• Land: Deutschland
  • Autor(en): Michael Schneeweiß, Jan Glühmann, Jürgen Schneider
  • Artikel vom: 15 November 2013
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Diamant-/diamantähnlich beschichtete Werkzeuge
  • Schlüsselbegriffe: Beschichtungstechnologie, Nanoschichten, Spanungswerkzeuge
  • Fein- und Mikrobearbeitungsprozesse effizienter gestalten durch ALD-Nano-Verschleißschutzschichten

    Mit Nutzung der ALD-Beschichtungstechnologie im Sektor Spanungswerkzeuge wird die Applikation von Verschleißschutzschichten – bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung minimaler Schneidkantenverrundungen – für Mikrozerspanungs- und Feinbearbeitungswerkzeuge ermöglicht. Neben einer minimalen Beeinflussung der mikrogeometrischen Gestalt durch die ALD-Nanoschichten, wird die Leistungsfähigkeit von Spanungswerkzeugen bei speziellen Bearbeitungsoperationen gegenüber bisher unbeschichteten Werkzeugen wesentlich gesteigert.

    Für den Bereich geometrisch bestimmter Spanungswerkzeuge, sind vor allem bei der Feinbearbeitung geringste Schneidkantenradien, zur Gewährleistung höchster Bauteilanforderungen (i.d.R. Rt < 3 µm, < IT 4), unumgänglich. Dies begründet sich im bekannten Zusammenhang zwischen der erforderlichen Mindestspanungsdicke hmin und der vorhandene Schneidkantenverrundung rn, wobei hmin stets größer als rn zu wählen ist, um gerade noch eine Spanabnahme zu gewährleisten. In der Praxis kommen daher häufig unbeschichtete, nahezu „scharf“ geschliffene Schneiden zum Einsatz. Insbesondere bei der Anwendung von Hartmetallschneidstoffen ist die Lebensdauer durch eine fehlende Hartstoffverschleißschutzschicht dann begrenzt. Eine erhebliche Steigerung der Lebensdauer ließe sich durch Hartstoffschichten aus den bekannten Schichtmaterialien Al2O3, TiN, TiCN oder aber TiAlN zwar generieren, würde aber unter Nutzung herkömmlicher Abscheidetechniken (PVD/CVD) zu einer unvermeidbaren Zunahme der Schneidkantenverrundung führen. Zurückzuführen ist dieser Effekt auf die verhältnismäßig großen Schichtdicken ab ca. 5 µm. Abbildung 1 widerspiegelt diesen Zusammenhang und zeigt die direkte Auswirkung vergrößerter Schneidkantenradien auf die theoretisch mögliche Rautiefe Rt.

    Die Gleichungen in Abbildung 1 (rechts) verdeutlichen, dass die beschichtungsbedingte Vergrößerung des Schneidkantenradius rn dazu führt, dass die Spanungsdicke h im Bearbeitungsprozess erhöht werden muss (Bedingung hmin > rn). Dies erfolgt über eine Vergrößerung des Vorschubs f, was dann wiederum die minimal erzielbare Rauheit Rt begrenzt. Gleichzeitig steigt die Bearbeitungskraft an und unerwünschte Bauteildeformationen nehmen zu. Um die Leistungsfähigkeit spanender Feinbearbeitungswerkzeuge zukünftig dennoch zu steigern – und somit die Möglichkeit zur weiteren Zeit- und Kosteneinsparung in der Fertigung zu eröffnen – sind verschleißfeste Hartstoffschichten mit wesentlich geringeren Schichtdicken erforderlich. Hier bietet die ALD-Beschichtungstechnologie (ALD – Atomic Layer Deposition), die bisher vorwiegend für funktionale Schichten im Bereich der Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und der Solartechnik Anwendung fand, einen vielversprechenden Ansatz. Dieser wurde in einem ersten Grundlagenprojekt (gefördert vom SMWK 03.-12.2011) an der WHZ verfolgt. Dabei gelang der Eignungsnachweis von ALD-Al2O3-Nanoschichten für den Einsatz auf Hartmetallzerspanungswerkzeugen, mit teilweise enormen Leistungssteigerungen bei den Verfahren Drehen, Fräsen und Bohren.

