Diamantverzahnte Fräser für CFK, GFK und FR4

VHM-Vollhartmetall mit Kreuzhieb-Geometrie: gegenläufige Schneidlinien heben axiale Kräfte auf und verhindern Faserausriss an beiden Deckschichten.

Verbundwerkstoffe wie CFK, GFK und FR4 bestehen aus Fasern die in eine Harzmatrix eingebettet sind. Konventionelle Spiralwerkzeuge erzeugen axiale Schnittkräfte die Deckschichten vom Kern abheben, bevor die Schneide die Faser vollständig getrennt hat. Der Kreuzhieb der Diamantverzahnung besteht aus zwei gegenläufigen Schneidlinien, deren Kräfte sich gegenseitig aufheben. Die resultierende Kraft wirkt ausschließlich radial in die Schneidzone. VHM-Vollhartmetall widersteht dem abrasiven Angriff der Fasern dabei deutlich länger als HSS, weil VHM eine Härte von ca. 1.600 HV erreicht gegenüber 800 bis 900 HV bei HSS. Für Serienfertigung ab 50 Laufmetern pro Woche verlängert die HF-CVD Diamantbeschichtung den Verschleißpunkt auf 150 bis 300 Laufmeter.

Warum Verbundwerkstoffe eine eigene Fräsergeometrie brauchen

CFK, GFK und FR4 sind keine homogenen Werkstoffe. Jede Platte besteht aus Fasern, die in eine Harzmatrix eingebettet sind. Trifft eine konventionelle Spiralschneide auf diesen Aufbau, wirkt sie entweder als Upcut oder Downcut. Upcut-Kräfte heben die obere Deckschicht ab, Downcut-Kräfte drücken auf die untere. In beiden Fällen löst sich die Deckschicht vom Kern, bevor die Schneide die Faser vollständig getrennt hat. Das Ergebnis ist Delamination.

Bei FR4-Leiterplatten kommt ein zweites Problem dazu:
Glasfasern sind stark abrasiv. VHM-Vollhartmetall widersteht dem Angriff deutlich länger als HSS, weil VHM eine Härte von ca. 1.600 HV erreicht gegenüber 800 bis 900 HV bei HSS. Trotzdem entscheidet die Geometrie ob das Material sauber getrennt wird oder ausreißt. 

Kreuzhieb-Geometrie: wie gegenläufige Schneidlinien axiale Kräfte neutralisieren

Die Diamantverzahnung besteht aus zwei gegenläufigen Schneidlinien, einer rechtsgängigen und einer linksgängigen, die sich auf der Fräseroberfläche kreuzen. Die rechte Linie erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft, die linke eine nach oben gerichtete. Beide Kräfte heben sich im Gleichgewicht auf. Die resultierende Kraft wirkt ausschließlich radial, also horizontal in die Schneidzone, nicht auf die Deckschichten.

Das verhindert Faserausriss an der Ober- und Unterseite gleichzeitig. Nicht weil die Schneide schärfer ist, sondern weil die
Kraftrichtung keine Schichttrennung erzeugen kann. Der Fischschwanz-Anschliff ergänzt das: Er erlaubt direktes Eintauchen ohne Vorbohrung, weil er die axiale Last beim Eintauchen auf die Schneidzone verteilt statt auf die Deckschicht.

Die Diamantverzahnung erzeugt Feinstaub statt Späne. In tiefen Nuten ist das ein Nachteil gegenüber der Spiralverzahnung mit aktivem Spänetransport. Für flache Zustellungen bis 5 mm und für dünne Platten ist das kein Problem. Eine leistungsstarke Absaugung direkt an der Spindel ist bei CFK-Staub Pflicht, weil die Partikel elektrisch leitfähig und gesundheitsschädlich sind. 

Auswahlhilfe: unbeschichtet oder CVD, für welchen Einsatz

  • Unbeschichtet: Diamantverzahnt Fräser aus Vollhartmetall ohne Beschichtung verliert in CFK und GFK nach 20 bis 40 Laufmetern messbar an Schärfe. Für Prototypenbau, Modellbau, FR4-Vereinzelung und gelegentliche Bearbeitung ist das wirtschaftlich.
  • CVD-beschichtet: Die HF-CVD Diamantbeschichtung hat über 8.000 HV Härte. In CFK verschiebt sie den Verschleißpunkt auf 150 bis 300 Laufmeter. Ab einer Fertigungsfrequenz von 50 bis 80 Laufmetern pro Woche amortisiert der Aufpreis über eingesparte Werkzeugwechsel.

