PVD Beschichtungsanlage
Final Report Abstract
Die PVD Beschichtungsanlage (englisch physical vapour deposition) wurde bisher hauptsächlich für die Ermittlung des Gesamtenergiegehaltes von beschichteten Vollhartmetallwerkzeugen und für die Beschichtung von Mikroschaftfräsern D < 100 µm eingesetzt. Im Zuge der Forderung nach einer möglichst ressourceneffizienten Fertigung, ist es wichtig zu wissen, welche Prozesse einen hohen Energieaufwand aufweisen. Deshalb wurde die Herstellung von beschichteten Vollhartmetallwerkzeugen bezüglich des Energieaufwandes vom Formgebungsverfahren (Pressen oder Kolbenstrangpressen) bis zur PVD-Beschichtung untersucht. Hierbei wurden Hartmetall-Rohlinge mit Durchmessern von 10 mm (Länge 73 mm) und 18 mm (Länge 83 mm) auf Endgeometrie geschliffen und anschließend beschichtet. Es ergaben sich durchschnittliche Energiewerte beim Werkzeugschleifen von 1,69 kWh für D = 10 mm und 2,14 kWh für D = 18 mm. Beim Beschichten stellten sich Energiewerte von 0,73 kWh (D = 10 mm) und 1,46 kWh (D = 18 mm) ein. Im Vergleich zum Werkzeugschleifen ist der Beschichtungsprozess somit energetisch günstiger. Letztendlich zeigte sich ein Gesamtenergiegehalt von 2,85 - 3,28 kWh für den kleineren Rohling und ein Gesamtenergiegehalt von 5,16 – 6,73 kWh für den größeren Rohling. Anhand der Untersuchungen konnte ein prozentualer Anteil der Beschichtung am Gesamtenergieaufwand von mindestens 20% festgestellt werden. Beschichtete Werkzeuge übertreffen in der Regel unbeschichtete Werkzeuge hinsichtlich der Standgrößen, wie z. B. Standweg oder Standvolumen und haben dadurch ein prozessstabileres Verhalten. Bisherige Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von beschichteten Mikroschaftfräsern erfolgten allerdings nur mit Werkzeugen über 300 µm Durchmesser. Hauptgrenze für noch kleinere Werkzeugdurchmesser ist das bislang eingeschränkte Prozessverständnis sowohl beim Mikrofräsen als auch beim Beschichten. Das Beschichten von Mikrowerkzeugen erhöht zwar den Verschleißwiderstand. Jedoch ist der minimal erreichbare Schneidkantenradius durch die Schichtdicke begrenzt, was die erreichbare Oberflächenqualität des Werkstücks beschränkt. Am Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation (FBK) der Technischen Universität Kaiserslautern liegen umfangreiche Erfahrungen hinsichtlich der Entwicklung und Herstellung von unbeschichteten Mikroschaftfräsern mit einem Durchmesser ≤ 50 µm vor, sodass das Aufbringen von Hartstoffschichten und die damit verbundenen Herausforderungen im Mittelpunkt der Forschung standen. Diese Herausforderungen waren: die Reinigung der Werkzeuge vor der Beschichtung, die Festlegung der eingesetzten Verdampfungstechnologie sowie die Wahl der Beschichtungsparameter. Es erfolgte die Prozessauslegung für Fräserdurchmesser D = 50 µm mit einer Titanaluminiumnitrid (kurz TiAlN)–Schicht. Die Substratreinigung vor der PVD-Beschichtung ist eine kritische Phase, denn Verunreinigungen beeinflussen die anschließende Beschichtung. Um ein geeignetes Reinigungskonzept für Mikroschaftfräser zu entwickeln, wurde der Einfluss verschiedener Reinigungskonzepte (Entfettung und alkalische Reinigung) auf das Beschichtungsergebnis untersucht. Hierdurch konnte die Anhaftung von organischen Verschmutzungen vermieden werden, welche das Beschichtungsergebnis unerwünscht beeinflusst hätten. Darauf aufbauend erfolgte die Entwicklung der Rezepte für die Beschichtung von Mikroschaftfräsern. Hierbei zeigte die in der Anlage implementierte Magnetronsputtertechnologie Vorteile gegenüber der Arc-Verdampfertechnologie. Durch das entwickelte Rezept konnten mit der Sputtertechnologie Droplet-arme Mikroschaftfräser-Beschichtungen erreicht werden, welche durch eine dünne (ca. 1 µm) und gleichmäßige Schicht charakterisiert sind. Die beschichteten Mikroschaftfräser wurden bei der Bearbeitung von Polymethylmethacrylat (kurz PMMA) eingesetzt. Ziel hierbei war es die komplette Prozesskette von der Werkzeugherstellung bis hin zum Werkzeugeinsatz abzubilden, um so Erkenntnisse im Bereich der Prozessauslegung zu gewinnen. Hauptergebnis ist der positive Einfluss von höheren Zahnvorschüben bei beschichteten Werkzeugen auf das Arbeitsergebnis, wodurch gemeinsam mit einer Anpassung der Werkzeuggeometrie zukünftig kürzere Prozesszeiten und bessere Bearbeitungsergebnissen reasilisiert werden können.
Publications
- Comparison of the embodied energy of a grinding wheel and an end mill. CIRP Conference on Life Cycle Engineering 2014
B. Kirsch, C. Effgen, M. Büchel, J.C. Aurich
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.06.037) - TiAIN coated ultra-small micro end mills. Proceedings of the 15 th international conference of the euspen 2015
I.G. Reichenbach, M. Bohley, J.C. Aurich
