Beschichtungslösungen für Hightech-Materialien

Für hochwertige Produkte in kritischen Anwendungen werden immer wieder neue Werkstoffe und Fertigungsprozesse entwickelt. Die hohen Qualitätsanforderungen an diese Produkte bedingen eine sehr präzise Fertigung. Erstklassige Werkzeuge mit abgestimmten Beschichtungen nehmen dabei eine Schlüsselposition ein.

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Die Multilayer-Diamantbeschichtungen von CemeCon kombinieren kristalline und nano-kristalline Schichteigenschaften mit extrem glatten Oberflächen.

Effizienzsteigerung, Flexibilität und Zuverlässigkeit bei höchster Präzision – im komplexen Zerspanprozess müssen alle Faktoren von der Maschine und den Einsatzparametern bis hin zum Werkzeug aufeinander abgestimmt sein, um erstklassige Zerspanergebnisse zu erhalten. Das gilt nicht zuletzt bei der Bearbeitung sogenannter schwer zerspanbarer Materialien. Dabei spielen mehrere Komponenten eine Rolle: ideale Kühlbedingungen, robuste Substratwerkstoffe, effektive Werkzeuggeometrien und nicht zuletzt leistungsstarke Beschichtungen.

Zusammenarbeit für herausragende Entwicklungen

CemeCon gehört zu den führenden Unternehmen auf diesem Gebiet. Seit fast drei Jahrzehnten konstruieren und fertigen die Experten kundenspezifische Hightech-Beschichtungen für Präzisionswerkzeuge. Für optimale Zerspaneigenschaften wird die Beschichtung unter Berücksichtigung von Vorbehandlung, Schichtwerkstoff, Schichtdicke, Toleranz, Farbe und Nachbehandlung so auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.

Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon: „Um den stetig steigenden Anforderungen zu begegnen und unsere leistungsstarken Beschichtungslösungen weiterzuentwickeln und zu verbessern, arbeiten wir nicht nur eng mit unseren Kunden zusammen, sondern auch mit Universitäten und Instituten und beteiligen uns an multilateralen Forschungsprojekten. So können wir den Prozess von allen Seiten betrachten und unsere Beschichtungen perfekt auf die Anwendungen abstimmen. Gerade bei der Zerspanung von Hightech-Materialien wie CFK und Titan wird dies zur Steigerung der Produktivität immer wichtiger. “

Diamant für die CFK-Zerspanung

Mit CCDia AeroSpeed beschichtete Werkzeuge erreichen höchste Präzision und Prozesssicherheit - zum Beispiel beim Bohren von CFK.
Mit CCDia AeroSpeed beschichtete Werkzeuge erreichen höchste Präzision und Prozesssicherheit – zum Beispiel beim Bohren von CFK.

Im Flugzeugbau, aber auch in anderen Branchen, wo hohe mechanische Leistungsfähigkeit bei niedrigem Gewicht gefragt sind, werden zunehmend Composites eingesetzt. Die gezielte Kombination verschiedener Faser- und Harz-Materialien unter Verwendung spezieller Verstärkungsstrukturen der Hochleistungsverbundwerkstoffe erlaubt extrem komplizierte Konstruktionen.

Diese Struktur und die stark abrasiven Fasern machen die Zerspanung von CFK jedoch alles andere als einfach. „Diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge setzen sich bei der Bearbeitung von CFK immer weiter durch. Dank intensiver Entwicklungsarbeit und Kooperation mit verschiedenen Partnern haben wir CCDia AeroSpeed qualifizieren können. Die Diamant-Multilayer-Beschichtung sorgt sowohl beim Bohren als auch beim Fräsen von CFK für höchste Qualität und Prozesssicherheit“, so Manfred Weigand.

