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DiaSet – Gesetzte Diamanten für mehr Performance.

Die Anfänge

Zu Beginn der Bohrkronen- und Sägeblattentwicklung wurden überwiegend gesetzte Diamanten verwendet. Feine, zufällig verteilte Körnungen kamen erst mit der Einführung der Sintertechnik zur Anwendung.

 

Noch heute ist für den Mining- und Explorationsbereich die gesetzte Bohrkrone das Maß der Dinge. Dabei werden nicht nur Diamanten, sondern auch PCDs und Hartmetallteile gesetzt. Wenn es auf die genaue Position des Hartstoffes ankommt, wird zumeist manuell gesetzt.

 

Immer wieder wurde auch versucht, dieses Konzept auf relativ günstige Säge- und Bohrwerkzeuge zu übertragen. Den ersten nennenswerten Erfolg hatte eine Firma aus Taiwan, die im Jahr 2000 vorwiegend Vakuum-gelötete Werkzeuge vermarktete. Effizienz und Wirtschaftlichkeit dieser Herstellungsmethode ließen aber noch zu wünschen übrig.

 

Den Durchbruch schafften Werkzeugen von Shinhan®. Auch wenn zuerst kaum Performance-Vorteile nachweisbar waren, so schafften sie doch eine eindeutige Differenzierung zum Wettbewerb. Mit massivem Marketingaufwand wurde dieses Produkt erfolgreich vermarktet. Es wurde zum Wegbereiter von weiteren, ähnlich aufgebauten Werkzeugen aus Korea, China und Europa. Dazu kamen schnell billige Kopien, bei denen die Diamanten nur auf der Außenschicht gesetzt waren. Sie brachten außer der Optik keine Verbesserung zu herkömmlichen Werkzeugen.

Performance und Feld-Ergebnisse

Sehr viele Diamantwerkzeughersteller standen dem Verfahren anfangs skeptisch gegenüber. Mit Performance-Steigerungen im 2- und 3-stelligen Bereich wuchsen Akzeptanz und Nachfrage. Es bürgerte sich der Begriff „Arix®-Werkzeuge“ ein. Diese Technologie führt eine neue Dimension in die Werkzeugentwicklung ein. Zu den Parametern in Bezug auf Bindung, Sinterung und Diamanten (Qualität, Korngröße, Konzentration) kommt nun noch die 3-dimensionale Anordnung der Diamanten hinzu.

 

Eine Konzentration der Diamantkörnung in definierten Schichten brachte schon bisher eine Performance-Steigerung – sie optimiert Freischnitt, Lebensdauer und Spurtreue. Die exakte Anordnung der Diamanten innerhalb der jeweiligen Schichten bietet nun zusätzliche Vorteile, die sich unter dem Strich auszahlen.

Die Produktionsmittel

Nicht nur die Entwicklung, auch die erforderliche Fertigungstechnik stellt dabei erhebliche Anforderungen. Für die Segment-Produktion gibt es mehrere theoretische Ansätze. Bereits auf dem Markt ist ein Kaltpress-System, das durch einen profilierten Oberstempel Vertiefungen in eine Pulverschicht presst. Diese Vertiefungen werden dann mit einem Diamanten-Füllschuh überfahren – in der Hoffnung, dass in jeder Vertiefung genau ein Diamantkorn liegen bleibt. Neben hohen Werkzeugkosten für die profilierten Stempel sowie Pulver-Anhaftungsproblemen sind bei diesem System die relativ dicken Pulverschichten nachteilig. Um das typische Diamantmuster auf den Segmentseiten zu zeigen, muss daher viel Pulverschicht abgeschliffen werden. Darüber hinaus können mit diesem System prinzipbedingt kaum fehlerfreie Muster erzeugt werden.

 

Ein anderes Konzept ist die Montage vieler Schichten, die vorher mit einem Diamantmuster beklebt wurden. Die damit verbundene Klebetechnik ist allerdings schwer beherrschbar. Außerdem muss der verwendete Kleber beim Sintern wieder entfernt werden.

Dr. Fritsch – Innovation für Performance

Die Entwicklung von Dr. Fritsch heißt DiaSet und basiert auf der Weiterentwicklung einer volumetrischen Kaltpresse. Diese Presse füllt eine dünne Pulverschicht in eine Matrize und setzt daraufhin Diamanten in einem vorgegebenen 2D-Muster. Nach einem Zwischenpressen wird die nächste Pulverschicht eingefüllt. Die Anzahl und Dicke der Pulverlagen sind frei wählbar, 2 unterschiedliche 2D-Muster können in einem Segment realisiert werden.