    ALD-Abscheideversuche

    Die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition) ist ein Verfahren, das auf der sequentiellen Anwendung selbstlimitierender Reaktionen beruht /3/. Dieser Prozess ist ähnlich dem CVD-Prozess, nur das der ALD-Prozess in separate Stufen aufgeteilt wird, wobei die benötigten Reaktionsgase nacheinander, durch Spülgaspulse getrennt, eingeleitet werden. Der Reaktionsablauf lässt sich durch die in Abbildung 2 gezeigten Prozessschritte 1 bis 4 veranschaulichen.

    Die selbstlimitierende Abscheidung atomarer Monolagen ermöglicht die konforme Beschichtung von sonst nur schwer zugänglichen Oberflächen sowie eine exakte Schichtdickenkontrolle mit atomarer Auflösung.

    Im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen an der WHZ, wurde die am Leupold-Institut für Angewandte Naturwissenschaften (LIAN) vorhandene ALD-150 Anlage der Firma FHR-Anlagenbau GmbH eingesetzt. Unter Verwendung der Precursoren Trimethylaluminium (TMA) und Wasser (H2O), konnten Al2O3-Schichten auf unterschiedlichen Hartmetallwerkzeugen abgeschieden werden. Vorerst wurden zwei Schichtdicken (40 nm und 120 nm) auf den in Abbildung 3 dargestellten Versuchswerkzeugen abgeschieden und sowohl werkstofftechnisch als auch spanungstechnisch bewertet.

    Die Kernergebnisse zur Werkzeugcharakterisierung nach dem ALD-Beschichtungsprozess können wie folgt zusammengefasst werden:

    • keine wesentliche Änderung der Rauheit (Ra)
    • keine Vergrößerung der Schneidkantenradien (rn)
    • keine signifikante Änderung der Substrateigenspannungen durch die ALD-Al2O3-Nanoschichten.

    ALD-Zerspanungsversuche

    Am Institut für Produktionstechnik (IfP) der WHZ erfolgten neben der Schneidstoffcharakterisierung (bspw. hinsichtlich Eigenspannungsausbildung, Oberflächenrauheit, Mikrogeometrie) schwerpunktmäßig die systematischen Spanungsuntersuchungen beim Drehen, Fräsen und Bohren an vorerst einem Stahl- (42CrMo4+QT) und einem Gusswerkstoff (GJS-600-3). Im Vordergrund stand der prinzipielle Eignungsnachweis von ALD-beschichteten Werkzeugen für spanungstechnische Anwendungen.

    Die Spanungstests mit ALD-beschichteten Werkzeugen, wurden generell vergleichend zu unbeschichteten Werkzeugen – wie diese vielfach bei Feinbearbeitungsprozessen zur Anwendung kommen – durchgeführt. Hinsichtlich der betrachteten Schichtdicken ergaben die Versuchsergebnisse gemäß Abbildung 4 einen ersten Hinweis, auf die Verfahrensabhängigkeit. Beim Drehen erfolgte aufgrund der geringen Unterschiede im Verschleißverhalten, eine Orientierung auf “dünne“ Schichten (Reduktion der Beschichtungszeit). Im Gegensatz dazu, erzielten beim Fräsen und Bohren die „dicken“ Schichten (120 nm) Vorteile gegenüber den dünner beschichteten Varianten, wobei die optimale Schichtdicke deutlich kleiner als 120 nm sein kann.

