EP3135434A1 - Verfahren zum herstellen eines mehrdimensional skalierbaren werkzeugs - Google Patents

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EP3135434A1
EP3135434A1 EP16185598.6A EP16185598A EP3135434A1 EP 3135434 A1 EP3135434 A1 EP 3135434A1 EP 16185598 A EP16185598 A EP 16185598A EP 3135434 A1 EP3135434 A1 EP 3135434A1
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EP
European Patent Office
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recesses
abrasive particles
layer
primary
tool
Prior art date
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EP16185598.6A
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English (en)
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EP3135434B1 (de
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Alexander Strauss
Thomas Studnitzky
Bernd Kieback
Dirk Büttner
Michael Jank
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Diabue Diamantwerkzeuge Heinz Buettner GmbH
Original Assignee
Diabue Diamantwerkzeuge Heinz Buettner GmbH
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Publication date
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    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24D11/00—Constructional features of flexible abrasive materials; Special features in the manufacture of such materials
    • B24D11/001—Manufacture of flexible abrasive materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24D11/04—Zonally-graded surfaces
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    • B24D5/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting only by their periphery; Bushings or mountings therefor
    • B24D5/02—Wheels in one piece
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    • B24D5/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting only by their periphery; Bushings or mountings therefor
    • B24D5/14—Zonally-graded wheels; Composite wheels comprising different abrasives
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    • B24D7/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor
    • B24D7/02—Wheels in one piece
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    • B24D7/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor
    • B24D7/14—Zonally-graded wheels; Composite wheels comprising different abrasives

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a multi-dimensionally scalable tool.
  • abrasive tools In various industrial areas, abrasive tools are used which have a defined arrangement of cutting particles. In addition to problems relating to a tool life cycle, abrasive tools with ordered cutting particles are in the foreground, above all in the area of fine-cut applications. However, a series production of such tools by means of known manufacturing processes is complex or associated with high production costs. In addition, current solutions are subject to geometric constraints.
  • the document discloses DE 10 2009 053570 B4 a cold press process for producing a graded diamond cutting tool.
  • the cold-pressing process By using the cold-pressing process, however, considerable limitations in the geometric xy resolution of the cutting particle positions are to be expected, as well as a resolution which can not be used or which can only be used to a limited extent in the z-direction.
  • the present invention is therefore based on the object to propose a method for producing a tool which avoids the disadvantages mentioned, with which thus abrasive particles can be easily arranged at defined positions of the tool.
  • a green part is produced by first by screen printing a recessed primary layer is made of a provided with an organic binder system primary material and subsequently introduced by stencil printing in the recesses abrasive particles. Then, a cover layer of the primary material provided with the organic binder system for fixing the abrasive particles in the recesses is applied by screen printing. The tool is finally obtained by a final heat treatment of the greens.
  • the abrasive particles can be introduced in a targeted manner in the primary layer and thus in the finished tool.
  • the spatial positions of the recesses and thus also subsequently introduced into these abrasive particles or cutting particles are therefore defined and precisely defined.
  • stencil printing these abrasive acting Particles continue to be easily and quickly introduced and positioned.
  • the final cover layer finally fixes the cutting particles.
  • the final heat treatment expels the organic binder system, which preferably has polymer binders and additives, and the primary material remains and shapes the tool.
  • Screen printing is to be understood here as meaning a process in which the primary material to be applied, including the admixed organic binder system, is printed through a fine mesh screen.
  • the primary material and the organic binder system added to the primary material are preferably in the form of a printing paste.
  • the screen itself typically has a shading structure layout as a coating at points which are not to be printed.
  • stencil printing is intended to describe a process in which only one stencil is used, ie no sieve is used.
  • the abrasive particles are applied or introduced into the recesses by doctoring. This allows a fast and safe processing of the abrasive particles.
  • the doctoring is preferably carried out with a doctor blade or a broom squeegee.
  • the primary material provided with the organic binder system is typically also processed and applied or applied by screen printing by screen printing.
  • At least one subsequent layer is applied to the layer provided with the abrasive particles before the application of the cover layer in an intermediate step.
  • the recesses are usually arranged spatially offset from the recesses of the primary layer or an adjacent layer, so that the recesses of the layer already applied with the abrasive particles contained therein are filled with the primary material provided with the binder system.
  • the recesses may have a diameter between 40 .mu.m and 3 mm, preferably between 50 .mu.m and 2.5 mm, particularly preferably between 100 .mu.m and 1 mm, in order to be able to absorb typical abrasive particles.
  • the multilayer tool produced by the method typically has a length, width and / or depth of between 3 mm and 300 mm, preferably between 10 mm and 250 mm, particularly preferably between 50 mm and 100 mm.
  • a depth of the recesses of at least 75 percent to a maximum of 100 percent of a maximum diameter of the abrasive particles can be maintained, so that the abrasive particles either disappear straight into the recesses or protrude a little way.
  • the geometric properties of the recesses, in particular their diameter and depth, can be identical for all recesses. Alternatively, however, it can also be provided that the recesses are shaped differently and / or have different properties. Finally, it can also be provided that within a single layer, the recesses are made identical, but an adjacent layer has recesses with different dimensions and shapes.
