Der neueste Stand bei Werkzeugbeschichtungen

Inkrementelle Veränderungen verdeutlichen die jüngsten Fortschritte im Zuge schwerwiegender Herausforderungen in der Lieferkette

Angesichts der Fragilität der Lieferkette sind Veränderungen unvermeidlich, aber nicht universell, und einige sind stärker betroffen als andere. Keine Branche ist immun, doch der Werkzeugsektor und sein Bedarf an hochwertigen Metallen, seltenen Erden sowie exotischen und konventionellen Gasen sind möglicherweise besonders anfällig für Lieferunterbrechungen.

Dies hat zu kontinuierlichen Fortschritten in der Werkzeugtechnologie geführt, wenn auch meist inkrementell, was wiederum ähnliche Innovationen bei Beschichtungslieferanten vorantreibt. Darüber hinaus hat die Bedeutung verbesserter Qualität und starker Beziehungen das Interesse an Nachhaltigkeit geweckt und interne Innovationen beschleunigt. Ein weiterer Trend: mehr Individualisierung.

CemeCon Inc., Big Flats, NY, erhält immer mehr Anfragen nach anwendungsspezifischen Beschichtungen basierend auf Kundenbedürfnissen. Und es wird erwartet, dass dieser Trend in den kommenden Jahren noch zunehmen wird.

„Natürlich gibt es immer noch Standardwerkzeuge – das ist sozusagen das Fundament der Werkzeugindustrie –, aber Werkzeughersteller erhalten Anfragen nach einzigartigen Geometrien für spezielle Anwendungen“, sagte Vertriebsleiter Ryan Lake. „Endverbraucher kommen mit neuen Legierungen und neuen Herausforderungen auf den Markt. Und wir müssen herausfinden, wie wir unsere Produkte für diese speziellen (Anwendungen) weiter optimieren können.“

Die Verschiebung betrifft das breite Spektrum an Schichtdicken, das das Unternehmen anbietet und das nach eigenen Angaben mehr als 80 Prozent der Anwendungen abdeckt. „Jetzt stellt sich die Frage: Wie optimieren wir unsere Beschichtungen hinsichtlich Dicke, Vorbehandlung und Reinigung, um unseren Kunden dabei zu helfen, auf diese besonderen Anforderungen einzugehen?“ See hinzugefügt.

Ben Johnson, stellvertretender Produktionsleiter des Sandvik Coromant-Werks in Westminster, SC, sieht einen Marktwechsel von der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und anschließend eine Umkehrung zurück aufgrund von Verbesserungen bei CVD und Änderungen bei Oxidbeschichtungen. Infolgedessen, sagte er, investiert Sandvik „erheblich in Forschung und Entwicklung, um Geräte zu entwickeln, die uns einen Wettbewerbsvorteil verschaffen und unsere eigenen Beschichtungen entwickeln können.“

Zunächst soll ein neu entwickelter CVD-Ofentyp in ausgewählten Produktionseinheiten eingesetzt werden, so Johnson. „Es nutzt extrem niedrigen Druck und wird neue Möglichkeiten bieten, insbesondere für die Nachfrage, die wir bei der Texturbeschichtung im CVD gesehen haben“, fuhr er fort.

Die hochfesten Materialien, rauen Umgebungen und anspruchsvollen Anforderungen in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen sind gut dokumentiert.

Mittlerweile breiten sich solche Anforderungen jedoch auch auf andere Märkte aus, beispielsweise auf die Automobil- und Energiebranche, bemerkte Osny Fabricio, Leiter der Schneidwerkzeuge bei der in Liechtenstein ansässigen Oerlikon Balzers Ltd.

„Wir sprechen über Hochtemperaturlegierungen wie Titan und Inconel, was nichts Neues ist“, sagte Fabricio. „Aber wir sehen auch eine Tendenz an den Bearbeitungsstandorten, ausgefeiltere Werkzeugwegstrategien anzuwenden, um die MRR (Metallentfernungsrate) zu maximieren.

