Inhouse-Beschichten von Hochleistungswerkzeugen

Ein wichtiger Vorteil der Inhouse-Beschichtung ist neben rein wirtschaftlichen Aspekten eine individuelle Produktgestaltung mit eigener Schichtoptimierung. «Im Vergleich mit einer Lohnbeschichtung können wir so technisch deutlich differenzierter auf die Besonderheiten einzelner Werkzeugtypen eingehen. Vor allem die Schneidkanten- und Oberflächenpräparationen vor und/oder nach der Beschichtung führen dabei zu einer ausgeprägteren Individualisierung unserer Hochleistungswerkzeuge», bemerkt Dr. Hans Rechberger, Leiter Material- und Oberflächentechnologie bei Fraisa.

Das Unternehmen besitzt eigene Niederlassungen in sieben Ländern. Das Kerngeschäft sind Hartmetall-Schaftfräser sowie Bohrer, Gewindebohrer und Plattenwerkzeuge. Kompromisslose Qualitätsansprüche, eine ausgeprägte Leidenschaft für Präzision, Nachhaltigkeit und die bedingungslose Ausrichtung auf Kundenzufriedenheit sind zentrale Punkte der Unternehmensphilosophie.

Hochkarätige Werkzeugveredelung

Eine besondere Stellung in der Werkzeugveredelung nimmt die Diamantbeschichtung ein. Seit mehr als einem Jahr läuft bei Fraisa im ungarischen Sarospatak eine Mehrkammer-Diamantbeschichtungsanlage von CemeCon. Dazu wurde eine hochmoderne Beschichtungsinfrastruktur mit kompletter Analytik und Messtechnik aufgebaut. In mehreren getrennten Räumen durchlaufen die Werkzeuge im Schleusenprinzip die verschiedenen Stufen des Diamantprozesses. Die Arbeitsplätze sind so ausgelegt, dass die unterschiedlichen Operationen an den zum Teil sehr empfindlichen Werkzeugen optimal ineinander greifen. Klimatisierte Räume und Messeinrichtungen ermöglichen zum Beispiel die Fertigung von Präzisionswerkzeugen der höchsten Klasse für den Formenbau.

Beim CVD-Diamantprozess sind neben der Prozessführung und der Schichtzusammensetzung – wie schon beim PVD-Beschichten – auch die Substratauswahl und die Werkzeugvorbehandlung ausserordentlich wichtig. «Diese zum Teil chemischen Vorbehandlungsprozeduren sind für einen eher mechanisch ausgerichteten Betrieb wie Fraisa eine etwas höhere Einstiegshürde. Aber auch hier ist es uns gelungen, in kürzester Zeit eigene Schichten herzustellen – dank exzellenter Unterstützung durch den Anlagen- und Technologielieferanten CemeCon sowie gut ausgebildetem Personal. Heute arbeitet ein grosses Team von Ingenieuren und Technikern begeistert am Veredeln der hochkarätigen Werkzeuge», stellt Dr. Hans Rechberger fest.

 

Die Arbeitsplätze im Diamant-Beschichtungsprozess sind so ausgelegt, dass die verschiedenen Operationen optimal ineinandergreifen.

Abgestimmte Schichtdicke

Diamantbeschichtungen gewährleisten eine hohe Verschleissfestigkeit der Werkzeuge – gerade bei der Bearbeitung von Graphit und modernen Verbundwerkstoffen wie zum Beispiel CFK. Denn ohne Diamantbeschichtung sind solche Materialien heute nicht mehr wirtschaftlich zu zerspanen. Die Faustregel: Je dicker die Diamantbeschichtung, desto höher die Standzeit der Werkzeuge. Dabei sind Schichtdicken über 10 µm möglich. Aus höheren Schichtdicken resultieren jedoch auch Prozesszeiten von vielen Stunden, im Extremfall sogar Tagen. Das treibt massgeblich die Fertigungskosten in die Höhe.

Neben den Kosten limitiert auch der Schneidkantenradius die maximale Schichtdicke. Der Radius steigt mehr oder weniger linear mit der Schichtdicke an. Dazu bemerkt Dr. Hans Rechberger: «Bei grösseren Fräsern ist dies oft tolerierbar, bei Mikrowerkzeugen jedoch definitiv nicht. Ein grosser Radius würde dort zu starker Werkzeugabdrängung und wegen der erhöhten Schnittkräfte möglicherweise zum Werkzeugbruch führen. Es gilt also, einen Kompromiss zu finden zwischen dem maximal zulässigen Schneidkantenradius und der möglichst grossen Schichtdicke. Um dem Anwender eine maximale Standzeit zu garantieren ohne die Funktionsfähigkeit zu beeinflussen, sind unsere Toleranzen sehr eng.»

Die Inhouse-Beschichtung mit der «CC800/9 DIA»-Anlage von CemeCon bietet dabei grosse Vorteile: Die Diamantschichtdicke ist vor allem an der Schneide sehr schwierig zerstörungsfrei zu messen und muss deshalb durch eine sehr exakte Prozessführung gesteuert werden. Fraisa misst jedes einzelne Präzisionswerkzeug aus und beschichtet bei Bedarf sogar auf die gewünschte Schichtdicke nach. Dies ist bei einem Neuwerkzeug verhältnismässig einfach, funktioniert bei einem verschlissenen beziehungsweise nachgeschliffenen Werkzeug jedoch nicht. Der Grund besteht darin, dass die blanke Hartmetalloberfläche des Werkzeugs zum Aufwachsen der Diamantkristalle speziell und aufwendig vorbehandelt werden muss.

Die richtige Kombination

Der Wahl des richtigen Hartmetalls kommt eine zentrale Bedeutung zu. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Diamant und Hartmetall ist unterschiedlich. Daraus ergeben sich Schichteigenspannungen bei der Abkühlung der Prozesstemperatur. Um trotzdem eine ausreichende Schichthaftung zu gewährleisten, muss die Oberfläche der Werkzeuge mikroskopisch fein aufgeraut werden, was zu einer besseren mechanischen Mikroverankerung der Schicht führt. Dies ist eine grosse technische Herausforderung bei Werkzeugen im Präzisionssegment, wo Durchmessertoleranzen von wenigen Mikrometern garantiert werden und Schneidkantenradien ohnehin nicht zusätzlich verrundet sein sollten.

«Jede Diamantbeschichtung – ob grob, fein, nano, kristallin oder multilagen – hat ihre Vorzüge und Besonderheiten. Da die Beschichtung nur ein Bestandteil des Werkzeugs ist, legen wir grossen Wert darauf, die Werkzeuge speziell auf die Anwendung auszulegen. Dabei ist die Frage zentral, welcher Diamantwerkzeug-Typ am besten zur jeweiligen Applikation passt. So können wir dem Kunden immer ein optimiertes und abgestimmtes Paket offerieren. Mit der Inhouse-Diamantbeschichtungslinie von CemeCon ist Fraisa so zum Juwel unter den Präzisionswerkzeug-Herstellern geworden», ergänzt Dr. Hans Rechberger.

 

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