    Im Hinblick auf das Verschleißverhalten und die erzielbare Standzeit, konnten beim Drehen und Bohren – vorrangig bei der Gussbearbeitung – erhebliche Verbesserungen durch die ALD-Beschichtungen erzielt werden. Der reduzierte Verschleißfortschritt führte bspw. beim Drehen zu einem Standzeitzuwachs von ca. 35 % (siehe Abbildung 5 links). In den Bohrversuchen zeigte sich eine erhebliche Reduktion des Eckenverschleißes, so dass Standzeiterhöhungen von bis zu 170% gegenüber unbeschichteten Werkzeugen ermöglicht wurden (siehe Abbildung 5 rechts).

    Bei der Stahlzerspanung zeigten die erprobten ALD-Beschichtungen in Bezug auf die Standzeit noch keine Vorteile gegenüber den unbeschichteten Varianten. Allerdings konnte über die Lebensdauer der Werkzeuge eine wesentliche Reduktion der Aufbauschneidenbildung ermittelt werden.

    Die Kernergebnisse der spanungstechnischen Grundsatzuntersuchungen können wie folgt zusammengefasst werden:

    • ALD-Schichtdickeneinfluss auf das Verschleißverhalten ist verfahrensabhängig
    • wesentliche Standzeiterhöhungen bei der Gussbearbeitung mittels ALD möglich (bis 170%)
    • generell gleichmäßigerer Verschleißfortschritt an ALD-beschichteten Werkzeugen
    • Vermeidung der Aufbauschneidenbildung bei der Stahlzerspanung durch ALD-Beschichtung.

    Erste industrielle Feldversuche

    In Folge der bisherigen, positiven Projektergebnisse, wurde die innovative Idee der ALD-Werkzeugbeschichtung von einem ersten industriellen Anwender – der KSG Leiterplatten GmbH, Gornsdorf – aufgegriffen. Die Erwartungen an die ALD-Nanobeschichtungen richten sich vorrangig auf eine mögliche Zunahme der Werkzeugstandzeit sowie der Bauteilqualität bei der Bohr- und Fräsbearbeitung typischer Leiterplatten-Werkstoffverbunde (bspw. Cu-GFK-Cu). Mit Unterstützung durch die Beschichtungsexperten der WHZ, erfolgte die Abscheidung von ALD-Al2O3-Nanoschichten auf speziellen Leiterplattenbohr- und -fräswerkzeugen im Durchmesserbereich von 0,3 bis 3,0 mm (siehe Abbildung 6). Aktuell erfolgen die Feldtests zum Eignungsnachweis beim industriellen Anwender.

    Resümee

    Im Rahmen der bisherigen Grundlagenuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die ALD-Beschichtungstechnologie die Schneidkanten von Spanungswerkzeugen nicht verändert und damit höchste Bauteilanforderungen – trotz vorhandener Verschleißschutzschicht – erfüllt werden können. Bei bestimmten Verfahren und der Zerspanung ausgewählter Werkstückwerkstoffe können

    ALD-Nanoschichten zur Senkung der werkzeugabhängigen Kosten – durch eine Erhöhung der Werkzeugstandzeit – beitragen. Es ist zu vermuten, dass durch mögliche Schnittgeschwindigkeitssteigerungen, resultierend aus dem verbesserten Verschleißverhalten ALD-beschichteter Werkzeuge, ebenfalls eine Senkung der zeitabhängigen Kosten realisierbar ist. Zukünftig werden Untersuchungen mit weiteren Schichtmaterialien, variierenden Schichtdicken und Werkstückwerkstoffen angestrebt, um das gesamte Potenzial von ALD-Nanoschichten für spanungstechnische Anwendungen ausschöpfen zu können. Da die Applikation von ALD-Verschleißschutzschichten zu keiner wesentlichen Beeinflussung der Mikrogeometrie an den Schneiden von Spanungswerkzeugen führt, die Verschleißbeständigkeit jedoch nachweislich gesteigert wird, sind neben der Feinbearbeitung zukünftig ebenfalls die Mikrozerspanung (siehe Leiterplattenwerkzeuge) oder aber die Präzisionsumformung denkbare Anwendungsfelder.

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