat- und Schichteigenspannungen Hoch Druck 0 Zug Schichteigenspannungen σ D Hoch Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Eigenspannungen, Schichtqualität und Einsatzverhalten

4 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 4 Motivation und Zielsetzung Zielsetzung Optimierung des Beschichtungsprozesses Übertragung der Erkenntnisse auf weitere Schichtsysteme und Werkzeuge Erweiterung des Eigenspannungsmodells Herstellung prozesssicherer CVD-diamantbeschichteter Werkzeuge mit Fokus auf die Bearbeitung von CFK

5 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 5 Anwendungsfall Bearbeitung von CFK Setzen von Nietbohrungen im Flugzeugbau a) b) Luftfahrt-CFK; a) Unterseite; b) Oberseite [IWF] Bearbeitung von Luftfahrt-CFK (CFK M21EV/34%/DU 268/IMA, Matrix: Epoxidharz HexPly M21, Fasern: HexTow IMA Fasern) Große Herausforderung bei der Bearbeitung durch hohen Werkzeugverschleiß und plötzliches Schichtversagen Verifikation der Versuchsergebnisse mit einer weiteren CFK-Spezifikation (Decklage: Gewebeprepreg Sigratex CE S, Innenlage: Prepreg PR-DU CS 600/1250 FT ) Referenz-CFK [IWF]

6 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 6 Anwendungsfall Werkzeugeometrie - Hartmetallsubstrat - Beschichtung a) a) Mikrokristalline Diamantschicht; b) Nanokristalline Diamantschicht [IWF] b) 4 µm 4 µm Stufenbohrer zum Setzen von Nietbohrungen im Flugzeugbau Durchmesser d = 5,6 mm Schneiden z = 2 Verschiedene Hartmetallsubstrate Substrat A (6 % Co), Substrat B (10 % Co), Substrat C (5 % Co) Verschiedene Beschichtungen Nanokristallin, Mikrokristallin Stufenbohrer [IWF]

7 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 7 Zerspanuntersuchungen Werkzeugspindel Dynamometer CFK-Platte Vakuumplatte Zwischenstücke Versuchsaufbau und - parameter Aufspannung der Versuchswerkstücke erfolgte mit Vakuumspannvorrichtung Versuchsparameter: Drehzahl n = min -1 Vorschub v f = 360 mm/min Versuchswerkstoff: Airbus-CFK Tragfläche Materialstärke t = 15 mm Kontinuierliche Kraftmessung via. Dynamometer Typ 9125A der Fa. Kistler Instruments AG, Winterthur, Schweiz Bearbeitungszentrum Ultrasonic 260 Composites der Fa. Sauer Gmbh, Stipshausen [IWF] Analyse des Werkzeugverschleißes alle 10 Bohrungen Versuchsaufbau [IWF]

8 Nebenfreifläche Spanfläche Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 8 Zerspanuntersuchungen 40 µm Nebenfreifläche Werkzeugverschleiß Beispielhafte Darstellung des Werkzeugverschleißes für Substrat A Nano Abrasiver Verschleiß der Diamantschicht auf der Nebenfreifläche Spanfläche Schichtabplatzungen auf der Spanfläche, Freifläche unbeschädigt REM-Aufnahme des Werkzeuges Substrat A-1 Nano, 132 % Bohrungen [IWF] 200 µm 200 µm Bis Bohrung 120 % Schicht geschlossen 40 µm Nebenfreifläche Substrat A Micro als Referenz definiert (100 %) 200 µm 200 µm Spanfläche REM-Aufnahme des Werkzeuges Substrat A-1 Nano, 252 % Bohrungen [IWF] 132 % Bohrungen 252 % Bohrungen Lichtmikroskop-Aufnahmen des Werkzeuges Substrat A-1 Nano [IWF] Stufenbohrer mit markiertem Bereich für die Verschleißanalysen [IWF]

9 Werkzeugverschleiß V Anzahl der Bohrungen bis zum Verschleißende Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 9 Zerspanuntersuchungen 250,0 µm 125,0 62,5 Messgerät: Lichtmikroskop Olympus BX51 Werkstück: Airbus-CFK, Beschichtung unten Prozessparameter: n = min -1 v f = 360 mm/min 1. Schichtabplatzung Versuchsende 280 % Werkzeugverschleiß und Standweg Erste Schichtabplatzung ist definiert durch die erste am Lichtmikroskop sichtbare Schichtabplatzung Versuchsende entspricht der ersten Schichtabplatzung zzgl. 100 Bohrungen Nano-Beschichtung weist bessere Performance als Micro-Beschichtung auf Streuung der Versuchsergebnisse Substrat A Micro als Referenz definiert (100 %) 0 0 Hartmetallsubstrat und Beschichtung Hartmetallsubstrat und Beschichtung

10 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 10 Zerspanuntersuchungen Werkzeuge: Substrat A-15 Nano Substrat B-25 Nano Substrat A-36 Micro Werkstück: CFK Airbus, Beschichtung unten Prozessparameter: n = min -1 v f = 360 mm/min Stufenbohrer Substrat A-15 Nano Stufenbohrer Substrat B-25 Nano Stufenbohrer Substrat A-36 Micro Analyse der Vorschubkraft Kontinuierliche Kraftmessung über die gesamte Versuchszeit für ausgewählt Werkzeuge Kraftanstieg bei den Werkzeugen Substrat A-15 Nano und Substrat B-25 Nano mit den ersten Schichtabplatzungen Substrat A Micro als Referenz definiert (100 %) Werkzeug noch nicht im Eingriff Vorbohrstufe im Eingriff Vor- und Hauptbohrstufe im Eingriff Hauptbohrstufe im Eingriff Vorschubkraft F f 160 N Schichtabplatzung Vorschubkraft F f 120 N Werkzeuge: Substrat B-25 Nano Werkstück: CFK Airbus Prozessparameter: n = min -1 v f = 360 mm/min F f M % 200 Anzahl Bohrungen N ms 3000 Zeit t Versuchsaufbau zur Kraftmessung [IWF]

