Werkzeugbeschichtung: „Sputter-Verfahren auf der Uberholspur“

Werkzeuganwender wissen sehr genau, wie die Oberflache ihrer beschichteten Wendeschneidplatten, Schaftwerkzeuge oder Walzfräser beschaffen sein muss und welch großen Einfluss die Glatte auf Spanablauf oder die Bildung von Aufbauschneiden hat.

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Galt lange das ARC-Verfahren zur Beschichtung als ausreichend, setzen Werkzeughersteller aufgrund gestiegener Anforderungen vermehrt auf Sputtern. Diese Technik ermöglicht nicht nur glattere Schichten, sondern erlaubt auch den Einsatz neuer maßgeschneiderter Beschichtungslosungen.

Einer der Pioniere des Sputterns ist die CemeCon AG, deren Anlagen und Verfahren immer wieder Maßstabe setzen und deutsche Sputter-Technologie erfolgreich in alle Welt tragen.

PVD (Physical Vapour Deposition)-Hartstoffschichten sind aus der industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Sie senken den Energieaufwand, verlängern das Leben von Werkzeugen und Bauteilen und ermöglichen die wirtschaftliche Bearbeitung anspruchsvoller moderner Konstruktionsmaterialien.

Über 20 Jahre hinweg war das ARC Beschichtungsverfahren der adäquate Prozess, wenn es um das Produzieren von PVD-Hartstoffschichten ging. Eine gute Schichthaftung und eine wirtschaftliche Herstellung sicherten den Erfolg. Doch mit der Einführung neuer Materialien und den damit verbundenen neuen Zerspan- Aufgaben stoßen die so hergestellten Standardschichten oft an ihre Grenzen.

Optimierte Beschichtungslösungen

Statt dieser „Standardschichten“ rückt immer starker die Auswahl der gewünschten Beschichtungseigenschaften in den Vordergrund. Exakt auf die Anwendung ausgelegte Beschichtungslosungen bringen in der Produktion sehr viel höhere Leistung und Qualität. Mit optimierten Beschichtungslosungen ausgestattete Hochleistungswerkzeuge sind in der Lage, enorme Produktivitätsreserven zu erschließen und damit den Output und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Fertigungsprozesses deutlich zu verbessern. Dazu werden Geometrie, Substrat sowie Beschichtung des Werkzeugs exakt auf die Erfordernisse angepasst. Gerade bei der Beschichtung muss dieser Optimierungsprozess auf einen umfassenden „Baukasten“ von Eigenschaften zurückgreifen können, um schnell und einfach zur besten Losung zu gelangen. Ein solch umfangreiches erforderliches Instrumentarium kann aber das ARC-Verfahren mit seinen Einheitsschichten nicht bieten.
Die Losung bringt hier das wesentlich flexiblere und vielseitigere Sputter-Verfahren. Dabei werden die benötigten Schichtwerkstoffe durch Beschuss mit Argon-Ionen in den gasförmigen Zustand überführt und auf diese Weise zum Bestandteil eines Plasmas, das sich wie feinster Nebel auf der aktivierten Werkzeugoberflache niederschlagt und mit ihr eins wird. Im Gegensatz zum ARC-Verfahren, bei dem der Schichtwerkstoff mithilfe eines Lichtbogens aufgeschmolzen werden muss, gibt es beim Sputtern keinerlei Einschränkungen hinsichtlich Schmelzeigenschaften oder elektrischer Leitfähigkeit der Schichtmaterialien. Damit ist der Sputter-Prozess in der Lage, eine Vielzahl von Schichtwerkstoffen abzuscheiden und weit mehr als nur Standardschichten zu produzieren.

Droplets machen Schichten rau

Hart, zäh, widerstandsfähig und vor allem glatt – so sollen Schichten auf Zerspanwerkzeugen sein. Gerade aber bei der Glatte ist die ARC-Technologie beschrankt: Droplets – der Einschluss kleiner Tropfchen in die Schichtoberflache – sind ihr Problem. Sie entstehen, wenn mehr oder weniger große Makropartikel aufschlagen wie Granaten, was dann unter dem Elektronenmikroskop tatsachlich aussieht wie eine Mondlandschaft. Diese Droplets verlangsamen den Spanablauf wie Steine in einem Flussbett, was im Fall des Bohrers besonders unerwünscht ist. Lauft der Span schnell und reibungsarm ab, fließt weniger Warme in das Werkzeug, denn die Kontaktzeit zwischen Span und Werkzeug nimmt ab.

Eine Menge Entwicklungsaufwand wurde über die Jahre betrieben, um dieses Qualitätsproblem der ARC-Anlagen in den Griff zu bekommen. Das Fraunhofer Institut USA, Center for Surface and Laser Processing, etwa hat, um der Droplet-Problematik zu begegnen, sogar eigens einen Plasma-Filter entwickelt, der die Verunreinigungen auf der Werkzeugoberflache reduzieren soll. Dieses und ähnliche aufwändige Verfahren werden zwar heute bei einer Vielzahl von ARC-Anwendungen eingesetzt – eine 100-Prozent-Losung stellen sie jedoch nicht dar.

Solche Hilfsmittel sind beim Sputtern unnötig, da störende Makropartikel physikalisch bedingt gar nicht erst auftreten können. Das Ergebnis hier sind harte und glatte Schichten ganz ohne Droplets.

Aussichten

Das ARC-Verfahren hat sich als Standard in der Vergangenheit am Markt etabliert. Wegen seiner Beschranktheit hinsichtlich der erreichten Oberflächenqualität und der einsetzbaren Schichtwerkstoffe wird es auf lange Sicht überall dort, wo optimale Leistungen gefordert werden, weiter hinter das Sputter-Verfahren zurückfallen. Trotz der augenscheinlichen Vorteile ist jedoch auf absehbare Zeit nicht mit einer totalen Verdrängung der ARC-Technologie zu rechnen, da es insbesondere bei einfachen Anwendungsfallen vielfach durchaus zufrieden stellende Ergebnisse zeigt. Zudem gibt es erst noch wenige Technologie-Anbieter, die Sputteranlagen im Programm führen.

Zur CemeCon AG

Die CemeCon AG in Wurselen ist seit vielen Jahren führend im Bereich gesputterter PVD-Schichtsysteme für den Werkzeug- und Komponentenbau. Das Unternehmen erweitert mit neue Beschichtungen und Technologien, die Standards setzen, permanent sein modulares System, den CemeCon-Baukasten. Diese Erfolge kommen nicht von ungefähr, wie Dr.-Ing. Toni Leyendecker, der Vorstandsvorsitzende erklart: „Die Sputter-Technik ist dank ihrer Flexibililtat der Schlüssel zum Erstellen maßgeschneiderter Beschichtungslosungen. Mit dieser Technologie haben wir die Tür aufgestoßen zu einer ganzen Welt neuer leistungsfähigerer Schichtwerkstoffe.“

Seit Mitte der 80er-Jahre macht CemeCon die Vorteile gesputterterter Schichtsysteme zum einen über Beschichtungsservice, zum anderen uber umfassenden Technologietransfer zugänglich. Wahrend im Beschichtungsservice dem Kunden mithilfe des CemeCon-Engineerings schnell und unkompliziert zu seiner optimalen Beschichtungslosung verholfen wird, stellt der Technologietransfer Kunden weltweit die komplette Hard- und Software, also modernste Sputter-Anlagen-Technologie und das dazugehörige Know-how, zur Verfugung – sei es als Einzelanlage oder schlüsselfertige Beschichtungslinie.

FDZT