Damit die Nietverbindungen der Bauteile auch den extremen Beanspruchungen in Flugzeugen standhalten, müssen die Präzisionsbohrungen mit engen Toleranzen und hohen Oberflächengüten an Bohrungswänden und Senkungen, insbesondere bohrungsein- und -austrittsseitig, gefertigt werden. Die unzureichende Oberflächenrauheit herkömmlicher Diamantbeschichtungen kann Werkzeugschwingungen und damit einhergehende Ratter- und Schwingungsmarken verursachen. Zudem können Faserüberstände entstehen, die sich später beim Vernieten mit eindrücken und im schlimmsten Fall zum Lockern der Verbindung führen.

Der Vergleich mit einer nanokristallinen Diamantschicht zeigt es: Beim Bohren von CFK erreichen Werkzeuge mit CCDia AeroSpeed beste Zerspanergebnisse (unten).
Der Vergleich mit einer nanokristallinen Diamantschicht zeigt es: Beim Bohren von CFK erreichen Werkzeuge mit CCDia AeroSpeed beste Zerspanergebnisse (unten).

Bauteilbeschädigungen zuverlässig verhindern

Die patentierten CemeCon-Diamantbeschichtungen besitzen eine extrem glatte und feinstkristalline Oberflächentopographie sowie eine exzellente Haftung. Zudem beeinflusst sie die Mikrogeometrie des Werkzeugs nicht und ermöglicht deutlich schärfere Schneiden als sonstige auf dem Markt verfügbare Diamantbeschichtungen. So lassen sich beispielsweise die Fasern des CFK besser trennen. Es entstehen keine Faserüberstände und damit beste reproduzierbare Oberflächen – sowohl beim Bohren als auch beim Fräsen.

Die Bindematerialien der Verbundstoffe reagieren meist empfindlich auf hohe Temperaturen. Wird die Reibungswärme während der Bearbeitung zu hoch, kann es durch die thermische Beanspruchung der Harze zur Ablösung einzelner Lagen oder Delamination kommen. Die extreme Glätte der CemeCon-Diamantbeschichtung CCDia AeroSpeed sorgt hier für ein weiteres Plus: Neben einem guten Spanfluss wird auch die Wärme rasch aus der Kontaktzone heraus geleitet. Dies verhindert zuverlässig Delaminationen und Schäden an der Struktur der Bauteile. Durch den patentierten Multilayer-Aufbau hat die Diamantbeschichtung zudem verschleißmindernde Eigenschaften. Das führt nochmal zu einer deutlich höheren Prozesssicherheit.

Titan prozesssicher zerspanen

Gerade im Flugzeugbau nimmt neben CFK auch Titan eine immer wichtigere Rolle ein. Bei einer relativ geringen Dichte von 4,5 g/cm3 verfügt es über eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig sehr niedrigem Gewicht. Zudem sind Werkstücke aus Titan höchst korrosionsbeständig und vertragen sich elektrochemisch gut mit CFK. Doch schlechte Wärmeleitfähigkeit und starke Adhäsionsneigung erschweren Zerspanern das Leben.

Mit HARDLOX beschichtete Werkzeuge eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen. Nicht zuletzt die Herstellung im innovativen HiPIMS-Verfahren macht HARDLOX zu einer außergewöhnlichen Beschichtung.
Mit HARDLOX beschichtete Werkzeuge eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen.

Die größte Herausforderung liegt darin, besonders verschleiß- und temperaturfeste Werkzeuge zu entwickeln, die Aufbauschneiden entgegenwirken und eine lange Lebensdauer aufweisen. Angepasste Beschichtungen bringen hier den entscheidenden Leistungskick. „Die CemeCon-PVD-Beschichtung HARDLOX ist hervorragend für die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen ausgelegt. In einem multilateralen Forschungsprojekt haben wir die Beschichtung weiter optimiert und genau auf diese extremen Herausforderungen abgestimmt. Nicht zuletzt die Herstellung im innovativen HiPIMS-(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren macht HARDLOX zu einer außergewöhnlichen Beschichtung“, so Manfred Weigand.