11 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 11 Zerspanuntersuchungen Einfluss der Werkstückaufspannung Untersuchung des Einflusses der Werkstückaufspannung auf den Werkzeugverschleiß Ergebnisse der Aufspannung mit Niederhaltern Aufspannung der Versuchswerkstücke mit Vakuumsystem [IWF] Werkzeugverschleiß bei erster Schichtabplatzung V = 58 µm Werkzeugverschleiß am Versuchsende V = 151 µm Eingesetztes Werkzeug: Substrat A Nano Unterschiede im Verlauf der Vorschubkraft nicht feststellbar Ein Einfluss der Aufspannung ist nicht feststellbar Erste Schichtabplatzung tritt bei ähnlichem Zeitpunkt (Bohrung 120 %) auf Aufspannung der Versuchswerkstücke mit Niederhaltern [IWF] Werkzeugverschleiß V bei erster Schichtabplatzung relativ gering

12 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 12 Zerspanuntersuchungen Werkstückbeschichtung Ziel: Überprüfung des Einflusses der Werkstückbeschichtung auf das Verschleißverhalten der Werkzeuge Versuchsaufbau mit steifer Aufspannung Alurahmen, Stahlrahmen und Spannpratzen Beschichtung mit Kupfernetz immer auf der Seite des Bohrereintritts Eingesetzte Werkzeugspezifikationen (je ein Werkzeug) Substrat A Nano Werkstückaufspannung [IWF] Substrat A Micro Substrat B Nano Substrat C Nano

13 Anzahl der Bohrungen bis zur ersten Schichtabplatzung Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK % Messgerät: Lichtmikroskop Olympus BX51 Werkstück: CFK Airbus, Beschichtung oben Prozessparameter: n = min -1 v f = 360 mm/min Zerspanuntersuchungen Versuchsergebnisse Vergleichbare Standwege wie bei den vorhergehenden Versuchen Jedoch nur ein Versuch durchgeführt Standwege streuen Validierung der Versuchsergebnisse erfolgt mit Referenz-CFK Substrat A Micro ist als Referenz definiert (Folie 9) Neuartiges Substrat C zeigt deutliche Tendenz zur Standzeiterhöhung Hartmetallsubstrat und Beschichtung

14 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 14 Eigenspannungsanalyse Y 2q Röntgenographische Eigenspannungsanalyse Analysen erfolgen am Fachgebiet Metallische Werkstoffe der TU Berlin Bragg sche Gleichung: nλ = 2d sin θ Bildunterschrift 1 [Quelle] Dehnung: ε = (d d 0 )/d 0 Röntgendiffraktometer [MW] Spannung: Hooke sches Gesetz σ = E ε Kristallgitter Elastische Dehnungen, (Eigen-) spannungen Anwendung des sin²ψ-verfahrens unter Verwendung von Laborröntgenstrahlung (CoKα/CuKα) d d* Kristallgitter [MW]

15 Eigenspannung σ Eigenspannung σ Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 15 0 MPa Messprinzip: Röntgendiffraktometrie in Reflexion Proben: Stufenbohrer Substrat A Substrat B Substrat C Eigenspannungsanalyse Ergebnisse Eigenspannungen Messort Tendenzieller Verlauf der Druckeigenspannungen Substrat B < Substrat C < Substrat A Vorbehandlung bewirkt deutliche Reduktion der Druckeigenspannungen 0 MPa Werkzeugzustand nano mikro Messprinzip: Röntgendiffraktometrie in Reflexion Proben: Hartmetallprobenkörper Substrat A Substrat B Stufenbohrer [MW] Messort Beschichtung bewirkt nur geringfügige Änderungen Mikrokristalline Schichten weisen höhere Druckeigenspannungen auf als nanokristalline Schichten Bei Substrat A (6 % Co) tendenziell geringere Druckeigenspannungen als bei Substrat B (10 % Co) Schichttopographie Probenkörper [MW]

16 Analyse von CVD-Diamantschichten bei der Bearbeitung von CFK 16 a) Zusammenfassung und Ausblick b) c) Übersicht der Werkzeuge [IWF] a) unbeschichtet b) vorbehandelt c) nano-beschichtet 10 µm Nano-Beschichtungen zeigt bessere Performance als Micro-Beschichtung Potential bei neuartigem Substrat C identifiziert Bisher keine eindeutige Korrelation von Eigenspannungen und Zerspanuntersuchungen Druckeigenspannung in der Schicht vorhanden gemäß Modell Indikator für hohe Standwege Weiteres Vorgehen Untersuchung weiterer Schichtsysteme Verwendung keramischer Substrate Werkzeugverschleiß Substrat A Micro [IWF] Analyse der Eigenspannungen

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Gerret Christiansen, M. Eng. Wissenschaftlicher Mitarbeiter Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Technische Universität Berlin Telefon: +49 (0) 30 / christiansen@iwf.tu-berlin.de Produktionstechnisches Zentrum (PTZ) Sekretariat PTZ 1 Pascalstr. 8-9 D Berlin