  • the recesses may have openings that are circular, triangular, rectangular, polygonal, oval or free-curved. Accordingly, the abrasive particles can be shaped differently and each have different sizes. But it can too be provided that all abrasive particles, which are introduced into the green part, which is also referred to as a green compact, have the same dimensions and an identical shape. Of course, it is also possible that all abrasive particles introduced in a single layer are identical, but the abrasive particles of different layers are configured differently.
  • stencil printing uses a stencil having a thickness of at most 30 percent of the maximum diameter of the abrasive particles in order to reliably perform stencil printing.
  • the abrasive particles may be formed from diamond and / or from a hard material, preferably a nitride material, an oxide material or a carbide material, particularly preferably of silicon carbide or tungsten carbide. It can be formed of an identical material, all abrasive particles used, but it can also be used in each case different materials. In addition, it is possible that all abrasive particles incorporated in a single layer are of the same material. The abrasive particles can all have an identical shape, but differently shaped particles can also be used.
  • the primary material may be formed of metal, with sintering, pressure sintering, free sintering, hot pressing, hot isostatic pressing and / or soldering being typically used for the final heat treatment in this case.
  • a multilayer tool with abrasive particles is preferably prepared by the described method.
  • this tool is an abrasive grinding wheel, an abrasive saw blade, an abrasive cutting bead for a sawing wire or an abrasive drill bit.
  • FIG. 1 is shown in a schematic side view of a primary layer 1 of a primary material with recesses 2 introduced.
  • the primary layer 1 and the recesses 2 were produced by screen printing by printing a printing paste from the primary binder material provided with an organic binder system through a screen 8 by means of a doctor blade, the screen 8 at the positions of the recesses 2 an integrated layout 9 for shading including underlying areas. This can be done by a single screen printing process, but it can also be done several screen printing operations. By doctoring the primary material in the context of the screen printing process, the primary layer 1 is produced quickly and with a desired layout.
  • the recesses 2 which may also be referred to as cavities, cavities or channels, have a width between 40 .mu.m and 3 mm and a distance equal to each other.
  • all recesses 2 of the primary layer 1 are the same, ie have an identical width and an identical depth.
  • the illustrated embodiments have a square opening, so their maximum width is equal to their maximum length. In other exemplary embodiments, however, the opening can of course also have other shapes, for example round, or the recesses 2 can also all have different dimensions. It can also be provided that identical recesses 2 are provided periodically repeating in the primary layer 1. Likewise, the distances between the individual recesses 2 may be different.
  • FIG. 2 shows in one FIG. 1 corresponding view, an introduction of abrasive particles 3 of diamond or cutting particles in the recesses 2.
  • the abrasive particles 3 are in the illustrated embodiment in cross-section triangular, but may also have any other shapes.
  • the recesses 2 have a depth that corresponds to just 75 percent of a maximum diameter of the abrasive particles 3. The abrasive particles 3 therefore protrude once they have been introduced into the recesses 2, out of these. In other exemplary embodiments, however, a flush termination of the abrasive particles 3 with an opening of the recesses 2 can also be present.
  • the abrasive particles 3 may also be formed of silicon carbide or tungsten carbide.
  • the abrasive particles 3 may not all be made of a single material, but there may also be a mixture of abrasive particles 3 of different materials.
  • the abrasive particles 3 are introduced by a stencil pressure in the recesses 2.
  • a stencil 4 is placed over the primary layer 1, and the abrasive particles 3 are guided through openings of the stencil 4 by means of a slide blade 5.
  • a maximum particle size here is less than or equal to a minimum template opening, ie the openings of the template 4 can all be the same, but also have different shapes or dimensions.
  • a broom squeegee preferably a multi-stage and / or multi-zone brush squeegee, can also be used.
  • the stencil 4 has a maximum thickness of 30 percent of the maximum diameter of the abrasive particles 3.
  • all of the abrasive particles 3 used for the primary layer 1 are identical, but it is also possible to use identical particles 3 only for one layer or to use different particles 3 independently of the layer.
  • dry doctoring thus only the abrasive particles 3 are introduced into the recesses 2, wherein in one of the recesses 2 exactly one of the abrasive particles 3 fits and can be dispensed with further additives.
  • FIG. 3 The application of a follower layer 7 or, if this layer to be applied is the final layer, to a cover layer on the abrasive particles 3 introduced into the primary layer 1 is shown in FIG FIG. 3 in a FIG. 1 corresponding schematic sectional view shown.
  • the follow-up layer 7 is in turn applied from the powdery or pasty and provided with the organic binder system primary material through the sieve 8 with an integrated layout, wherein at the positions of the abrasive particles 3, the integrated layout 9, the sieve 8 closes. If the cover layer is applied as the last layer to be applied, the recesses 2 of the immediately underlying layer are merely filled but no new recesses 2 are formed.
  • the abrasive particles 3 are embedded in the primary material and at the same time defined and formed by the shaded areas, when applying the follow-up layer 7 new recesses 2.
