Tibor Cselle und andere

3 (+1) Kathoden - 30 Schichten - 300 Chargen

Software

Schweizer Präzisions-Fertigungstechnik

2007Dreh-Fräs-Zentren

Schleiftechnik

Zerspanwerkzeuge

Supplement zuHanser-Fachzeitschriften

Spanntechnik

Reinigungstechnik

Antriebe

© Carl Hanser Verlag, München. 2007. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen

Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Schweizer Präzisions-Fertigungstechnik 2007

PLATIT AGMoosstrasse 68CH - 2540 GrenchenTel: ++41 (0)32 654 26 00Fax: ++41(0)32 654 26 83E-Mail: info@platit.com www.platit.com

SCHWEIZER PRÄZISIONS-FERTIGUNGSTECHNIK ■ AUGUST 20072

Noch vor einigen Jahren zahlte man Ra-tionalisierungsprämien, wenn ein Mitar-beiter mehrere Werkstückmaterialiendurch einen universellen Werkstoff er-setzt und dadurch Logistik- und Lager-kosten eingespart hatte. Heute lässt dasder globale Konkurrenzkampf in High-tech-Maschinen nicht mehr zu [3]. UmHöchstleistungen zu erzielen, müssenunterschiedliche Werkstoffe eingesetztwerden, die den spezifischen Bauteilbe-lastungen möglichst optimal angepasstsind. Diese Entwicklung kann man auchin der Beschichtungsindustrie beobach-ten. Lediglich die großen Lohnbeschich-tungszentren versuchen noch, ihre we-nigen Standardschichten für alle An-wendungen durchzusetzen, um ihrehochkapazitiven Anlagen zu füllen. Da-her konzentrieren sie sich insbesondereauf Großkunden.

Schichten müssen schnellund individuell herstellbar sein

KMUs hingegen benötigen für ihre Bautei-le nicht nur eine Vielzahl optimaler Werk-stoffe, sondern auch

■ Schichten, die individuell an die jewei-lige Anwendung angepasst werden kön-nen, und

■ Schichten, die sich auch bei kleinerenStückzahlen schnell und wirtschaftlichproduzieren lassen [5, 6].

Um genau das zu gewährleisten, erweitertePlatit, Grenchen, die Anlagenfamilie ›π300‹um die neue Beschichtungsanlage ›π313‹(Bild 1).

Die π313 arbeitet mit drei LARC-Kathoden(Lateral Rotating Cathodes) in der Tür undeiner zentralen CERC-Kathode (Central Ro-tating Cathode) in der Mitte der Beschich-tungskammer. Je drei dieser Kathoden sindin der Anlage gleichzeitig in Betrieb: Ent-weder sind es zwei LARC-Kathoden (1, 3)und die CERC-Kathode (4) oder die drei LARC-Kathoden (1, 2, 3). Dabei kann der Arc-Ver-stärker zwischen den Kathoden 2 und 4 auchwährend des Abscheideprozesses frei umge-schaltet werden (Bild 2). Bei konventionel-len Beschichtungsanlagen wird die Schicht-komposition durch die Legierungszusam-mensetzung der Targets festgelegt undmaßgeblich beeinflusst. Will man mit kon-ventionellen Anlagen bei der nächsten Char-ge eine neue Schicht mit anderen Kompo-nenten fahren, sind die Targets manuell zuwechseln. Bei einigen neuen Anlagen be-trifft das sogar die MACs (Magnetic Confi-nement Control).

Die π-Anlagen verwenden überwiegend nichtlegierte Targets (Ti, Al, Cr, AlSi). Die Kom-position der Schichten, ihre prozentuale Zu-sammensetzung, wird durch eine Softwarekreiert. Ein Kathodenwechsel dauert nur cir-ca 30 Minuten, wobei er dank der Katho-denkonfiguration, die an die Aufgaben an-gepasst wurde, selten notwendig ist (Bild 3).Der Anwender kann die Kathoden-konfiguration praktisch beliebig variieren,wobei die folgenden drei am häufigsten zurAnwendung kommen:

■ Die ›Default-Konfiguration‹ ermöglichtdie effektive und flexible Beschichtungmit allen TiAl-basierten Schichten (TiN,TiCN, TiAlN, AlTiN und nACo sowie Ti-

3 (+1) Kathoden –30 Schichten – 300 Chargen■ Tibor Cselle und andere

Die heutige Zerspanung ist von anspruchsvollen Werkstoffen

geprägt, die oft modifiziert oder neu kombiniert werden. Vor

allem KMUs müssen schnell auf die veränderten Bearbeitungs-

aufgaben reagieren und ihre Werkzeuge auf die neuen Her-

ausforderungen abstimmen können. Möglich wird das mit an-

wendungsbezogenen, flexibel hergestellten Beschichtungen.