„Parallel dazu“, fuhr er fort, „können die Werkzeughersteller jetzt komplexere Geometrien anbieten und gleichzeitig die Werkzeugleistung aufgrund der Anzahl der Spannuten, optimierter Spiralwinkel und einer besseren Spanabfuhr verbessern.“ Und während sich der Markt in diese Richtung bewegt, bewegen sich auch die PVD-Beschichtungen in die gleiche Richtung, allerdings mit höherer Geschwindigkeit, und bieten gleichzeitig eine Vielzahl leistungsstarker Premiumlösungen mit Konsistenz und Qualität.“

Die Fertigungsgeschwindigkeiten steigen und die Geometrien zum Schneiden von Titan werden immer komplexer. Um Schritt zu halten, so Fabricio, entwickeln sich Substrate mit diesen neuen Geometrien weiter, es werden neue CAD- und CAM-Strategien für die Bearbeitung eingeführt und Beschichtungen verleihen diesen Werkzeugen die Möglichkeit, schneller zu laufen, den Verschleiß zu minimieren und Schnitte beginnen und beenden zu können mit einem einzigen Werkzeug.

Der neue Ofen von Sandvik, der bei extrem niedrigen Drücken arbeitet, ermöglicht laut Johnson mehr Temperaturschwankungen und „könnte die Konsistenz und Qualität der von uns hergestellten Produkte verbessern.“

„Je mehr wir die Variation reduzieren können, desto größer ist die Vorhersehbarkeit für den Kunden in Bezug auf die Leistung“, fügte er hinzu. „Wenn Sie wie wir ein Großbetrieb sind, der Millionen von Beilagen herstellt, können wir statistisch gesehen die Variabilität der Produkte reduzieren und das Vertrauen des Kunden in das von ihm verwendete Produkt erhöhen. Es fördert die Kundenbindung, verbessert die Beziehungen und sorgt für ein insgesamt besseres Kundenerlebnis.“

Fabricio schloss sich dieser Meinung an: „Kunden erwarten nicht nur Leistung, sondern auch Beständigkeit. Konsistenz ist wahrscheinlich noch wichtiger als Leistung, da sie sicher sein müssen, dass das Werkzeug ihre anspruchsvollen Anwendungen ohne Ausfälle unterstützt und gleichzeitig eine gleichbleibende Oberflächenqualität beibehält. Sie müssen wissen, dass eine bestimmte PVD-Beschichtung und diese Werkzeuggeometrie Tag für Tag die gleichen Ergebnisse liefern. Daher würde ich sagen, dass Beständigkeit einer der wichtigsten Punkte für die anspruchsvollen Märkte und Kunden von heute ist.“

Die Werkzeugindustrie erfinde sich ständig neu, um auf die Bedürfnisse der Kunden zu reagieren, bestätigte Lake von CemeCon. „Wie müssen unsere Beschichtungen dann aufeinander abgestimmt sein, um das beste Produkt zu liefern? Es ist nicht nur eine Beschichtung, es ist nicht nur eine Geometrie und es ist nicht nur ein Hartmetall. Das Zusammenwirken aller drei Dinge macht ein Tool erfolgreich.“

Produktangebote, einschließlich Beschichtungskombinationen, sollten sich an der Kundennachfrage orientieren, betonte er. „Es geht darum, den Kunden zuzuhören und zu sagen: Das ist es, was wir unter diesen Umständen tun müssen.“

Schon vor der Pandemie war die Entwicklung von Nachhaltigkeitsstrategien in der Werkzeugindustrie immer folgenreicher. Unter Berufung auf Sandviks Motto „People, Planet and Profit“ sagte Johnson, dass sich der Planet-Teil auf die Initiativen des Unternehmens für umweltfreundliche Fabriken konzentriere, insbesondere auf den Einsatz von Chemikalien. Dazu gehört die Reinigung von Abgasen ebenso wie die Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks, des Energieverbrauchs und des Wasserverbrauchs.

Das Sandvik-Werk in Westminster hat in den letzten zwei Jahren in die Ethanoldestillation investiert und verfügt über eine „100-prozentige Kreislaufwirtschaft“ der Chemikalie, sagte Johnson. „Wir müssen nie wieder Ethanol kaufen, was uns Unabhängigkeit von globalen Quellen verschafft, Kosten spart und die Nachhaltigkeit verbessert.“

„Solche Initiativen können weitreichende Auswirkungen haben und müssen in der globalen Fertigungsindustrie umgesetzt werden“, rät Inka Harrand, Produktmanagement für Beschichtungsservice-Schneideinsätze bei der CemeCon AG in Deutschland. Sie sagte, alle Hersteller seien verpflichtet, Produktionsprozesse ökonomisch und ökologisch sinnvoll zu gestalten.