  • the follower layer 7 or cover layer is in this case directly on the filled primary layer 1, the recesses of the primary layer 1 are thus closed by the application of the follower layer 7 and the cover layer and the abrasive particles 3 embedded and fixed in the primary layer.
  • FIG. 4 shows in one FIG. 1 corresponding view another applied subsequent layer 7 from the provided with the organic binder system primary material to the primary layer 1, in which the abrasive particles 3 are completely embedded.
  • the follower layer 7 is likewise applied by screen printing, but the positions of the recesses 2 of this follower layer 7 and, correspondingly, the positions of the abrasive particles 3 are spatially offset from the positions of the abrasive particles 3 in the primary layer 1.
  • the following is referred to here 7 applied the cover layer 6 and carried out the final heat treatment.
  • both thin wall structures and small hole diameter of the recesses 2 can be generated with corresponding powdered materials.
  • the three-dimensional screen printing method and the combination with the stencil printing method it is possible to produce in addition to the structure structure also a targeted and defined reproducible filling of hollow structures or recesses 2.
  • the abrasive particles 3 having a defined shape layout are introduced through the positioned template 4 into the previously printed channels, cavities or recesses 2. Following a position of these cutting particles or abrasive particles 3, the current structure can be further printed unchanged or closed by layout change or by a cover layout with the cover layer 6.
  • Cutting tools produced by the method described can be designed to be very free and definable. In addition to free forms, especially channels, cavities or cavities can be generated. This free design is also an integration of z. As cooling channels, guide grooves, support or integration structures during component formation possible. By changing the print layout, especially by changing a used Stencil, during the layered structure of the abrasive particles 3, an adjustable offset of the abrasive particles 3 between the individual layers or layers can be implemented. This ensures that abrasively acting particles 3 are always available in the finished cutting tool along a wear axis.
  • the abrasive particles 3 may have an adapted and narrow powder distribution curve and may be smaller than a maximum diameter of a template opening.
  • a template layout change it is furthermore possible to use different abrasives, ie different materials for the abrasive particles 3, within the defined three-dimensionally ordered particle positions.
  • a local concentration or a gradation of the abrasive particles 3 within the cutting tool is made possible by the Drucksieb- or stencil layout change described.
  • FIG. 5 another embodiment of the multilayer tool is shown.
  • the tool is now annular and constructed in two layers with a primary layer 1 and a secondary layer 7.
  • the abrasive particles 3 are introduced into concentration islands, ie there are regions in each of the layers in which there is an increased concentration of the abrasive particles 3.
  • concentration islands are offset in each of the layers 1 and 7 just by 90 ° to each other, but the concentration islands of the primary layer 1 are each offset by 45 ° relative to the concentration islands of the follow-up layer 7. Due to the layout change, both the particle concentration and the particle positions between the individual layers can be varied and gradation in the direction of construction can be achieved.
  • the cover layer 6 is typically applied to the subsequent layer 7.
  • FIG. 6 shows one FIG. 5 corresponding perspective view of a cuboid.
  • the cuboid is again of two layers, the primary layer 1 and the subsequent layer 7, constructed, are introduced into the abrasive particles 3 in the form of concentration islands.
  • the concentration islands of the abrasive particles 3 are arranged periodically in the respective layers 1 and 7 with the same period length, but concentration islands in the respective layers 1 and 7 are offset from one another by half a period in each case.
  • the concentration islands can also arbitrarily, so in particular not periodically arranged in the respective layer 1 and 7 or it can also have only one of the layers 1 or 7 concentration islands, while the other of the layers 1 or 7, a continuous distribution of the abrasive body 3 has.
  • the abrasive bodies 3 may be arranged evenly spaced from each other, so there is a uniform distribution, but it may also be a free distribution of the abrasive body 3 present in the concentration islands.
  • a layer system with introduced abrasive bodies 3 but of course also any other shapes, in particular spherical or cylindrical, wherein the individual layers 1 and 7 may be round, oval or elliptical in their basic form.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Werkzeugs, bei dem ein Grünteil hergestellt wird, indem durch Siebdruck eine mit Aussparungen (2) versehene Primärschicht (1) aus einem mit einem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff hergestellt wird und nachfolgend durch Schablonendruck in die Aussparungen (2) abrasiv wirkenden Partikel (3) eingebracht werden sowie danach durch Siebdruck eine Folgeschicht (7) oder eine Deckschicht (6) aus dem mit dem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff zum Fixieren der abrasiv wirkenden Partikel (3) in den Aussparungen (2) aufgebracht wird. Durch eine abschließende Wärmebehandlung des Grünteils wird das Werkzeug erhalten. Durch eine Wiederholung der beschriebenen Schritte lasssen sich mehrdimensionale Werkzeuge mit beliebiger Anordnung der abrasiv wirkenden Partikel (3) herstellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrdimensional skalierbaren Werkzeugs.