Technologien für hervorragende Schichteigenschaften

Das HiPIMS-Verfahren ist eine Weiterentwicklung der Sputtertechnologie. CemeCon setzte hier Maßstäbe mit der ersten HiPIMS-Anlage, die Industriemaßstäben entspricht. Die Technologie ermöglicht eine hohe Ionisation des abgesputterten Metalls. Hochenergetische Leistungsimpulse im Megawatt-Bereich werden in das Target eingebracht, wodurch sich ein Plasma mit hoher Ladungsträgerdichte vor dem Target bildet. Die hohe Ionisation des zerstäubten Metalls führt zu einer Verbesserung der Schichtstruktur und der Schichteigenschaften. So vereint HARDLOX extreme Härte, sehr glatte Oberflächen, mechanische Belastbarkeit, hervorragende Schichthaftung und hohe Zähigkeit.

Für die hohe thermische Stabilität der Beschichtung ist neben der dichteren Schichtstruktur die Materialkombination verantwortlich. Manfred Weigand: „Der mehrlagige Schichtwerkstoff enthält unter anderem auch Silizium, wobei wir die Morphologie weiter optimieren konnten. Durch die Siliziumdotierung erhält HARDLOX eine Mikrohärte bis zu 3.800 HV. Zudem bilden sich verfahrensbedingt beim Abscheiden der Beschichtung keine Droplets und ermöglicht so die extreme Glätte von HARDLOX.“ Somit steht einer optimalen Span- und Wärmeabfuhr nichts mehr im Weg. Mit HARDLOX beschichtet bewahren die in den schwer zerspanbaren Materialien verwendeten Werkzeuge nicht nur einen ‚kühleren Kopf‘, sondern es werden zudem dank der geringen Rauheit Kaltaufschweißungen deutlich reduziert. Das verbesserte Reibungsverhalten an der Spanfläche sorgt für weniger Ausbrüche an der Schneide. Die Folge: eine lange Lebensdauer der Werkzeuge.

Qualitätssicherung ist das A und O

„Intensive Forschung und enge Kooperationen für die Entwicklung erstklassiger Beschichtungen in anspruchsvollen Anwendungen sind die eine Seite der Medaille. Um auch im Produktionsalltag eine gleichbleibend hohe Qualität der Beschichtungen bzw. der beschichteten Werkzeuge zu garantieren, sind extrem genaue Messungen bei unserer Qualitätssicherung Pflicht. Denn nur so können die steigenden Anforderungen an Werkzeuge – zum Beispiel in der Luftfahrtindustrie – erfüllt werden, damit die Bauteile am Ende in tadelloser Qualität glänzen“, ergänzt Manfred Weigand.

CemeCon stellt hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung. Dafür investiert das Unternehmen in moderne Prüfausstattungen.
CemeCon stellt hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung. Dafür investiert das Unternehmen in moderne Prüfausstattungen.

Ein Beispiel für die hohen Standards in der CemeCon-Qualitätssicherung sind die technischen Prüfausstattungen in allen Produktionsbereichen sowie der Entwicklung. Modernste Messgeräte vermessen Durchmesser und Rundlauf der Werkzeuge. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei weniger als 1 µm. Kantenverrundungen und Geometrien kann ein 3D-CNC Multisensor-Koordinatenmessgerät mit einer Präzision von ca. 1 µm ermitteln.

Zudem wird das Verbundsystem „Werkzeugoberfläche-Beschichtung“ mit verschiedenen Analysemethoden auf seine wichtigsten Eigenschaften hin überprüft: adhäsive und kohäsive Schichthaftung, Schichtdicke, Interface (Schicht-Substrat-Verbund), Zähigkeit, Abrasionswiderstand, Funktionsfläche und Oberflächenbeschaffenheit. Da auch umgebungsbezogene Rahmenbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Ergebnisse beeinflussen, führt CemeCon die Messungen in speziell klimatisierten Räumen durch.

„Mit diesen zahlreichen Prüfmöglichkeiten sichern wir die Premiumqualität, die wir unseren Kunden versprechen. Denn nur mit erstklassigen Beschichtungen können Zerspaner den Herausforderungen, die gerade moderne Hightech-Materialien an die Werkzeuge stellen auch künftig souverän begegnen“, so Manfred Weigand.

Kontakt:

www.cemecon.de