„Zerspanungswerkzeugherstellern stehen im Rahmen ihrer Nachhaltigkeitsstrategie drei Hebel zur Verfügung: Werkzeuglösungen, Werkzeugherstellung und Bearbeitungsstrategien“, erklärte Harrand. „Werkzeugbeschichtungen tragen wesentlich zur nachhaltigen Gestaltung des Zerspanungsprozesses bei und sind für den Zerspanungswerkzeughersteller ein unverzichtbarer Baustein, denn sie verlängern die Produktlebensdauer und reduzieren die Produktion neuer (Produkte) sowie die Entsorgung bzw. Wiederverwertung alter Produkte.“ ”

Oerlikon weitet seine Nachhaltigkeitsbemühungen über die Minimierung der in mehreren Prozessen verwendeten Gase und Chemikalien zur Umwelt- und Mitarbeitersicherheit hinaus auf den Einsatz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit einer effizienteren Routenführung bei der Lieferung und Abholung von Kunden aus. Fabricio fügte hinzu: „Selbst bei den Chemikalien, die wir verwenden, suchen wir ständig nach etwas, das weniger aggressiv oder umweltfreundlicher ist, um sicherzustellen, dass wir den globalen Erwartungen an Unternehmen entsprechen, die diese Art von Technologie verwenden.“

Während sich spezifische Herausforderungen und Chancen ständig weiterentwickeln, bleibt der Bedarf an Innovationen konstant. Dazu gehören Forderungen nach besserer Leistung, längerer Werkzeuglebensdauer und verbesserten Fertigungstechniken.

Zu den Designzielen von CemeCon gehören beispielsweise längere Werkzeugstandzeiten bei höheren Geschwindigkeiten, eine kostengünstigere Werkzeugkonstruktion und weniger Ausschuss, also feinere Schnitte, so Manfred Weigand, Produktmanagement für den Beschichtungsservice runder Werkzeuge des Unternehmens. Was sich geändert habe, stellte er fest, seien Herstellungsparameter, etwa Fortschritte im CAD/CAM-Bereich, die zu Verbesserungen bei der Werkzeuggeometrie und den Beschichtungen geführt hätten. Damit steigt die Bedeutung einer optimalen Anpassung der Beschichtungen an die Werkzeuggeometrie.

Die nordamerikanischen Niederlassungen von CemeCon können je nach Werkzeugtyp Beschichtungsdicken von einem bis 12 Mikrometern liefern. Mittlerweile wird die Kantenvorbereitung immer wichtiger.

„(Es ist) ein Gespräch, das wir jetzt mit Kunden führen, aufgrund der unterschiedlichen Beschichtungslösungen, die wir anbieten, und das haben wir noch nicht einmal vor vier oder fünf Jahren getan“, sagte Jeff Barlow, Präsident von CemeCon. „Früher ging es bei der Kantenvorbereitung vor allem darum, dickere Beschichtungen auf den Einsätzen zu erzielen, und damit endete das eigentlich. Jetzt wird es auf Rundwerkzeuge ausgeweitet.“

Die Pläne seien kürzlich geändert worden, sagte er, um die zu bearbeitenden Materialien sowie die Dicke und Zusammensetzung der Beschichtung zu berücksichtigen. Kunden möchten wissen, welche Art der Kantenvorbereitung an einem Bohrer oder Schaftfräser erforderlich ist, „um die Beschichtung und das Werkzeug richtig zum Glänzen zu bringen“.

Obwohl Oerlikon in der Regel proprietäre Beschichtungen vermeidet, schließt dies sie nicht aus. Ein Beispiel ist eine für einen Luft- und Raumfahrtkunden entwickelte und zyklisch verbesserte Beschichtung, die Fabricio als „Beschichtung für eine maßgeschneiderte Geometrie“ mit einer einzigartigen Kantenvorbereitung beschrieb.

Ob Boeing, Lockheed, GE oder SpaceX: A&D-Hersteller benötigen längere Werkzeugstandzeiten für extreme Materialien. Beispielsweise ist Inconel, eine Nickel- und Chromlegierung, die typischerweise für Raketentriebwerke verwendet wird, sowohl physikalisch hart als auch schwer zu bearbeiten. Die richtigen Werkzeuge mit den richtigen Geometrien sind entscheidend für die Fehlervermeidung und eine effiziente Bearbeitung. Aus diesem Grund sind Werkzeughersteller, die sich auf diesem Markt engagieren, gleichermaßen auf Premium-Lösungen mit hoher Leistung, hohen Geschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten für Effizienz ausgerichtet.