  • In verschiedenen Industriegebieten werden abrasive Werkzeug eingesetzt, die über eine definierte Anordnung von Schneidpartikeln verfügen. Neben Problemen hinsichtlich eines Werkzeuglebensdauerzyklus stehen hier vor allem im Bereich von Feinschnittanwendungen abrasive Werkzeuge mit geordneten Schneidpartikeln im Vordergrund. Eine Serienfertigung derartiger Werkzeuge mittels bekannter Herstellungsverfahren ist jedoch aufwändig bzw. mit hohen Produktionskosten verbunden. Zudem unterliegen aktuelle Lösungen geometrischen Einschränkungen.
  • Dies bedeutet zum Beispiel, dass Lösungskonzepte in ihren minimal möglichen Positionierungsmaßen für Abrasivstoffe aufgrund von Verfahrensgrenzen beschränkt sind. Weiterhin kann keine reproduzierbare und wiederholt definiert vorgegebene Schneidpartikelüberlappung generiert werden, die eine Schneideffizienz derartiger Werkzeuge erhöht.
  • So offenbart beispielsweise die Druckschrift DE 10 2009 053570 B4 einen Kaltpressprozess zum Herstellen eines Schneidwerkzeugs mit geordneten Diamanten. Durch die Verwendung des Kaltpressverfahrens sind aber erhebliche Einschränkungen in der geometrischen x-y-Auflösung der Schneidpartikelpositionen zu erwarten, sowie eine nicht oder nur begrenzt nutzbare Auflösung in z- Richtung.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs vorzuschlagen, das die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also abrasiv wirkende Partikel an definierten Positionen des Werkzeugs einfach angeordnet werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Bei einem Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Werkzeugs wird ein Grünteil hergestellt, indem zunächst durch Siebdruck eine mit Aussparungen versehene Primärschicht aus einem mit einem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff hergestellt wird und nachfolgend durch Schablonendruck in die Aussparungen abrasiv wirkende Partikel eingebracht werden. Dann wird durch Siebdruck eine Deckschicht des mit dem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoffs zum Fixieren der abrasiv wirkenden Partikel in den Aussparungen aufgebracht. Das Werkzeug wird schließlich durch eine abschließende Wärmebehandlung des Grünzeugs erhalten.
  • Durch das Verwenden von Siebdruck zum Definieren und Herstellen der Aussparungen können die abrasiv wirkenden Partikel gezielt in der Primärschicht und somit in dem fertigen Werkzeug eingebracht werden. Die räumlichen Positionen der Aussparungen und damit auch der nachfolgend in diese eingebrachten abrasiv wirkenden Partikel oder Schneidpartikel sind daher festgelegt und genau definiert. Durch Schablonendruck können diese abrasiv wirkenden Partikel weiterhin einfach und schnell eingebracht sowie positioniert werden. Die abschließende Deckschicht fixiert die Schneidpartikel schließlich. Durch die abschließende Wärmebehandlung wird das organische Bindemittelsystem, das vorzugsweise Polymerbinder und Additive aufweist, ausgetrieben und der Primärwerkstoff verbleibt und formt das Werkzeug.
  • Unter Siebdruck soll hierbei ein Verfahren verstanden werden, bei dem der aufzubringende Primärwerkstoff samt des beigemischten organischen Bindemittelsystems durch ein feinmaschiges Sieb gedruckt wird. Hierzu liegt der Primärwerkstoff und das dem Primärwerkstoff beigefügte organische Bindemittelsystem vorzugsweise in Form einer Druckpaste vor. Das Sieb selbst weist typischerweise an nicht zu bedruckenden Stellen ein abschattendes Strukturlayout als Beschichtung auf. Schablonendruck soll demgegenüber ein Verfahren bezeichnen, bei dem lediglich eine Schablone verwendet wird, also kein Sieb zum Einsatz kommt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die abrasiv wirkenden Partikel durch Rakeln in die Aussparungen aufgebracht bzw. eingebracht werden. Dies erlaubt eine schnelle und sichere Verarbeitung der abrasiv wirkenden Partikel. Vorzugsweise erfolgt das Rakeln mit einer Schieberakel oder einer Besenrakel. Ebenso wird typischerweise auch der mit dem organischen Bindemittelsystem versehene Primärwerkstoff beim Siebdruck durch Rakeln bearbeitet und aufgebracht bzw. eingebracht.
  • Typischerweise wird vor dem Aufbringen der Deckschicht in einem Zwischenschritt mindestens eine Folgeschicht auf die mit den abrasiv wirkenden Partikeln versehene Schicht aufgebracht. Bei dieser Folgeschicht sind die Aussparungen üblicherweise räumlich versetzt zu den Aussparungen der Primärschicht oder einer benachbarten Schicht angeordnet, so dass auch die Aussparungen der bereits aufgebrachten Schicht mit den darin enthaltenen abrasiv wirkenden Partikeln mit dem mit dem Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff gefüllt werden. Dies erlaubt es, in dreidimensionalem Siebdruck in ihrer Raumstruktur optimierte abrasive Werkzeuge mit engen Positionierungsmaßen herzustellen, wobei die Positionen im dreidimensionalen Bauteilraum nahezu frei definierbar sind. Es lässt sich hiermit eine höhere Konzentration von abrasiv wirkenden Partikeln erreichen und auch räumlich lokale Konzentrationen oder Konzentrationsgradienten der abrasiv wirkenden Partikel generieren. Durch ein Wiederholen der beschriebenen Schritte lässt sich somit ein mehrdimensionales Schneidwerkzeug herstellen.