Für tiefe Nuten ab 5 mm Tiefe und für Materialien mit hohem Harzanteil arbeitet die Spiralverzahnung mit aktivem Spänetransport zuverlässiger. Die Upcut-Drallrichtung befördert Frässtaub aktiv nach oben aus der Schneidzone. Die Diamantverzahnung erzeugt Feinstaub der im Nutgrund
verbleibt.

 💡  Profi-Tipp: CFK-Staub und Maschinenelektronik

Carbon-Frässtaub ist elektrisch leitfähig. Partikel die sich auf Führungen, Kugelgewindetrieben oder in der Steuerungseinheit absetzen, erzeugen Kriechströme und beschleunigen Korrosion. Die hohe Schneidkantenstabilität der Diamantverzahnung erzeugt besonders feine Partikel, weil die Fasern mikro-zerspant statt gerissen werden.

Absaugung direkt an der Spindel ist Pflicht, nicht Option. Eine Absaughaube die den Fräserbereich vollständig kapselt, hält den Staub von den Führungen fern. Konkrete Schnittwerte für CFK und GFK liefert der [interner Link: Schnittdaten-Rechner]. Für die Werkzeugauswahl nach Werkstoff steht der [interner Link: VHM Fräser Finder] zur Verfügung.

Wissenswertes & FAQ zu diamantverzahnten VHM-Fräsern

Q: Für welche Materialien eignen sich diamantverzahnte Fräser und wo stoßen sie an Grenzen?

A:

Die Diamantverzahnung ist für alle faserverstärkten Verbundwerkstoffe geeignet, bei denen Delamination das Hauptproblem ist. In CFK, GFK, FR4, HPL und Aramid (Kevlar) neutralisiert der Kreuzhieb die axialen Schnittkräfte, die bei Spiralwerkzeugen Deckschichten abheben.

Grenzen: Für tiefe Nuten ab 5 mm Zustellung ist die Spiralverzahnung mit aktivem Spänetransport besser geeignet, weil die Diamantverzahnung Feinstaub erzeugt der im Nutgrund verbleibt.
Für Aluminium ist die Diamantverzahnung ungeeignet: Aluminium braucht eine große Spannut für den plastischen Span, die vielen kleinen Schneidzähne setzen sich zu. Für die Werkzeugauswahl nach Werkstoff steht der VHM Fräser Finder zur Verfügung.

Q: Wann reicht der unbeschichtete Diamantverzahnte, wann brauche ich die CVD-Version?

A:

Beide Produkte haben identische Geometrie. Der Unterschied liegt ausschließlich in der Standzeit.

Der unbeschichtete VHM-Diamantverzahnte Fräser verliert in CFK und GFK nach 20 bis 40 Laufmetern Schärfe. Für Prototypen, FR4-Vereinzelung und gelegentliche Bearbeitung reicht das aus. Der Einstiegspreis liegt deutlich unter dem CVD-Werkzeug.

Ab einer Fertigungsfrequenz von 50 bis 80 Laufmetern pro Woche verschiebt sich die Wirtschaftlichkeit. Die CVD-Beschichtung verlängert den Verschleißpunkt auf 150 bis 300 Laufmeter. Der Aufpreis amortisiert über eingesparte Werkzeugwechsel.

Q: Was ist der Unterschied zwischen Diamantverzahnt und Spiralverzahnt bei Verbundwerkstoffen?

A:

Beide Geometrien sind für Verbundwerkstoffe entwickelt. Die Diamantverzahnung neutralisiert axiale Schnittkräfte durch den Kreuzhieb. Die Spiralverzahnung transportiert Frässtaub aktiv nach oben aus der Schneidzone.

Diamantverzahnt ist besser geeignet für: flache Zustellungen bis 5 mm, dünne Laminate, FR4 und Leiterplatten, Materialien wo Delamination an Deckschichten das Hauptproblem ist.

Spiralverzahnt ist besser geeignet für: tiefe Nuten ab 5 mm, Materialien mit hohem Harzanteil wo Wärmestau das Hauptproblem ist, Bearbeitung ohne Druckluft oder Kühlung.