Bild 1. Die neue Beschichtungsan-lage ›π313‹ verfügt über 3 (+1)rotierende Kathoden: drei in LARC-und eine in CERC-Ausführung

Bild 2. Die Kathodenauswahl der Anlage kannwährend des Beschichtungsprozesses mittelsProgrammierung geändert werden

Bild 3. Die am häu-figsten benutzten

Kathodenkonfigura-tionen der

Beschichtungslagekönnen als ›De-

fault‹-, ›Ti-Cr‹- und›Universal‹-Aufbau

konfiguriert werden

AlCN und plus DLC als Topschicht).■ Die ›Ti-Cr-Konfiguration‹ wird in erster

Linie zur Beschichtung von Umform-werkzeugen, zum Oxidationsschutz undfür Werkzeuge zur Zerspanung von Alu-miniumlegierungen verwendet (alle TiNund TiCN sowie CrN, CrTiN und plus DLCals Topschicht).

■ Die ›Universal-Konfiguration‹ bietet diehöchste Flexibilität in der Anwendung.Mehr als 30 verschiedene Schichten kön-

nen mit ihr ohne Kathodenwechsel (Ta-belle) abgeschieden werden. Praktischlassen sich damit alle heute verwendetenPVD-Schichtkompositionen sicher dar-stellen.

Die effektive Targetfläche eines rotierendenZylinders ist π-mal breiter als die eines Plan-artargets mit gleicher Breite. Zudem ist dieAusnutzung des rotierenden Targetmaterialswesentlich besser und gleichmäßiger, da sichdie schnelle Lichtbogenführung aus zwei Be-wegungen zusammensetzt, der Magnetfeld-führung und der Rotation der Kathode.

300 Chargen sind ohne Target-oder Kathodenwechsel möglich

Seit Einführung der π-Technologie im Jahr2003 gingen bis April 2007 mehr als 70 An-lagen in Betrieb: bei 41 Firmen, in 23 Län-dern, auf drei Kontinenten. Die Statistikenbelegen, dass man mit einem Target imDurchschnitt mehr als 200 Chargen produ-zieren kann. Die Chargenanzahl hängt da-bei natürlich von den abgeschiedenenSchichtarten und -dicken ab. Den Rekord

hält derzeit die Firma HAM: Hierwurden 467 volle Chargen vonMikrobohrern mit einem einzi-gen rotierenden Ti-Target be-schichtet.

Die Leistungsfähigkeit der π313wird insbesondere bei der Uni-versal-Konfiguration der Katho-den deutlich (Bild 3, rechts). DieKonfiguration wurde für den fle-xiblen Beschichtungsbetrieb

entwickelt, um verschiedene Schichten oh-ne Umrüstzeiten abscheiden zu können. Danicht alle Kathoden für jede Charge ge-braucht werden, können die 3 (+1) Katho-den bis zu 300 Chargen ohne Kathoden-wechsel produzieren. Die Targetkosten probeschichtetem Werkzeug belaufen sich aufweniger als 10 Cent, legt man Hartmetall-Fräser mit dem Durchmesser 8 mm zugrun-de. Hier die detaillierten Werte der Kalkula-tion:

■ Werkzeuganzahl: 151 200,505/Charge bei 300 Chargen;

■ Produktion: 75 Tage,5 Stunden/Charge bei 4 Chargen/Tag;

■ Targetkosten: 14 263 Euro,Wechsel von 4 Targets (Larc: Ti, AlSi,Cr; Cerc: Al(Ti));

■ Targetkosten/Werkzeug: 0,093 Euro.Die π-Technologie ermöglicht nicht nur dieflexible Änderung der Zusammensetzungvon Schicht zu Schicht, sondern auch vari-able Zusammensetzung über die Schichtdi-cke. Mithilfe dieser frei programmierbarenStochiometrie hat Platit die neuen ›Tripel‹-Schichten entwickelt (Bild 4), die folgen-den grundsätzlichen Aufbau aufweisen:■ Die unterste Schicht ist ein Haftlayer

(zum Beispiel Ti-TiN).