  • Zudem kann vorgesehen sein, integrierte, frei gestaltbare Führungskanäle und bzw. oder Kühlkanäle durch das beschriebene Verfahren einzubringen oder Haltestrukturen und bzw. oder Fixierungsstrukturen innerhalb oder an dem Werkzeug vorzusehen. Durch die verschiedenen Siebdruckschritte mit jeweils einstellbaren Eigenschaften der herzustellenden Schicht können nahezu beliebige Strukturen in dem Werkzeug realisiert werden.
  • Die Aussparungen können einen Durchmesser zwischen 40 µm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 2,5 mm, besonders vorzugsweise zwischen 100 µm und 1 mm ausgebildet sein, um typische abrasiv wirkende Partikel aufnehmen zu können. Das durch das Verfahren hergestellte mehrschichtige Werkzeug weist typischerweise eine Länge, Breite und bzw. oder Tiefe von zwischen 3 mm und 300 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 250 mm, besonders vorzugsweise zwischen 50 mm und 100 mm auf.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Tiefe der Aussparungen von mindestens 75 Prozent bis maximal 100 Prozent eines maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel eingehalten werden, so dass die abrasiv wirkenden Partikel entweder gerade in den Aussparungen verschwinden oder ein Stück weit herausragen. Die geometrischen Eigenschaften der Aussparungen, insbesondere deren Durchmesser und Tiefe, können identisch bei allen Aussparungen sein. Es kann alternativ aber auch vorgesehen sein, dass die Aussparungen unterschiedlich geformt sind und bzw. oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass innerhalb einer einzelnen Schicht die Aussparungen identisch ausgeführt sind, eine benachbarte Schicht jedoch Aussparungen mit unterschiedlichen Abmessungen und Formen aufweist.
  • Die Aussparungen können Öffnungen aufweisen, die kreisförmig, dreieckig, rechteckig, vieleckig, oval oder freigeschwungen ausgeführt sind. Dementsprechend können auch die abrasiv wirkenden Partikel unterschiedlich geformt sein und jeweils unterschiedliche Größen aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass alle abrasiv wirkenden Partikel, die in das Grünteil, das auch als Grünling bezeichnet wird, eingebracht werden, gleiche Abmessungen und eine identische Form aufweisen. Es ist aber natürlich auch möglich, dass alle in einer einzelnen Schicht eingebrachten abrasiv wirkenden Partikel identisch sind, allerdings die abrasiv wirkenden Partikel verschiedener Schichten unterschiedlich ausgestaltet sind.
  • Typischerweise wird für den Schablonendruck eine Schablone verwendet, die eine Dicke von maximal 30 Prozent des maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel aufweist, um den Schablonendruck zuverlässig durchführen zu können.
  • Die abrasiv wirkenden Partikel können aus Diamant und bzw. oder aus einem Hartstoff, vorzugsweise einem Nitridwerkstoff, einem Oxidwerkstoff oder einem Karbidwerkstoff, besonders vorzugsweise aus Siliziumkarbid oder Wolframkarbid, ausgebildet werden. Es können alle verwendeten abrasiv wirkenden Partikel aus einem identischen Werkstoff ausgebildet sein, es können aber auch jeweils verschiedene Werkstoffe verwendet werden. Außerdem ist es möglich, dass alle in einer einzelnen Schicht eingebrachten abrasiv wirkenden Partikel aus dem gleichen Werkstoff sind. Die abrasiv wirkenden Partikel können alle eine identische Form aufweisen, es können aber auch unterschiedlich geformte Partikel zum Einsatz kommen.
  • Der Primärwerkstoff kann aus Metall ausgebildet sein, wobei für die abschließende Wärmebehandlung in diesem Fall typischerweise Sintern, Drucksintern, freies Sintern, Heißpressen, heißisostatisches Pressen und bzw. oder Löten eingesetzt wird.
  • Ein mehrschichtiges Werkzeug mit abrasiv wirkenden Partikeln wird vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt. Typischerweise ist dieses Werkzeug eine abrasive Schleifscheibe, ein abrasives Sägeblatt, eine abrasive Schneidperle für ein Sägeseil oder eine abrasive Bohrkrone.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittansicht einer Primärschicht mit eingebrachten Aussparungen;
    Fig. 2
    eine Fig. 1 entsprechende Ansicht eines Schablonendrucks von abrasiv wirkenden Partikeln;
    Fig. 3
    eine Fig. 1 entsprechende Ansicht von eingebetteten abrasiv wirkenden Partikeln;
    Fig. 4
    eine Fig. 1 entsprechende Ansicht eines Aufbringens einer weiteren Schicht abrasiv wirkender Partikel;
    Fig. 5
    eine perspektivische Ansicht eines ringförmigen Werkzeugs mit zwei Schichten und
    Fig. 6
    eine Figur 5 entsprechende perspektivische Ansicht eines Quaders mit zwei Schichten und in die Schichten eingebrachten abrasiv wirkenden Partikeln.
