Erhöhung der Prozesssicherheit der Ultrapräzisions-Zerspanung durch direkte Temperaturmessung in Schneidteilen aus monokristallinem Diamant mittels Einsatz einer Bor-Dotierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317330168

Für die spanende Herstellung von optischen Bauteilen aus den Bereichen der Automobil-, Medizintechnik- oder Luft- und Raumfahrtindustrie ist die Ultrapräzisionsbearbeitung einetabliertes Verfahren. Durch Nutzung monokristalliner Diamantwerkzeuge mit Schneidkantenrundungen rβ ≤ 50 nm ist die Erzeugung optisch funktionaler Oberflächen, wie für Gitterstrukturen, Linsen oder Spiegel, realisierbar. Trotz der hohen mechanischen Härte H ≈ 10.000 HV von Diamant kommt es während des Zerspanprozesses zu Verschleißvorgängen am Diamantwerkzeug. Zur Charakterisierung und Interpretation dieser Verschleißphänomene muss die Temperaturentwicklung in der Wirkzone Werkstück-Werkzeug analysiert werden. Bisher sind die Temperaturen ϑ im Diamantwerkzeug nicht umfassend genug untersucht. Das ist vor allem begründet durch die nur unzureichende Eignung konventioneller Temperaturmessmethoden hinsichtlich Auflösung A, Ansprechzeit tA oder Baugröße. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, anhand ionenimplantierter BDD, unter Nutzung der elektrosensorischen Eigenschaften, direkte Temperaturmessungen in der Schneidzone der Diamanten durchführen zu können. Die Ergebnisse aus dem ersten Förderungszeitraum zeigten, dass eine grundlegende Einsatzfähigkeit des ionenimplantierten BDD zur Messung der Temperaturen ϑ realisierbar ist. Aufgrund einiger Faktoren, unter anderem die Dotierungsmethode, war eine genaue Temperaturmessung in der Schneidzone nicht umsetzbar. Der zweite Förderungszeitraum umfasst daher eine genauere Dotierungsmethode, um gezielte Strukturen in den Diamanten einbringen zu können. Die Vorteile im Vergleich zum ersten Förderungszeitraum sind die Erhöhung der Sensitivität der Temperaturmessung in der Schneidzone, die Vermeidung starker Ausbrüche der eingesetzten Diamanten sowie die Realisierung einer besseren Schleifbarkeit der Diamanten. Der grundlegende Lösungsansatz besteht darin, die Eigenschaften sowie die charakteristischen Merkmale der Bor-dotierten Strukturen zu untersuchen und geeignete Prozessfenster für den Einsatz in der UP-Zerspanung zu identifizieren. Zur Bestimmung der Temperaturen ϑ in der Schneidzone, wird ein vollständiger Messaufbau konzipiert und entwickelt. Darauf aufbauend werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, welche die Temperaturentwicklungen in der Schneidzone zeigen. Die Ergebnisse sind anhand von Simulationen zur Verifizierung durchzuführen, mit denen ein Temperaturmodell erzeugt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen