Einsetzbarkeit von Diamantdünnschichtelektrodensystemen für die Mikrosenkerosion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel der durchgeführten Arbeiten war die Erforschung, die Entwicklung und die Anwendung neuartiger verschleißfester Diamantdünnschichtelektrodensysteme für die Mikrosenkerosion. Mit diesem neu angewandten Werkzeugelektrodenwerkstoff aus Diamant wurden relevante Werkstoffe bearbeitet und die erzielten Ergebnisse hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit bewertet. Dabei wurden materialwissenschaftliche, technologische und maschinenspezifische Fragestellungen bearbeitet und geklärt. Zur Erzeugung dünner Mikrostabelektroden wurden feine Wolframdrähte in einem Substrathalter aus zwei Quarzglasrohren befestigt. Dieser Aufbau wurde sowohl für die haftfeste Diamantbeschichtung von Wolframdrähten als Mikrostabelektroden genutzt, als auch für die Beschichtung von Kupferdrähten für die Herstellung von Mikrorohrelektroden. Es wurden während der Projektlaufzeit Schichtdicken 3,0 µm ≤ z ≤ 18,0 µm, sowie mikro- und nanokristalliner Diamantmorphologie hergestellt, die ohne weitere Bearbeitungsschritte als Mikrostabelektroden beim IWF in Berlin getestet werden konnten. Das funkenerosive Senken der beschichteten Wolframdrähte mit Durchmessern d ≤ 0,06 mm führte unabhängig vom Durchmesser zu keinen wirtschaftlichen Ergebnissen. Der Großteil der Elektroden ist beim Erosionsprozess abgebrannt, sodass Mikrobohrungen mit nur geringer Tiefe entstanden sind. Grund können hier auch die schlechten Spülbedingungen sein, da aufgrund der geringen Biegefestigkeit auf eine seitliche Außenspülung verzichtet werden musste. Der Ansatz zur Herstellung von Mikrorohrelektroden ist mit dem Vorgehen für Mikrostabelektroden identisch, jedoch wurden anstelle der Wolframdrähte, Drähte aus Kupfer als Substrate verwendet. Zudem wurde die Beschichtungszeit tB deutlich verlängert, um stabile Diamantröhrchen mit einer ausreichenden Wandstärke dW herstellen zu können. Für das Herauslösen des Kupfers wurde zum einen ein rein nasschemischer sowie elektrochemischer Ansatz untersucht. Jedoch führte keiner der Ansätze und u.a. der Einsatz eines Ultraschallgeräts, aufgrund des sehr kleinen Innendurchmessers der Röhrchen, zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Auch das Ätzen für 30 Tage brachte keinen merklich tieferen Ätzfortschritt. Bei der Erstellung der Diamantdünnschichtfolien konnte durch Aufbringen einer nanokristallinen Gegenschicht eine Reduzierung der Verbiegung herbeigeführt werden. Eine weitere Reduzierung entstand durch das größere Widerstandsmoment, das die Folien durch die spätere Mikrostrukturierung erhalten haben. Die Strukturierung der Diamantdünnschichtfolien erfolgte zum einen direkt durch Laserablation, zum anderen indirekt durch Strukturierung eines Kupfersubstrats und anschließendem CVD-Beschichten. Versuche zur Direktstrukturierung wurden sowohl am WTM als auch am IWF vorgenommen. Am WTM wurde festgestellt, dass es am Rand von erstellten Strukturen zu erhöhtem Abtrag und somit zu ungewollten Vertiefungen gekommen ist. Die Untersuchungen am IWF resultierten in einem „Schrupp“- und einem „Schlichtparametersatz“, die die möglichst effiziente Strukturierung von Bor-dotiertem CVD-Diamant ermöglichen. Zur replikativen Strukturierung von CVD-Diamantfolien wurden zunächst unterschiedliche Strukturen mittels Drahterosion in die Kupfersubstrate eingebracht. So konnten die Grenzen des Beschichtungsprozesses identifiziert werden. Für die eigentlichen CVD-µEDM- Elektroden wurde mit einer Mikrofräsanlage eine Treppenstruktur mit einer Höhe h = 30 µm in die Kupfersubstrate eingebracht. Die Übertragung der Struktur verlief problemlos, jedoch stellte das Ablösen der CVD-Diamantdünnschicht ein großes Problem dar, sodass nur die kleinsten Strukturflächen mit Außenmaßen a = 10 mm zerstörungsfrei gelöst werden konnten. Die Untersuchungen zum Einsatz der Diamantdünnschichtfolien als Werkzeugelektroden in der Mikrofunkenerosion zeigten, dass die Übertragung von Mikrogeometrien unter Einsatz von Diamantdünnschichtelektrodensystemen grundsätzlich möglich ist. Dabei können auch sehr geringe Strukturgrößen im Bereich von 20 µm ≤dS ≤ 30 µm funkenerosiv abgebildet werden. Der zeitliche Aufwand für die Elektrodenherstellung ist dabei jedoch hoch und muss gerechtfertigt sein. Der Einsatz von Relaxationsentladungen führte zu hohen Verschleißwerten, speziell zu Beginn der Erosionsprozesse. Dieser kann durch Erhöhung der Entladekapazität Ce erheblich reduziert werden, was die minimal übertragbare Strukturgröße erhöht. Die besten Verschleißwerte werden mit statischen Entladungen erreicht, die für die Mikrofunkenerosion aufgrund zu großer Durchmesser der Entladekrater d nicht nutzbar sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- CVD-Diamantfolien für die Mikrofunkenerosion, Mikroproduktion, Ausgabe 5, 2016
Uhlmann, E.; Rosiwal, S.; Bolz, R.; Borchardt, R.; Hein, C.
- Direktstrukturierung von CVD-Diamant durch Laserablation, Diamond Business, Ausgabe 2, 2017
Uhlmann, E.; Hein, C.; Bolz, R.; Dörr, M.