  • In Figur 1 ist in einer schematischen Seitenansicht eine Primärschicht 1 aus einem Primärwerkstoff mit eingebrachten Aussparungen 2 dargestellt. Die Primärschicht 1 und die Aussparungen 2 wurden durch einen Siebdruck hergestellt, indem mittels eines Rakels eine Druckpaste aus dem mit einem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff durch ein Sieb 8 gedruckt wird, wobei das Sieb 8 an den Positionen der Aussparungen 2 ein integriertes Layout 9 zum Abschatten darunter liegender Bereiche aufweist. Dies kann durch einen einzelnen Siebdruckvorgang erfolgen, es können aber auch mehrere Siebdruckvorgänge vorgenommen werden. Durch Rakeln des Primärwerkstoffs im Rahmen des Siebdruckverfahrens wird schnell und mit einem gewünschten Layout die Primärschicht 1 hergestellt.
  • Die Aussparungen 2, die auch als Hohlräume, Kavitäten oder Kanäle bezeichnet werden können, haben eine Breite zwischen 40 µm und 3 mm und einen jeweils gleich großen Abstand zueinander. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Aussparungen 2 der Primärschicht 1 gleich ausgeführt, weisen also eine identische Breite und eine identische Tiefe auf. Die dargestellten Ausführungen haben eine quadratische Öffnung, ihre maximale Breite ist also auch gleich ihrer maximalen Länge. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Öffnung aber natürlich auch andere Formen aufweisen, beispielsweise rund, oder die Aussparungen 2 können auch alle jeweils unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich periodisch wiederholend in der Primärschicht 1 identische Aussparungen 2 vorgesehen sind. Ebenso können die Abstände zwischen den einzelnen Aussparungen 2 unterschiedlich groß sein.
  • Figur 2 zeigt in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht ein Einbringen von abrasiv wirkenden Partikeln 3 aus Diamant bzw. Schneidpartikeln in die Aussparungen 2. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die abrasiv wirkenden Partikel 3 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Querschnitt dreieckig, können aber auch beliebige andere Formen aufweisen. Die Aussparungen 2 haben eine Tiefe, die gerade 75 Prozent eines maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel 3 entspricht. Die abrasiv wirkenden Partikel 3 ragen daher, sobald sie in die Aussparungen 2 eingebracht wurden, aus diesen heraus. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch ein bündiger Abschluss der abrasiv wirkenden Partikel 3 mit einer Öffnung der Aussparungen 2 vorliegen.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen können die abrasiv wirkenden Partikel 3 auch aus Siliziumkarbid oder Wolframkarbid ausgebildet sein. Außerdem können die abrasiv wirkenden Partikel 3 auch nicht alle aus einem einzigen Werkstoff sein, sondern es kann auch eine Mischung aus abrasiv wirkenden Partikeln 3 unterschiedlicher Werkstoffe vorliegen.
  • Die abrasiv wirkenden Partikel 3 werden durch einen Schablonendruck in die Aussparungen 2 eingebracht. Hierzu wird eine Schablone 4 über der Primärschicht 1 platziert und durch ein Schieberakel 5 werden die abrasiv wirkenden Partikel 3 durch Öffnungen der Schablone 4 geführt. Eine maximale Partikelgröße ist hierbei kleiner oder gleich einer minimalen Schablonenöffnung, d. h. die Öffnungen der Schablone 4 können alle gleich sein, aber auch unterschiedliche Formen oder Abmessungen aufweisen. Statt des Schieberakels 5 kann auch ein Besenrakel, vorzugsweise ein Mehrstufen- und bzw. oder Mehrzonenbesenrakel verwendet werden. Die Schablone 4 weist eine Dicke von maximal 30 Prozent des maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel 3 auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle für die Primärschicht 1 verwendeten abrasiv wirkenden Partikel 3 identisch, es können aber auch nur für eine Schicht identische Partikel 3 verwendet werden oder voneinander verschiedene Partikel 3 unabhängig von der Schicht zum Einsatz kommen. Durch Trockenrakeln werden somit nur die abrasiv wirkenden Partikel 3 in die Aussparungen 2 eingebracht, wobei in einer der Aussparungen 2 genau eines der abrasiv wirkenden Partikel 3 passt und auf weitere Zusatzstoffe verzichtet werden kann.
  • Das Aufbringen einer Folgeschicht 7 bzw., falls diese aufzubringende Schicht die finale Schicht ist, einer Deckschicht auf die in die Primärschicht 1 eingebrachten abrasiv wirkenden Partikel 3 ist in Figur 3 in einer Figur 1 entsprechenden schematischen Schnittansicht gezeigt. Die Folgeschicht 7 wird wiederum aus dem pulverförmigen oder pastenförmigen und mit dem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff durch das Sieb 8 mit integriertem Layout aufgebracht, wobei an den Positionen der abrasiv wirkenden Partikel 3 das integrierte Layout 9 das Sieb 8 verschließt. Falls die Deckschicht als letzte aufzubringende Schicht aufgebracht wird, werden die Aussparungen 2 der unmittelbar darunter liegenden Schicht lediglich gefüllt, aber keine neuen Aussparungen 2 mehr ausgebildet. Somit werden bei der Folgeschicht 7 die abrasiv wirkenden Partikel 3 in den Primärwerkstoff eingebettet und gleichzeitig durch die abgeschatteten Bereiche, bei Aufbringen der Folgeschicht 7 neue Aussparungen 2 definiert und ausgebildet. Die Folgeschicht 7 bzw. Deckschicht setzt hierbei direkt an die gefüllte Primärschicht 1 an, die Aussparungen der Primärschicht 1 werden somit durch das Aufbringen der Folgeschicht 7 bzw. der Deckschicht geschlossen und die abrasiv wirkenden Partikel 3 in der Primärschicht eingebettet und fixiert.
