11 er anlagen mit vier schichtgenerationen

CYAN MAGENTA JAUNE NOIR

WerkzeugTechnik

Technologie - System - Logistik

ISSN Nr. 0997 - 6981www.werkzeug-technik.com

10 September 2013Nr. 135

Die Fachzeitschrift der Schneidwerkzeuge und Meßtechnik für die Metallbearbeitung

SONDERDRUCK

11-er Anlagen mit vier Schichtgenerationen

– Vollständig digitaler Datentransferüber Profibus, und vor allem,

– Das LGD®-(LARC-Glow Discharge),das neuartige, stärkere Ätzen, wo-durch auch bei komplizierten ver-deckten Flächen (z.B. Abwälzfräser,Formwerkzeuge etc.) eine exzellenteSchichthaftung erreichbar ist.

– Durch diese besseren “Randbedin-gungen“ erleben die Nanocompositeseine Renaissance, auch bei kleineren Beschichtern.

Warum sollen dieBeschichtungsanlagen und die

mit denen möglichenSchichten systematisch

aufgebaut werden?Damit kleine und große

Anwender die optimale Wahlfür ihre Fertigung leicht

treffen können.

11-er Anlagen mit vierSchichtgenerationen

BESCHICHTEN

2 ● Werkzeug Technik 135 ● 10 September 2013

PLATIT AG, Selzach, Schweiz

Systematisch entwickelte Beschichtungsanlagen und Schichtspektren ermöglichen optimaleMaschinen- und Schichtauswahl.

P LATIT hat in den letzten 20 Jahrenüber 360 Beschichtungsanlagen,

überwiegend als Basis von schlüssel-fertigen Beschichtungssystemen instal-liert (Bild 11). In den letzten 4 Jahren bilden die Maschinen der 11-er Baureihedas Rückgrat dieser Systeme. Sieermöglichen die Abscheidung von 4 Schichtgenerationen. Der Artikel gibteinen Überblick über die Maschinen-reihe und ihre Schichtgenerationen.

1. Die 11-er Serie von Beschichtungsanlagen

Warum Serie 11? PLATITs Mutterge-sellschaft (Blösch) und Headquarters ar-beiten im Kanton Solothurn, im Nord-westen der Schweiz. Die schönsteBarockstadt der Schweiz ist mit der “magischen Zahl 11“ stark verbunden.Es gibt hier beispielweise 11 Museen,11 Brunnen, 11 Kapellen, 11 Kirchen undsogar eine Uhr die nur 11 Stunden anzeigt (Bild 1).

Alle Maschinen der 11-Serie arbeitenmit den rotierenden Kathoden, die mitt-lerweile von mehr als 130 Anwendern in37 Ländern verwendet werden [1].

1.1 π111Die π111 findet ihre Anwendung vor

allem in kleineren Betrieben, z.B. beiWerkzeugschleifern, aber auch in großen

Beschichtungszentren als flexibleSchnellschussanlage. Sie wurde vor 4 Jahren, in 2009 als der Nachfolger derberühmten π80 zum ersten Mal ausge-liefert. Ihre wesentlichen Verbesserungengegenüber der π80 sind in erster Linie:– Die größere Vakuumkammer und da-

mit die um 30 bis 50% höhere Bela-dungskapazität bei exzellenterSchichtdickenverteilung,

– Die höhere Belastbarkeit durch einneues Antriebssystem für schwerereSubstrate (150 kg statt 50 kg),

Bild 1

1.2 π211Die π211 wird auf der EMO 2013 als

Weltneuheit zur dedicated Abscheidungvon wasserstofffreien DLC-Schichten (ta-C Schichten) vorgestellt.– Sie verwendet die Chassis und die

Kammer der π111.– Sie arbeitet meistens mit einer metal-

lischen (Cr, Ti) und mit einer Graphit-Kathode.

– Zur Partikel-Filterung entwickeltenwir eine revolutionär neue Methodeund Hardware πsCOAT® (π smoothCoating). Die Partikel werden durchein Straight-Forward-Filter geleitet,der gepulst angesteuert wird undplatzsparend ohne die altbekannte“Kniefilterung“ (90°-Filter) auskommt.Die damit abgeschiedenen DLC-

Schichten weisen – sehr hohe Härten (>60 GPa),– bei niedrigen Reibwerten (μ<0.1 ge-

genüber 100Cr6 Stahl) auf.– Sie werden in erster Linie zur Be-

schichtung von Bauteilen bei hohenmechanischen Belastungen und

– zur Zerspanung von zur Aufbau-schneidenbildung neigenden Mate-rialien (z.B. weiche Al-Legierungen)verwendet.Durch die sehr wirtschaftliche Ab-

schneidung können Hartmetallwerk-zeuge mit DLC-Schichten der π211 eineAlternative zu teuren PKD- und CVD-diamantbeschichteten Werkzeugen wer-den. Dies in erster Linie in der Klein-und Mittelserienfertigung.

