Für die galvanische Herstellung von Schleifwerkzeugen wird konventionell Nickel als Beschichtungsmaterial verwendet. Aufgrund der Toxizität von Nickel entwickeln die Projektmitarbeitenden für die spanende Bearbeitung von Dentalkronen eine neue nichttoxische Materialkombination. Als Alternative untersuchen sie eine Kupfer-Titancarbid-Bindung, bei der die Kornhaltekraft der Diamanten vergleichbar zu der konventionellen Bindungsform ist.

„Die geringe Bindefähigkeit von Kupfer gegenüber Diamant müssen wir dabei kompensieren“, erläutert IFW-Mitarbeiter Michael Maier. Wir verwenden deswegen eine Zwischenschicht zur Haftbindung“ Der Wissenschaftler nutzt dafür eine Carbidschicht, die durch titanbeschichtete Diamantkörner realisiert wird.

Durch Erhitzen von Diamant gemeinsam mit ausgewählten Metallen aus den Nebengruppen 4 bis 6 des Periodensystems, wie beispielsweise Titan, können Metallcarbide erzeugt werden. Die Durchführung dieses Prozesses ist anspruchsvoll, da Titan und Diamant bei hohen Temperaturen und Drücken zur Reaktion gebracht werden müssen. Die entstehende Schicht ermöglicht es, Diamantkörner mit der Kupfermatrix zu verbinden.

Maier: „Damit können wir eine innovative Materialkombination einer Kupfer-Diamant-Bindung mit hoher Kornhaltekraft realisieren. Aus diesem nachhaltigen Ansatz können wir so eine neue Werkzeugklasse mit neuen Eigenschaften entwickeln, die sowohl umweltfreundlicher als auch leistungsfähiger ist.“ Aktuell stellen die Projektmitarbeitenden das neue Werkzeugkonzept für die Bearbeitung von Dentalkronen her. Wissenschaftler Maier: „Es ist vorstellbar, dass neben der Bearbeitung von Dentalkronen weitere Materialien mit diesem Werkzeug bearbeitet werden könnten.“

Die physikalischen Eigenschaften von Kupfer sind neben dem nachhaltigen Aspekt der Kupferanbindung von Diamantkörnern im Werkzeug ebenfalls von Interesse. So besitzt Kupfer eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Nickel und viele weitere Metalle, sodass die Prozesswärme beim Schleifen besser abgeführt werden kann. Eine effektivere Kühlung der Werkstücke im Prozess führt zu höheren Umsatzmengen, die durch höhere Vorschubgeschwindigkeiten erreicht werden. Somit kann durch die erfolgreiche Entwicklung dieser Materialkombination ein produktiveres Werkzeug für die Schleiftechnologie entwickelt werden.

Ein weiterer Vorteil des neuen Schleifwerkzeugs: Kupfer ist ein kostengünstiger Rohstoff, der bereits in großen Mengen als Reinsubstanz umgesetzt wird. So ist Kupfer eines der am häufigsten recycelten Metalle weltweit. IFW-Mitarbeiter Maier sieht in der neuen Werkzeugkombination erheblichen Mehrwert: „Durch die einfache Kreislaufwirtschaft, die Biokompatibilität sowie den geringen Preis ist Kupfer ein interessanter Ersatz für die bisher noch konventionelle Nickelmatrix in der galvanischen Herstellung von Schleifwerkzeugen.“