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maschine+werkzeug 06/2013

»Mikrogeometrie rückt als Differenzierungsmerkmal mehr und mehr in den Vordergrund.«

Technik - Werkzeuge - Interview

Interview - Anspruchvolle Werkstoffe stellen die Zerspanung vor Herausforderungen, führt Gerhard Peyerl, Vertriebsleiter Tools bei Oerlikon Balzers aus. Den aktuellen Stand der Beschichtungstechnologie schildet Dr. Thordis Michalke.

Herr Peyerl, welche Trends beobachten Sie in der Zerspanung?

Der allgemeine Trend in der Zerspanungstechnologie geht weg von der Bearbeitung klassischer Materialien wie zum Beispiel Baustähle, Automatenstähle oder Vergütungsstähle hin zu Sonderwerkstoffen, die anspruchsvoll zu zerspanen sind.

Welche sind das?

Es kommt immer mehr Leichtbau, insbesondere CFK- und GFK-Materialien oder Honeycom-Materialien, die aussehen wie eine Honigwabe und bei extrem geringem Gewicht eine hohe Bauteilfestigkeit aufweisen. Auf dem Vormarsch sind ferner Nickel-basierte Materialien bis hin zu Titan, Inconel und anderen. Auch spezielle Gussmaterialien werden zunehmend hochfest.

Was sind die Gründe dafür?

Im Automobilbereich ist die Reduzierung von Emissionswerten das große Thema. Dazu kann zum einen der Wirkungsgrad von Motoren erhöht werden, indem die Reibung reduziert wird – da sind unsere Entwickler von der Bauteilbeschichtung sehr aktiv. Andererseits wird mehr und mehr Leichtbau eingesetzt. Auch das zunehmende Downsizing von Motoren zwingt die Hersteller, aus weniger Hubraum mehr Leistung herauszukitzeln. Hierzu werden völlig andere Grundmaterialien gebraucht, welche diese Drücke und Belastungen aushalten. Das stellt logischerweise neue Herausforderungen an die Zerspanung.

Auch an die Beschichtungen?

Die Materialien in der Zerspanung werden immer anspruchsvoller und man muss mit innovativen Bearbeitungsstrategien herangehen. Die eigentliche Steigerung der Standzeit der Werkzeuge, beziehungsweise in der Verkürzung der Bearbeitungszeit pro Bauteil, wird heute fast ausschließlich über Oberflächenverfahren realisiert. Früher gab es noch eine Faustformel, nach der die Verantwortlichkeit für die Performance eines Werkzeugs zu einem Drittel im Substrat, zu einem Drittel in der Geometrie und zu einem Drittel in der Beschichtung lag. Das hat sich inzwischen verschoben. Bei den Substraten werden nicht mehr die großen Leistungssprünge erwartet. Auf der Geometrieseite werden die Möglichkeiten der Differenzierung durch neue Werkzeugschleifmaschinen-Konzepte immer geringer. Mehr und mehr rückt die Mikrogeometrie als Differenzierungsmerkmal in den Vordergrund und das Zusammenspiel zwischen der Schneidkante und der Beschichtung in den Mittelpunkt.

Wer sind Ihre Kunden?

Bei Neuwerkzeugen sind das Werkzeughersteller, die unter enormem Innovationsdruck stehen. Sie müssen sich durch Qualität und Leistung immer mehr differenzieren. Hier gibt es die einen, die nur unseren Beschichtungsservice in Anspruch nehmen, wie auch die anderen, die mit eigenem Coating-Equipment arbeiten. Andere Hersteller, vor allem solche von mittlerer Größe, fahren die Strategie, dass sie sich immer der besten Coating-Produkte am Markt bedienen. Daneben gibt es noch eine vierte Gruppe von Anwendern, die zwar selber beschichten, bei uns aber dennoch zusätzlich Beschichtungsdienstleistungen kaufen. Unsere Strategie im Verkauf ist es, sowohl den Werkzeuganbieter anzusprechen als auch die Ansprüche der Endverbraucher zu berücksichtigen. Hinzu kommt dann noch das Wiederbeschichtungsgeschäft.

Wie viele Schichten bietet Oerlikon Balzers an?