So können beispielsweise statt der früher üblichen Sandwichsegmente mit 3 Lagen nun auch Segmente mit 7 Lagen hergestellt werden. Die jeweils äußeren Lagen werden in typischerweise enger Teilung und sehr dünnen Schichten aufgebaut; hier ist die Diamantkonzentration hoch. Die inneren Schichten besitzen dann eine weitere Teilung und sind etwas dicker. Die Schichten mit identischem 2D-Muster sind zueinander versetzt. Durch den Versatz der Lagen können sowohl Zickzackmuster, als auch Pfeile oder andere 3D-Muster an der Segmentstirnseite erzeugt werden.

 

Ähnlich wie beim Reifendesign ist der Übergang zwischen dekorativem Muster und funktionaler Anordnung zur Performance-Steigerung fließend. Auf jeden Fall garantiert dieses Verfahren jedem Anwender eine Alleinstellung seines Produktes.

 

Die Produktivität solcher Systeme ist prinzipbedingt niedriger als die einer normalen Kaltpresse. Die Dr. Fritsch-Kaltpresse KPV218B presst pro Minute circa 15 einschichtige Fußsegmente oder 5 – 6 Sandwichsegmente. In der gleichen Zeit schafft sie 1 DiaSet Segment mit 8 Pulver- und 7 Diamant-Schichten. Mehrere Kavitäten vervielfachen natürlich die Ausbringung.

 

Vielschichtige Segmente erfordern sehr dünne Pulverlagen. Grundvoraussetzung dafür ist eine äußerst präzise Kaltpresse, da sich Toleranzen bei mehreren Schichten aufsummieren. Segmente mit möglichst dünnen Schichten sollten flach gepresst werden, da sie so weiter verdichtet werden. So lassen sich bei gleicher Enddicke mehr Schichten im Segment unterbringen als beim vertikalen Sintern.

 

Dr. Fritsch beherrscht auch die Herstellung von Bohrkronensegmenten. Das schwäbische Unternehmen setzt dazu eine vertikale Kaltpresse mit ca. 10 Diamantschichten sowie eine horizontale Heißpresse ein. Die stehende Kaltpressung erlaubt einen Versatz der Diamanten, die horizontale Sinterung kommt mit wenigen Kaltpresswerkzeugen aus, da die Endgeometrie durch die passenden Graphitformen erzielt werden.

Vorraussetzungen im Fertigungsumfeld

Die Technologie der gesetzten Diamanten verändert die Produktion von Diamantwerkzeugen in vielen Details. Um so dünne Schichten herzustellen, muss das verwendete Pulver z.B. sehr fein granuliert werden. Auch weitere Prozeß-Schritte sind betroffen. Es macht beispielsweise wenig Sinn, Diamanten auf 1/100stel Millimeter genau zu setzen, und die erzeugten Segmente dann mit Toleranzen von ±0,5mm auf Sägeblätter aufzulöten oder zu schweißen. Ähnliches gilt für das anschließende Abrichten.

Schutzrechte

Das Prinzip der regelmäßig gesetzten Diamanten wird schon lange eingesetzt. Deshalb können Schutzrechte nur schwer verteidigt werden. Bei gründlicher Recherche findet man zahlreiche abgelaufene Patente und Patentanmeldungen, die im direkten Widerspruch zu aktiven Patenten stehen. Dies betrifft auch Schutzrechte, die in anderen Ländern  angemeldet wurden und noch gelten.

 

Im Bereich Produktionstechnologie sind Schutzrechte leichter zu verteidigen als bei der Werkzeugausführung. Gerade durch die große Variationsbreite von Diamantbeschichtung, Korn-Größe und -Form sowie die verwendeten Muster ist eine enge Zusammenarbeit von Werkzeugentwickler und Maschinenentwickler wichtig.

Ausblick

Gesetzte Diamanten realisieren bereits heute in vielen Bereichen deutliche Leistungssteigerungen. Darüber hinaus gibt es aber noch viele Anwendungen, wo dieses Konzept noch nicht konsequent angewandt wurde.

 

Während die erste Generation der Werkzeuge mit gesetzter Diamantverteilung hauptsächlich Marketingvorteile brachte, so beweist die zweite Generation bei vielen Anwendungen optimierte Leistungswerte in Bezug auf Lebensdauer, Schnittfreudigkeit und Spurtreue. Die Zukunft wird weitere Leistungsvorteile eröffnen. Sicher wird es auch weiterhin Werkzeuge mit zufällig verteilter Diamantkörnung geben. Allerdings wird es im Premium-Bereich immer schwerer werden, Werkzeuge ohne gesetzte Diamantkörnung zu verkaufen.