1.3 π311Die π311 wurde vor 3 Jahren, in 2010

als die Weiterentwicklung der π300 vor-gestellt. Sie ist die beliebte Beschich-tungsanlage des Mittelstandes.– Die zentrale CERC® (Central Rotating

Cathode) und 3 LARC® (Lateral Rotating Cathodes) Kathoden ermög-lichen die Produktion über 30 Schich-ten per Software ohne Kathoden-wechsel.

– Diese Maschine ist die Mutter der im-mer stärker verwendeten und nach-geahmten Tripel-Schichten (Triple-Coatings3®).

– Die π311-ECO, mit nur 3 LARC®-Ka-thoden bietet einen ökonomischenEinstieg in die Welt der TripleCoa-tings3®. Das Fehlen des zentralen“Boosters“ verlangsamert aber dieProzesse.

BESCHICHTEN


1.4 π411Die π411 wurde auf der AMB 2012

vorgestellt. Als Hochleistungsmaschinefand sie in kurzer Zeit nach ihrer Vor-stellung den Weg in die Beschichtungs-zentren mittelständischer und größererWerkzeughersteller und Lohnbeschich-ter.– Die gleichzeitig arbeitenden CERC-

und drei LARC-Kathoden werden mithoher Leistung betrieben, womit Pro-zesszeiten bis 3.5 Stunden heruntermöglich sind.

– Die mit deren Hilfe entwickelte Quad-Schichten (QuadCoating4®) beinhal-ten im Vergleich zu Triple-Schichten einen zusätzlichen Layer oder Merk-mal.

– Statt CERC-Kathode kann optionaleine SCiL®- (Sputtered Coating indu-ced by LGD) -Kathode eingesetzt wer-den. Sie ermöglicht die Herstellungdropletarmer Schichten, die heute inerster Linie zur Beschichtung von Ge-windewerkzeugen eingesetzt werden.

Zwischenfazit für dieBeschichtungsanlagen der Serie 11

Die Serie 11 bietet allen Anwenderndie entsprechende Kapazität. – Das Minimum liegt bei ~250 Werk-

zeugen (eine Charge pro Tag mit derπ111),

– das Maximum bei ~3000 Werkzeugen(sechs Chargen pro Tag mit der π411).

– Gerechnet für d × L =10 × 70 mmSchaftfräser [1].

2. Die 4 Generationen der Schichten

Mit den Anlagen der 11-er Serie sindvier Generationen der PVD-Schichtenherstellbar. Darunter fallen alle markt-gängigen Schichten und viel mehr (Bild 2).

2.1 Schichten der 1. GenerationDie Schichten der 1. Generation sind

Monoblockschichten ohne Haftlayer.– Ihr wichtigster Vorteil ist die hohe

Produktivität bei der Abscheidung

Bild 2: Schichtgenerationen und ihre Strukturen.


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BESCHICHTEN


amorphe Matrix (von z.B. Si3N4) ein-gebettet. Die Matrix verhindert dasKornwachstum und erhöht dadurchdie Schichthärte [2].

– Ca. 60% der heute verwendetenSchichten gehören zur 2. Generation.

2.3 Schichten der 3. GenerationDie von PLATIT in 2007 vorgestellten

Tripel-Schichten (TripleCoatings3® [3])sind Kombinationen von den einzelnenStrukturen, dort wo sie ihre optimaleWirkung ausüben können.– Der erste Layer (TiN oder CrN)

gewährt das wichtigste Kriterium einer Schicht, die Haftung.

– Der mittlere Kernlayer ist für die guteZähigkeit der Schicht verantwortlich.

– Der Toplayer soll die gute Verschleiß-festigkeit mit hoher Härte erreichen.