Hinter jeder unserer Schichten stehen langjährige Erfahrung, Prozess- und Materialspezialisten in der Entwicklung und Applikations- sowie ausführliche Zerspanungstests. Mit unterschiedlichen Vor- und Nachbehandlungsspezifikationen kommen wir mittlerweile auf über 100 mögliche Servicekombinationen. Mit unserer globalen Erfahrung sind wir in der Lage, mit dem Kunden die individuell richtige Schicht zur jeweiligen Anwendung auszuwählen.

Also eine Prozesskette?

Ja, ohne die Prozesskette funktioniert heute gar nichts mehr. Wenn es in der ersten Projektphase um neue Applikationen und neue Werkzeuggruppen geht, sind wir mit im Boot und erörtern gemeinsam mit dem Kunden, um welches Werkzeug es sich handelt, wie die Schneide aussieht und welches Material zerspant werden soll. Dann ermitteln wir die Schicht und die passende Vor- und Nachbehandlung. Es ist für uns selbstverständlich, dass auch unsere Außendienstmitarbeiter jahrelanges praktisches Know-how in der Zerspanung besitzen und die Kunden fundiert beraten können.

Welche Innovationen erwarten uns noch bei den Beschichtungen?

Einen Ausblick für die Zukunft gibt uns Frau Dr. Michalke, unsere Leiterin Produktionstechnik.

Frau Dr. Michalke, wo läuft die Beschichtungstechnologie hin?

Unserer Ansicht nach zu S3p. Bevor ich diese neue Technologie beschreibe, möchte ich aber kurz den Weg dahin skizzieren. Mit PVD-Beschichtungen sind wir 1979 mit der von Balzers entwickelten Ionitron-Technologie gestartet. Später wurde die Arc-Technologie bei uns weiterentwickelt, vornehmlich für Beschichtungen wie TiAlN und AlTiN. 2003 kamen die ebenfalls auf dem Arc-Verfahren basierenden Aluminiumchromnitrid-Schichten hinzu, die aufgrund ihrer hohen Temperaturstabilität einen neuen Standard in HPC-Anwendungen setzten. Auch die 2006 entwickelte P3e-Technologie basiert auf dem Arc-Verfahren.

Was verbirgt sich dahinter?

Das Kürzel steht für ‚Pulse Enhanced Electron Emission‘: Hierbei wird die klassische Arc-Technologie gepulst eingesetzt, sodass es möglich wird, auch in reiner Sauerstoffatmosphäre Schichten abzuscheiden. Der große Durchbruch gelang hier, weil erstmalig besonders harte Aluminiumoxid-basierte Schichten in Korund-Struktur, einer sehr stabilen Phase, mit PVD-Verfahren unter 600 °C abgeschieden werden konnten.

Arcen ist also etwas grundsätzlich anderes als das klassische Sputtern?

Grundsätzlich sind beides plasmabasierte PVD-Beschichtungsverfahren: Das Beschichtungsmaterial (Target) wird dabei in der Gasphase verdampft. Beim Arcen geschieht das durch eine Bogenentladung, einem stark lokalisierten „Blitz“, der sehr schnell über die gesamte Targetoberfläche läuft und lokal das Material verdampft. Auch beim Reaktiv-Sputtern ist ein Plasma vorhanden, aber hier schlägt ein Bombardement von Gas-Ionen das Material aus der Targetoberfläche heraus, wobei die Temperatur eine große Rolle spielt. Diese sehr unterschiedlichen Verfahren schlagen sich auch in den Schichteigenschaften nieder.

Wie sehen diese jeweils aus?

Der wesentliche Unterschied ist der geringe Ionisationsgrad beim Sputtern im Vergleich zum Arcen. Dies resultiert in einer reduzierten Schichthaftung, aber auch geringeren Dichte und Härte der gesputterten Schicht.

Und wo ist der Haken beim Arcen?

Beim Arcen entstehen immer auch Droplets, die Schichten werden nie so glatt wie beim Sputtern. Heute werden über 80 Prozent der Werkzeuge mit Arc-Technologie beschichtet. Der Anteil von Ionitron und Sputtern liegt gesamt bei etwa 20 Prozent.

Die Entwicklung geht aber weiter…

Ja, HIPIMS verbindet inzwischen die Vorteile des Sputterns mit jenen des Arcens. Man bekommt damit sehr glatte Oberflächen ohne Droplets, da das Verfahren auf dem Sputtern basiert. Durch die hohen Pulse wird der Ionisationsgrad gesteigert. Der Wermutstropfen dabei ist allerdings, dass man mit HIPIMS für die Schichtentwicklung auf ein sehr kleines Prozessfenster limitiert ist. Anwendungsspezifische Schichtlösungen und ein industrialisierter Einsatz der Technologie sind kaum möglich.

