Erhöhung der Prozesssicherheit der Ultrapräzisions-Zerspanung durch direkte Temperaturmessung in Schneidteilen aus monokristallinem Diamant mittels Einsatz einer Bor-Dotierung
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Stand der Technik vorliegenden Temperaturmessmethoden weisen bei deren Einsatz im Bereich der Ultrapräzisions-Zerspanung erhebliche Limitierungen hinsichtlich Auflösegenauigkeit GA und Zugänglichkeit zur Schneidkante auf, wobei das Verständnis zur Temperaturentwicklung während des Zerspanungsprozesses bislang nicht vollständig erschlossen ist. Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines dedizierten Temperaturmesssystems auf Basis Bor-dotierter monokristalliner Diamanten (BDD) als Temperatursensor zur hochsensitiven Erfassung der Zerspanungstemperaturen ϑZ bei der ultrapräzisen Drehbearbeitung. Die im Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse zur Anwendung von BDD als Temperatursensor in der Ultrapräzisions-Zerspanung zeigten die grundlegende Funktionalität sowie die Einsatzfähigkeit des Temperatursensors bei der ultrapräzisen Drehbearbeitung. Im Rahmen der Untersuchungen konnten die Abhängigkeiten zwischen den elektrosensorischen Eigenschaften Widerstand R, Dotierungsgrad dG, Dotierungslänge dL sowie der Temperatur ϑ identifiziert und Erkenntnisse zur Anwendung der BDD, um diese zur hochsensitiven Temperaturmessung zu nutzen, abgeleitet werden. Des Weiteren konnte ein dediziertes Werkzeugkonzept mit geeigneten Kontaktierungsmöglichkeiten und funktionaler Messelektronik sowie eine prozesssichere und hochsensitive Kalibrationsroutine entwickelt werden. Darauf aufbauend wurde eine grundlegende experimentelle Analyse zum Prozessverhalten der BDD bei der ultrapräzisen Drehbearbeitung durchgeführt und die erfolgreiche Einsatz- und Funktionsfähigkeit als hochsensitiven Temperatursensor nachgewiesen. Abschließend konnten im Rahmen von Simulationen die Maximaltemperaturen an der Schneidkante ϑS,M, aufgrund einer Abstandsdifferenz lA zwischen Schneidkante und realer Bor-Dotierung, abgeleitet werden. Zum Abschluss des Forschungsprojektes liegt somit ein funktionsfähiges Temperaturmesssystem vor, mit dem die Zerspanungstemperaturen ϑz im Bereich der Ultrapräzisions-Zerspanung mit einer deutlich gesteigerten Sensitivität im Vergleich zu den im Stand der Technik eingesetzten Temperaturmessmethoden erfassbar sind. Dabei konnte der Einfluss relevanter Faktoren wie Zugänglichkeit zur Schneidkante, Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmeübergangskoeffizient hW , Schneidstoff- und Werkstoffmodifikation, welche die Temperaturmessung erheblich beeinflussen, vollständig vermieden bzw. deutlich reduziert werden. Hieraus wird das erhebliche Potential zum Einsatz von ionenimplantierten BDD als Temperatursensoren ersichtlich, welches in weiterführenden Forschungsarbeiten weiter untersucht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Direct temperature measurement in ultra-precision cutting by using conductive monocrystalline boron-doped diamond as cutting tool. Diamond Business 1 (2019), S. 6 - 10
Uhlmann, E.; Perfilov, I.; Frenzel, S.; Polte, M. & Polte, J.
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Boron-doped single crystal diamond for temperature measurement in the cutting zone. Special Interest Group Meeting: Micro/Nano Manufacturing, Euspen, Berlin, 27.11.2019
Uhlmann, E.; Polte, M.; Polte, J.; Kuche, Y. & Hocke, T.
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Boron-doped monocrystalline diamond as cutting tool for temperature measurement in the cutting zone. Procedia CIRP, 101(2021), 258-261.
Uhlmann, E.; Polte, J.; Polte, M. & Hocke, T.
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Characterisation and investigation of ionimplanted boron-doped single crystal diamonds as temperature sensor for ultra-precision machining. euspen´s 23nd International Conference & Exhibition, Copenhagen, DK, 2023, S. 63 – 64
Uhlmann, E.; Polte, M.; Hocke, T. & Thißen, K.
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Edge Computing Software für den Zerspanungsprozess/Edge computing software for the chipping process – Enabling data-intensive innovation in industry through open data and open source. wt Werkstattstechnik online, 113(07-08), 311-314.
Uhlmann, Eckart; Polte, Mitchel; Hocke, Toni & Heper, Martin