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Bild 4. ›Tripel‹-Schichten werden variabel aus drei Hauptteilen aufgebaut, beispielsweise mit nACo

HERSTELLERPlatit AGCH-2540 GrenchenTel. 00 41/32/6 54 26 00Fax 00 41/32/6 54 26 83www.platit.com

■ Den Mittelblock, den Kern, bildet eineTiAlN-AlTiN-Schicht, die für allgemeineAnwendungen heute überwiegend ein-gesetzt wird. Die Schicht kann ent-sprechend ihrer Anwendung entwedermehr oder weniger Aluminium enthal-ten und als Multilayer-, Nanolayer-oder Gradient-Struktur abgeschiedenwerden.

■ Die Topschicht ist ein Nanocompositemit sehr feiner Struktur und hoher Här-te und Temperaturbeständigkeit (zumBeispiel nACo, wie AlTiN/SiN). [1, 2,4, 6, 7].

Der Vorteil der Tripel-Schichten liegt aufder Hand: Man kombiniert die jeweiligenVorteile der verschiedenen Schichtartenund strebt eine konstante Höchstleistungmit minimaler Streuung an (Bild 5).

Die Hightech-Industrie erwartet heute vonjedem Bauteil Höchstleistungen. Dahermüssen Werkzeuge ihren spezifischen An-wendungen entsprechend hergestellt undbeschichtet werden. Insbesondere KMUsbenötigen eine Vielfalt von ›dedicated‹Schichten. Auch bei kleinen Stückzahlensind sie möglichst flexibel und in kürzesterZeit bereitzustellen. Um diesen Bedarf zubefriedigen, wurde die neue Beschichtungs-anlage mit 3 (+1) rotierenden Zylinderka-thoden ausgelegt und mit einer frei pro-grammierbaren Stochiometrie ausgestat-tet. In der Universal-Konfiguration derBeschichtungsanlage ist das Abscheidenvon 30 verschiedenen Schichten möglich.Mit der π313 lassen sich bis zu 300 Chargenproduzieren, ohne dass der Anwender dieKathoden wechseln muss.

■ LITERATUR1 Veprek, S.: Ultra Hard Nanocomposite Coatings –

Trends and Applications of Thin Films, Nancy, 2000

Bild 5. Tripel-Schichten bieten eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimaler Streuung

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3SCHWEIZER PRÄZISIONS-FERTIGUNGSTECHNIK ■ AUGUST 2007

SCHWEIZER PRÄZISIONS-FERTIGUNGSTECHNIK ■ AUGUST 20074

2 Holubar, P.; Jilek, M.; Sima, M.: Present and PossibleFuture Applications of Superhard NanocompositeCoatings, ICMCTF, San Diego, 2000

3 Cselle, T.: Go into the New Economy with HighPerformance Machining and Flexible Coating, GorhamConference, Atlanta, 2001

4 Morstein, M.; Holubar, P.; Jilek, M.; Karimi, A.; Cselle, T.: Nanocomposite and Nanogradient Coatings forCutting Tools, MRS Fall Meeting, Boston, 2002

5 Cselle, T.: In-House Beschichtung versusLohnbeschichtung, Werkstatt + Betrieb, 6/2005, S. 22 - 26

6 Cselle, T. et al.: Application of Coatings for Tooling – QuoVadis? VIP Vacuum’s Best, Wiley-Verlag, Weinheim, 2005

7 Morstein, M.; Coddet, O.; Jilek, M.; Lümkemann, A.; Torp,B.; Ruzicka, M.; Cselle, T.: Rotating Arc PVD Cathode FiveYears of Dependable High Performance, ICMCTF, SanDiego, 2007

■ Dr. TIBOR CSELLE ist Geschäftsführer bei Platitin Grenchen/Schweiz;t.cselle@platit.com

30 verschiedene PVD-Schichten können in der ›Universal-Konfiguration‹ ohne Kathodenwechsel abgeschieden werden