Was ist nun S3p?

Das Kürzel steht für ‚Scalable Pulsed Power Plasma‘. Es ist die Weiterentwicklung der HIPIMS-Technologie auf neuem Niveau.

Was machen Sie da?

Die Plasmadichte, und damit der Ionisationsgrad, ist ein ganz wichtiger Faktor, um die Schichteigenschaften gezielt zu beeinflussen. Sie wird gezielt über Pulslänge und Leistung eingestellt. Eigens für S3p wurden von Oerlikon Balzers neue Leistungsversorgungen entwickelt, die dieses Anforderungsprofil erfüllen und eine hohe Skalierbarkeit der Parameter ermöglichen. Wir sputtern auf einem sehr produktiven Niveau und verändern dabei gezielt die Schichteigenschaften über eine große Bandbreite an Möglichkeiten – und das alles glatt ohne Droplets! Das ist ein großer Sprung in absolut neue Dimensionen der Beschichtungstechnologie!

Wo sehen Sie Anwendungsbereiche für S3p?

Die Nachbehandlung zur Einglättung der Schicht kann bei dieser glatten Beschichtung entfallen, was vor allem für Werkzeuge interessant ist, bei denen ein solch mechanisches Nachpolieren nur schwierig möglich ist. Das sind zum Beispiel aufgrund deren Größe von einem Millimeter und kleiner Mikrowerkzeuge, bei denen es kaum möglich ist, mit mechanischen Verfahren an die Werkzeuge heranzugehen, ohne sie gleich zu zerstören. Für Werkzeuge aller Größen empfiehlt sich der Einsatz von S3p für schwer zerspanbare Materialien wie Titan, Inconel und rostfreien Stahl. Tieflochbohrern verleiht die Schicht mehr Stabilität und erlaubt höhere Belastungen. Für Gewindewerkzeuge lassen sich Nachfolger der heutigen Titannitrid- und Titancarbonitrid-Schichten finden, die eine verbesserte Performance erlauben.

Wie weit ist die Technologie inzwischen?

Wir haben die S3p-Technologie zur Produktionsreife entwickelt. Anwendungstests mit gezielt optimierten S3p-Schichten zeigen vielversprechende Ergebnisse. Auf der diesjährigen EMO wird S3p ein Schwerpunkt sein.

Wird S3p Arc verdrängen?

Das Arcen wird auch mittelfristig eine wichtige Rolle spielen. Hingegen wird das konventionelle Sputtern wohl nach und nach an Bedeutung für Hartstoffschichten im Werkzeugmarkt verlieren.

Vita

Dr. Thordis Michalke wurde 1975 in Kassel geboren. Nach ihrem Physikstudium promovierte sie 2004 im Bereich Oberflächenphysik an der Uni in Würzburg und arbeitete anschließend als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Uni in Kassel. 2005 startete Dr. Michalke bei Oerlikon Balzers als Projektingenieurin und übernahm 2007 die Leitung der Abteilung Anwendungstechnik (Application Support Center). Seit 2012 ist sie die Leiterin der Produktionstechnik in der Zentrale in Balzers/Liechtenstein.

  • Bild 1: »Mikrogeometrie rückt als Differenzierungsmerkmal mehr und mehr in den Vordergrund.«

    Bild 1: »Mikrogeometrie rückt als Differenzierungsmerkmal mehr und mehr in den Vordergrund.«

  • »Wir sputtern auf einem sehr produktiven Niveau und verändern dabei gezielt die Schichteigenschaften über eine große Bandbreite an Möglichkeiten glatt und ohne Droplets.« Dr. Thordis Michalke, Leiterin Produktionstechnik bei Oerlikon Balzers

    »Wir sputtern auf einem sehr produktiven Niveau und verändern dabei gezielt die Schichteigenschaften über eine große Bandbreite an Möglichkeiten glatt und ohne Droplets.« Dr. Thordis Michalke, Leiterin Produktionstechnik bei Oerlikon Balzers

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Inhaltsverzeichnis
  • 1: »Mikrogeometrie rückt als Differenzierungsmerkmal mehr und mehr in den Vordergrund.«
  • 2: Vita
Unternehmensinformation

Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH

Am Ockenheimer Graben 41
DE 55411 Bingen
Tel.: 06721-793-0
Fax: -2374

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