  • Das so hergestellte Grünteil aus dem in Schichten aufgetragenen Primärwerkstoff aus Metall oder einer Metalllegierung und den abrasiv wirkenden Partikeln 3 wird durch Sintern, Drucksintern, freies Sintern, Heißpressen, heißisostatisches Pressen bzw. Löten als abschließende Wärmebehandlung verfestigt, das organische Bindemittelsystem ausgetrieben und das mehrschichtige Werkzeug, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein abrasives Segment, fertiggestellt. Das gesamte dargestellte Werkzeug weist eine Länge von 300 mm auf.
  • Figur 4 zeigt in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht eine weitere aufgebrachte Folgeschicht 7 aus dem mit dem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff auf die Primärschicht 1, in der die abrasiv wirkenden Partikel 3 vollständig eingebettet sind. Die Folgeschicht 7 wird ebenfalls durch Siebdruck aufgebracht, allerdings sind die Positionen der Aussparungen 2 dieser Folgeschicht 7 und entsprechend auch die Positionen der abrasiv wirkenden Partikel 3 räumlich versetzt zu den Positionen der abrasiv wirkenden Partikel 3 in der Primärschicht 1. Abschließend wird hier auf die Folgeschicht 7 die Deckschicht 6 aufgebracht und die abschließende Wärmebehandlung durchgeführt.
  • Mit dem beschriebenen dreidimensionalen Siebdruck können sowohl dünne Wandstrukturen als auch kleine Lochdurchmesser der Aussparungen 2 mit entsprechenden pulverförmigen Werkstoffen generiert werden. Mit dem dreidimensionalen Siebdruckverfahren und der Kombination mit dem Schablonendruckverfahren ist es möglich, neben dem Strukturaufbau auch eine gezielte und definiert reproduzierbare Füllung von Hohlstrukturen bzw. Aussparungen 2 zu erzeugen. Dabei werden wie beschrieben die abrasiv wirkenden Partikel 3 mit definiertem Formlayout durch die positionierte Schablone 4 in die bereits vorher gedruckten Kanäle, Hohlräume bzw. Aussparungen 2 eingebracht. Im Anschluss an eine Lage dieser Schneidpartikel bzw. abrasiv wirkenden Partikel 3 kann die aktuelle Struktur unverändert weitergedruckt werden oder durch Layoutänderung bzw. durch ein Deckellayout mit der Deckschicht 6 geschlossen werden.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren hergestellte Schneidwerkzeuge können sehr frei und definierbar gestaltet werden. Neben Freiformen können vor allem Kanäle, Hohlräume oder Kavitäten erzeugt werden. Durch diese freie Gestaltung ist auch eine Integration von z. B. Kühlkanälen, Führungsnuten, Stütz- oder Einbindungsstrukturen während der Bauteilentstehung möglich. Durch einen Wechsel des Drucklayouts, insbesondere durch Wechsel einer verwendeten Schablone, während des schichtweisen Aufbaus der abrasiv wirkenden Partikel 3 wird ein einstellbarer Versatz der abrasiv wirkenden Partikel 3 zwischen den einzelnen Schichten bzw. Lagen umsetzbar. Dies stellt sicher, dass in dem fertiggestellten Schneidwerkzeug entlang einer Verschleißachse jederzeit abrasiv wirkende Partikel 3 zur Verfügung stehen.
  • Außerdem können auch verfahrensbedingte Strukturanpassungen in Form von Führungslöchern und bzw. oder-sicken umgesetzt werden, die ein Überschneiden verschiedener Schichten während der Wärmebehandlung sicherstellen. Die abrasiv wirkenden Partikel 3 können eine angepasste und enge Pulververteilungskurve aufweisen und kleiner als ein maximaler Durchmesser einer Schablonenöffnung sein. Durch einen Schablonenlayoutwechsel ist es weiterhin möglich, innerhalb der definiert dreidimensional geordneten Partikelpositionen verschiedene Abrasivstoffe, also verschiedene Werkstoffe für die abrasiv wirkenden Partikel 3 einzusetzen. Weiterhin wird durch den beschriebenen Drucksieb- bzw. Schablonenlayoutwechsel eine lokale Konzentration oder eine Gradierung der abrasiv wirkenden Partikel 3 innerhalb des Schneidwerkzeugs ermöglicht.
