Die Vorgabe war ambitioniert: eine Standzeitsteigerung von mindestens 30 Prozent in verschiedensten Bohranwendungen. „Unser zentraler Ansatz bestand darin, bewusst nicht mit der Schichtentwicklung zu beginnen“, erläutert Dr.-Ing. Ivan Iovkov, der in der Forschung & Entwicklung von Oerlikon Balzers die Entwicklung von BALINIT OPTURA maßgeblich prägte. Stattdessen wurde in einem vorgelagerten Projekt über ein Jahr zunächst eine belastbare Testmethodik für Bohrprozesse erarbeitet. Ziel war eine hohe Vergleichbarkeit der Ergebnisse und saubere Trennung der Einflussfaktoren, um eine verlässliche Datenbasis für die spätere Entwicklung zu gewinnen.
Alle Werkzeuge, Substrate, Schneidkanten- und Mikrogeometrien wurden systematisch charakterisiert. Die Tests wurden auf Hochleistungseinsätze wie auch auf moderate Schnittwerte ausgelegt. Weitere Schwerpunkte lagen auf gezielter Wärmebehandlung und detaillierter Werkstoffanalyse. Jede Versuchsplatte wurde durch Härte- und Kraftmessungen an definierten Positionen charakterisiert, um Chargenschwankungen und Materialinhomogenitäten zu erfassen. Um deren Einfluss auszugleichen, wurde die Reihenfolge der Bohrungen randomisiert.
Erweiterte Messtechnik und moderne Sensorik halfen, Vorschubkräfte und Bohrmomente über komplette Versuchsreihen hinweg zu erfassen. Die Daten lieferten wertvolle Hinweise auf die Verschleißentwicklung und die zugrunde liegenden Mechanismen im Prozess. Durch den Einsatz modernster Hydrodehn-Werkzeugspanntechnik ließen sich schwingungsbedingte Einflüsse reduzieren. Die Mikroskopie der Verschleißentwicklung erfolgte teils automatisiert, die Auswertung datenbasiert und teilweise KI-gestützt.
Schichtauslegung basiert auf Verschleißmechanismen
Auf Basis der Ergebnisse dieser systematischen Versuchsmethodik wurde die neue Beschichtung gezielt an den realen Verschleißmechanismen ausgerichtet. Statt einzelne Eigenschaften zu maximieren, stand das optimale Zusammenspiel im Prozess im Fokus. Während beim Bohren in ferritischen Stählen vor allem adhäsive und thermische Belastungen auftreten, dominieren bei gehärteten Stählen und Gusseisen abrasive und stoßartige Beanspruchungen. Das TiAlN-basierte Mehrlagen-Schichtsystem verbindet daher hohe Warmhärte mit ausreichender Zähigkeit und kontrollierter Duktilität.
Ein wichtiger Entwicklungsschritt war die gezielte Reduzierung der Eigenspannungen. Dies ermöglicht größere Schichtdicken ohne erhöhtes Abplatzrisiko – ein Vorteil besonders für anspruchsvolle Bohranwendungen und wiederaufbereitete Werkzeuge. Das Multilayer-Design stabilisiert zudem die Schneidkante und unterstützt gleichmäßigen Verschleiß ebenso wie hohe Prozesssicherheit.
Validierung in der Industrie
Im eigenen Zerspanungslabor wurden über 40 Schichtvarianten mit mehr als 400.000 Bohrungen getestet. Industriepartner begleiteten die Entwicklung mit Praxistests und -erfahrungen. Die Ergebnisse zeigten durchweg eine deutlich verbesserte Prozessstabilität und im Durchschnitt über 50 Prozent höhere Standzeiten gegenüber bestehenden Lösungen.
Die Leistungsfähigkeit von BALINIT OPTURA zeigt sich nicht nur in klassischen Anwendungen wie 42CrMo4+QT. In weicherem C35-Stahl stieg die Zahl der Bohrungen gegenüber einer AlTiN-basierten Lösung um rund 57 Prozent.
In hochfestem Stahl verbesserte sich die Standzeit gegenüber einem wiederaufbereiteten VHM-Bohrer mit Doppelbeschichtung um etwa 89 Prozent. Beim Tiefbohren in Gusseisen erhöhte sich die Standmenge gegenüber einer AlTiN-basierten Standardlösung um mehr als 80 Prozent.
Im Ergebnis unterstützt die Schicht längere Standzeiten, weniger Werkzeugwechsel und eine effizientere Wiederaufbereitung. „Die ganzheitliche Entwicklung von BALINIT OPTURA zeigt, dass das gezielte Zusammenspiel aus Testmethodik, Prozessverständnis, Werkstoffanalyse, Schichtdesign und industrieller Validierung zu überzeugenden Lösungen führt, die neue Maßstäbe setzen können“, resümiert Dr.-Ing. Ivan Iovkov.
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