2.4 Schichten der 4. GenerationPLATIT hat die Quad-Schichten

(QuadCoatings4® [4]) zum ersten Malim 2012 in der π411 abgeschieden undzum industriellen Einsatz gebracht. DieQuad-Schichten weisen einen zusätzli-chen Layer auf, wie z.B.:

(und der damit verbundene höchsteGewinn des Beschichters). Alle Tar-gets sind gleich und können währenddes ganzen Prozesses ausgenutzt wer-den.

– Ihr wichtigster Nachteil ist der feh-lende Haftlayer und die damit ver-bundene nicht optimale Haftung.(Falls es sich nicht um die Basis-Mo-noblock-Schichten TiN oder CrN han-delt.)

– Die Schichten der 1. Generation sindin allen Anlagen möglich.

– PLATIT scheidet die Schichten der 1.Generation nur für TiN und CrN ab.

– Die wichtigsten Anwendungsgebieteder Schichten der 1. Generation sindHSS-Zerspanungs- und Umform-werkzeuge, sowie einfache Bauteile.

2.2 Schichten der 2. GenerationDie Schichten der 2. Generation wei-

sen einen Haftlayer und verschiedeneStrukturen für die Funktionsschicht auf.

– Alle Monoblockschichten der 2. Ge-neration starten mit einem Haftlayer(mit Ti oder Cr).

– Bei den Gradient-Schichten wird derAnteil der zweiten Komponente (Zr, C, Al etc) “stufenlos“ (gradient) gesteigert, um üblicherweise die Härteund/oder die Temperatur beständig-keit der Schicht zur Oberfläche hin, zusteigern.

– Multilayer weisen eine höhere Zähig-keit dank des Sandwicheffektes auf.

– Nanolayer können härter sein als dieMultilayer, falls die Nanolayer-Perioderichtig gewählt und abgeschiedenwird [1].

– Nanocomposites sind superharteSchichten mit feiner Struktur. Die har-ten Körner (z.B. AlCrN) sind in eine

Bild 4: Umformen mit Schichtender 1. und 2. Generation.

– Einen doppelten Kernteil zur höherenZähigkeit zum Abwälzfräsen,

– Einen Oxidlayer zur Wärmedämmungbei HSC- und Trockenbearbeitungoder

– Eine Art Schmierlayer (z.B. CrCN) zurReduzierung des Reibwertes fürFormwerkzeuge.

3. Anwendungen derSchichtgenerationen

Wie sieht das optimale Schichtspek-trum einer Maschinenserie mit ver-schiedenen Kapazitäten und demzufolgemit verschiedenen Anwendern aus?

So, dass sowohl der kleinste, als auchder mittelständische, aber auch dergroße Anwender seine Bearbeitungen abdecken können. Dabei sollen– die gleichen Auswahlkriterien und

Schichtzuordnungen für Klein undGroß gelten, aber

– die höhere Leistung und die breiterenMöglichkeiten der größeren Anlagennutzbar sein.Diesen Spagat löst PLATIT mit der

systematischen Hilfe der ”Eltern”-Schichten und ihrer 4 Generationen (Bild 3).

Die “Eltern”-Schichten stehen im Mit-telpunkt der Tabelle. – Die Anwendungsgebiete links, hän-

gen in erster Linie von den physika-lischen Eigenschaften der Basismate-rialien der Schicht ab, die durch die“Eltern”-Schicht definiert sind.

Bild 5: Fließpressen mit DLC-Schichten der 1. und 2. Generation.

BESCHICHTEN


– Welche Schichtstrukturen (welche Generation der “Eltern”-Schicht) inden einzelnen Beschichtungsanlagenvorzugsweise abgeschieden werden,sind in der rechten Tabellenhälfte erfasst.

Dadurch sieht jeder Anwender welcheSchicht er für die jeweilige Anwendungin seiner Anlage abscheiden soll bzw.kann.

– Im Bild 7 sind alle vier Generationenvertreten. Die für diese Bohropera-tion bestgeeignete Quad- Schicht,TiXCo4® weist in ihrer Topschicht ei-nen sehr hohen Silizium-Gehalt auf.

- Die ionnitrierten (e-beam) Schichtender 1. und 2. Generation haben im-mer noch eine Monopolstellung beider Gewindeherstellung. Eine neueQuad-Schicht, AlTiCrN4®-Tribo, mitallen drei Hauptelementen der heuti-gen PVD-Schichten (Ti, Al und Cr)

Bild 7: Bohren in hochfestemStahl mit 4 Generationen

von Schichten.

Bild 8: Gewindeformen im hochlegierten Stahl durch Quad-Schicht mitSchmierschicht gegenüber Referenzschichten der Praxis.