Schicht Besondere Merkmale Wichtigste Anwendungsgebiete

TiN Monoblock-Struktur Allgemeine UniversalschichtSuperTiN Multilayer TiN – TiCN – TiN Verbesserte TiNTi2N Mit hohem Ti-Anteil Medizinische Werkzeuge, ImplantateTiCN-grey Konventionelle, graue TiCN GewindenTiCN-MP Mehrzweck-TiCN mit hoher Zähigkeit Gewinden, Stanzen, FräsencVIc;TiCN+CBC TiCN mit DLC-Top-Schmierschicht Umformen, Stanzen, Al-Bearbeitung

TiAlCN Referenz: UNICUT, Gradiente Struktur Hochleistungs-UniversalschichtGRADVICTiAlCN + CBC

TiAlCN mit DLC-Top-Schmierschicht Gewinden, Umformen, Stanzen

UniversAl;TiAlN-ML

Referenz: FIREMultilayer-Struktur Ti/Al; 50/50%

Universalschicht zur Stahl- und Gussbearbeitung,besonders zum Bohren

TiAlN-F Referenz: FUTURANanolayer-Struktur Ti/Al; 50/50%

Universalschicht zur Stahl- und Gussbearbeitungmit höherer Zähigkeit

TiAlN-G Gradiente Struktur Ti/Al > 50/50% Optimierte Universalschicht, heute Standard

AlTiN-T Referenz: X-TREMEMonolayer-Struktur Ti/Al; 40/60%

Universalschicht zur Stahl- und Gussbearbeitungmit erhöhter Warmhärte

AlTiN-C Referenz: X-CEEDMonolayer-Struktur Ti/Al; 33/67%

Hochleistungsschicht zur trockenen Stahl- undGussbearbeitung

AlTiN-G Gradiente Struktur Ti/Al < 40/60% Optimierte Hochleistungsschicht,heute Standard

AlTiN-ML Multilayer-Struktur Hochleistungsschicht mit erhöhter Zähigkeit

µAlTiNReferenz: TINALOXGradiente Struktur

Optimierte Hochleistungsschicht mithöchster Oberflächenqualität

CrN Standardschicht zum UmformenCROMVIC; CrN+CBC CrN mit DLC-Top-Schmierschicht Umformen mit verminderter SchmierungCrTiN Nanolayer-Struktur Umformen, Rostschutz, Al-BearbeitungCrTiN+CBC CrTiN mit DLC-Top-Schmierschicht Umformen mit magerer Schmierung

AlCrN_AlTiCrN Referenz: ALCRONA; All-in-One-Schichtstatt konventioneller AlCrN Fräsen, Abwälzfräsen

AlTiCrN+CBC AlTiCrN; All-in-One-Schicht mit DLC-Top-Schmierschicht

Fräsen, Abwälzfräsen mit verminderter Kühlung –Schmierung

nACo Nanocomposite AlTiN/SiN Hart- und Trockenbearbeitung

Fi-VIc; nACo +CBC

Nanocomposite AlTiN/SiN + DLC-Top-Schmierschicht Beschichtung von Maschinenteilen

nACo3 TripleCoatingTiN + AlTiN + Nanocomposite AlTiN/SiN Universal-Tripel-Schicht ohne Chrom

nACRo Nanocomposite AlCrN/SiN Sägen, Fräsen, Abwälzfräsen, BohrennACVIcnACRo +CBC

Nanocomposite AlCrN/SiN + DLC-Top-Schmierschicht Umformen, Al-Bearbeitung, Holzzerspanung

nACRo3 TripleCoating3

Ti-CrN + AlTiN + Nanocomposite AlCrN/SiNUniversal-Tripel-Schicht

nATCRo All-in-One Nanocomposite AlTiCrN/SiN Sägen, Fräsen, Abwälzfräsen, Bohren

nATCRo3 TripleCoatingTi-CrN + AlTiCrN + Nanocomposite AlTiCrN/SiN

Universal-Tripel-Schicht mit reduzierten Targetkos-ten und erleichterter Entschichtbarkeit

ZERSPANUNGSWERKZEUGE

Dr. MARCUS MORSTEIN ist Leiter der Abteilung F&Ebei Platit

Dr. ANDREAS LÜMKEMANN ist Mitarbeiter in der Abteilung F&E bei Platit

Dr. JAN PROCHAZKA ist Mitarbeiter in der AbteilungF&E bei Platit

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