  • In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des mehrschichtigen Werkzeugs dargestellt. Das Werkzeug ist nun ringförmig ausgeführt und zweischichtig mit einer Primärschicht 1 und einer Folgeschicht 7 aufgebaut. In jeder der Schichten sind die abrasiv wirkenden Partikel 3 in Konzentrationsinseln eingebracht, d. h. es gibt in jeder der Schichten Regionen, in denen eine erhöhte Konzentration der abrasiv wirkenden Partikel 3 vorliegt.
  • Diese Konzentrationsinseln sind in jeder der Schichten 1 und 7 gerade um 90° zueinander versetzt, die Konzentrationsinseln der Primärschicht 1 sind jedoch jeweils um 45° gegenüber den Konzentrationsinseln der Folgeschicht 7 versetzt. Durch den Layoutwechsel kann sowohl die Partikelkonzentration als auch die Partikelpositionen zwischen den einzelnen Schichten variiert und eine Gradierung in Baurichtung erreicht werden. Auf die Folgeschicht 7 wird typischerweise noch die Deckschicht 6 aufgebracht.
  • Figur 6 zeigt eine Figur 5 entsprechende perspektivische Ansicht eines Quaders. Der Quader ist wiederum aus zwei Schichten, der Primärschicht 1 und der Folgeschicht 7, aufgebaut, in die abrasiv wirkende Partikel 3 in Form von Konzentrationsinseln eingebracht sind. Die Konzentrationsinseln der abrasiv wirkenden Partikel 3 sind periodisch in der jeweiligen Schicht 1 und 7 mit gleicher Periodenlänge angeordnet, jedoch sind Konzentrationsinseln in den jeweiligen Schichten 1 und 7 um jeweils eine halbe Periode zueinander versetzt. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Konzentrationsinseln auch beliebig, also insbesondere nicht periodisch in der jeweiligen Schicht 1 und 7 angeordnet oder es kann auch nur eine der Schichten 1 oder 7 Konzentrationsinseln aufweisen, während die andere der Schichten 1 oder 7 eine kontinuierliche Verteilung der abrasiv wirkenden Körper 3 aufweist. Innerhalb der Konzentrationsinseln können die abrasiv wirkenden Körper 3 gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sein, also eine gleichmäßige Verteilung vorliegen, es kann aber auch eine freie Verteilung der abrasiv wirkenden Körper 3 in den Konzentrationsinseln vorliegen.
  • Neben den in den Figuren 5 und 6 gezeigten ringförmigen bzw. quaderförmigen Ausführungsbeispielen kann ein Schichtsystem mit eingebrachten abrasiv wirkenden Körpern 3 aber natürlich auch beliebige andere Formen, insbesondere kugelförmig oder zylindrisch haben, wobei die einzelnen Schichten 1 bzw. 7 in ihrer Grundform rund, oval oder elliptisch sein können.
  • Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Werkzeugs, bei dem ein Grünteil hergestellt wird, indem
    durch Siebdruck eine mit Aussparungen (2) versehene Primärschicht (1) aus einem mit einem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff hergestellt wird und nachfolgend
    durch Schablonendruck in die Aussparungen (2) abrasiv wirkende Partikel (3) eingebracht werden sowie danach
    durch Siebdruck eine Deckschicht (6) aus dem mit dem organischen Bindemittelsystem versehenen Primärwerkstoff zum Fixieren der abrasiv wirkenden Partikel (3) in den Aussparungen (2) aufgebracht wird, wobei
    durch eine abschließende Wärmebehandlung des Grünteils das Werkzeug erhalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiv wirkenden Partikel (3) durch Rakeln, vorzugsweise durch Rakeln mit einem Schieberakel (5) oder einem Besenrakel, in die Aussparungen (2) eingebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Deckschicht (6) mindestens eine Folgeschicht (7) auf die mit den abrasiv wirkenden Partikeln (3) versehene Schicht aufgebracht wird, bei der die Aussparungen (2) räumlich versetzt zu den Aussparungen (2) der Primärschicht (1) angeordnet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (2) mit einem Durchmesser zwischen 40 µm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 2,5 mm, besonders vorzugsweise zwischen 100 µm und 1 mm ausgebildet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Aussparungen (2) von mindestens 75 Prozent bis maximal 100 Prozent eines maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel (3) eingehalten wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schablone (4) für den Schablonendruck verwendet wird, die eine Dicke von maximal 30 Prozent des maximalen Durchmessers der abrasiv wirkenden Partikel (3) aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiv wirkenden Partikel (3) aus Diamant und/oder einem Hartstoff, vorzugsweise einem Karbidwerkstoff, einem Nitridwerkstoff oder einem Oxidwerkstoff ausgebildet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwerkstoff aus Metall ausgebildet ist und für die abschließende Wärmebehandlung Sintern, Drucksintern, freies Sintern, Heißpressen, Heißisostatisches Pressen und/oder Löten eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (2) Öffnungen aufweisen, die kreisförmig, dreieckig, rechteckig, vieleckig, oval oder freigeschwungen ausgeführt sind.
  10. Werkzeug, hergestellt nach einem der Ansprüche 1-9.
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