Bild 6: Feinstanzen mit Schichten der1., 2. und 3. Generation -

Vergleichende REM-Analyse der Stanzschneiden nach

30’000 Hüben.

und mit einer zusätzlichen Schmier-schicht will diese Monopolstellungbrechen (Bild 8) [5].

– Die Beschichtung von Abwälzfräsernist eine sehr komplexe Aufgabe. Derganze Prozess - Entschichten, Nach-schleifen, Schneidkanten-Präparierenund Beschichten – muss optimiertwerden, damit die Schichten der 3.und 4. Generation die guten Ergeb-nisse erreichen können (Bild 9) [6].

– Wegen der hohen Warmfestigkeit wer-den oxydische Schichten vorwiegendfür Wendeschneidplatten zum tro-ckenen HSC-Drehen empfohlen. Diededicated Schicht, Nanomold-Gold,wurde auf der Grundlage der Quad-Schicht nACoX4® entwickelt. Sie etab-liert sich immer stärker auch für Fräs-platten (Bild 10).

4. AusblickIn der Beschichtungsbranche ist sehr

viel in Bewegung [7].– Einerseits kauften große Konzerne

mehrere kleinere Anlagenherstellerund Beschichter im letzten Jahr auf. Esverschärft den Wettbewerb in Lohn-beschichtung und drückt die Preisenach unten.

– Anderseits wollen große Lohnbe-schichter ihren Umsatz mit eigenemNachschleifen steigern.Das letztere lässt die mittelständi-

schen Werkzeughersteller und Nach-schleifer absolut nicht kalt. Ihre Hemm-schwelle, die Beschichtung in ihreFertigung zu integrieren, sinkt dadurcheindeutig.

Die Bilder 4 – 10 zeigen einige typi-sche Anwendungsbeispiele, wie dieSchichtleistung durch die höheren Generationen verbessert werden kann.

– Bild 4 und Bild 5 stellt Leistungsver-gleiche für spanlose Formwerkzeugevor, beschichtet mit Schichten der 1.und 2. Generation.

– Bild 6 vergleicht das Verschleißver-halten von Feinstanzwerkzeugen, be-schichtet mit Schichten der 1., 2. und3. Generation. Die spezielle Kern-schicht aus Tripel-Schicht, AlCrN3®,ist die Grundlage für die gute Leis-tung der dedicated Schicht FeinAl®.

BESCHICHTEN

Der harte Konkurrenzkampf treibt dieEntwicklung der so wie so innovativenBeschichter zusätzlich voran. Deswegenist die 5. Schichtgeneration nur eine

Bild 9: Abwälzfräsen mit Schichtender 2., 3. und 4. Generation.

Referenzen[1] PLATIT Kompendium, 51. Ausgabe,

Selzach, 2013, www.platit.com[2] Veprek, S., Jilek, M. u.a.: Structual

Properties of Superhard Nanocom-posite Coatings, Surface and Coat-ings Technology, San Diego, USA,1999, p.173-178.

[3] Morstein, M. u.a.: Triple Coatingswith Rotating Arc PVD Cathodes –Five Years of Dependable High Performance, San Diego, G7-6,23.04.2007.

[4] Cselle, T. u.a.: QuadCoatings4® -Neue Generation von PVD-Schich-ten für Zerspanungswerkzeuge,Werkzeug Technik, Nov/2012,p.60-61.

[5] Morstein, M., u.a.: A TribologicalApproach Towards Engineering theWear Behavior of PVD Coatings,PLANSEE Seminar, Reutte, June3–7, 2013.

[6] Lümkemann, A., u.a.: QuadCoat-ings4®, a New Generation of PVDCoatings for High-Performance Cut-ting Applications, ICMCTF 2013,San Diego, G6-17, 02.05.2013.

[7] Cselle, T.: PVD-Beschichtung fürZerspanungswerkzeuge – Quo Vadis 2012, Werkzeug Technik,Sept/2012, p.54-58.

Bild 10: Formfräsen mitSchichten der 2., 3. und

4. Generation.

BESCHICHTEN

Frage der Zeit. Sie wird vielleicht nichtdurch einen 5. Layer gekennzeichnet,sondern durch ein anderes zusätzlichesMerkmal. Man darf gespannt sein.

Bild 11

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Zwei neue Maschinen an der EMO 2013aus PLATIT’s 11er Serie

11 er anlagen mit vier schichtgenerationen

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