„Werkzeugbeschichtungen, die Rezepturen und die Art und Weise, wie sie aufgetragen werden, zielen darauf ab, die Standzeit der Werkzeuge unabhängig von Geschwindigkeit oder Geometrie zu verlängern“, betont Christoph Schiffers, Produktmanagement für Beschichtungsanlagen bei CemeCon. „Generell stimuliert der Wunsch, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren, den Innovationsprozess im Hinblick auf neue Produkte und Prozesse auf dem Markt stark“, sagte er. „Die HiPIMS-Technologie (High-Power-Pulsed-Magnetron-Sputtering) von CemeCon ermöglicht es dabei, nahezu jedes Element des Periodensystems der Elemente auf einem Substrat abzuscheiden.“

Dadurch können Beschichtungsrezepte je nach Bedarf an die Anforderungen des Marktes, des Werkzeugmaterials und des Werkzeugdesigns angepasst werden, auch an die des Kunden, sagte Schiffers.

Bei Sandvik sieht Johnson insbesondere bei CVD einen größeren Einfluss von „Texturbeschichtungen“ auf die Beschichtungsrezepte. „Die Gesamtdicke der Beschichtung ist in der Regel ziemlich konstant und ändert sich kaum. Wir sehen jedoch mehr Mikroschichten innerhalb der gesamten Beschichtungsdicke und typischerweise sehen wir mehr funktionelle Schichten, aus denen sich die gesamte Beschichtung zusammensetzt, insbesondere innerhalb der Texturbeschichtungsanwendung“, sagte Johnson.

„Die Technologie muss mit dieser Nachfrage Schritt halten, um einen Prozess zu liefern, der eine hohe Textur ermöglicht“, sagte er und fügte hinzu, dass Sandvik kürzlich erhebliche Investitionen in neue Massendurchflussregler und unterstützende Ausrüstung für die Gasverteilung im Ofen getätigt habe, um den Prozess zu optimieren Aufbringen von Beschichtungsschichten.

Johnson fuhr fort: „Und wie immer wird großer Wert auf Qualität gelegt. Ich würde sagen, dass in den letzten drei bis fünf Jahren der Druck auf Kostensenkung und Kostenproduktivität zugenommen hat. Und das fordert uns wirklich heraus, unseren Produktionsprozess ständig zu verbessern, nicht nur im Hinblick auf die Ressourcennutzung, sondern auch im Hinblick auf Arbeitskräfte, Rohstoffe und im Rahmen des täglichen Betriebs.“

Schiffers von CemeCon erinnert daran: „Grundsätzlich verlängern alle Beschichtungen die Werkzeugstandzeit – wenn sie optimal an den Untergrund angepasst wurden.“

Aber nicht alle Substrate sind eisenhaltig oder metallisch. Verbundwerkstoffe stellen einzigartige Herausforderungen dar: „Im Vergleich zum klassischen CVD-Verfahren ermöglichen (unsere) Diamantbeschichtungen die schadstofffreie Herstellung extrem verschleißfester Beschichtungen mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit“, sagte Schiffers.

Barlow hat diesen Punkt noch verstärkt. „Was sich in der CVD-Diamantwelt wirklich verändert hat, ist ihr anhaltendes Wachstum und ihre Bedeutung für die kommerzielle Luft- und Raumfahrt“, sagte er und wies darauf hin, dass das Unternehmen Beschichtungen mit einer Dicke von drei bis 18 Mikrometern anbieten kann – mit Anwendungen in jedem dieser Extreme, je nach Werkzeugtyp. Es wird erwartet, dass die Anwendungen für Diamantbeschichtungen für „Graphit, Keramik, Kohlefaser, Materialien mit hohem Siliziumgehalt, Nichteisenmaterialien und insbesondere Aluminium mit hohem Siliziumgehalt, die hauptsächlich in der kommerziellen Luft- und Raumfahrt verwendet werden“ zunehmen werden.

Unterdessen verbesserte Oerlikon durch die Übernahme der D-Coat GmbH im Jahr 2020 seine Fähigkeit, der wachsenden Nachfrage nach Diamantbeschichtungen gerecht zu werden. „Wir haben die Technologie und Best Practices von D-Coat in unsere aktuellen Diamantbeschichtungen integriert“, sagte Fabricio, „und wir können eine Lösung für den anspruchsvollsten Vorgang bieten, der bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen auftreten kann.“

Fabricio kündigte außerdem einen neuen PVD-Abscheidungsprozess namens Baliq S3p (Scalable Pulsed Power Plasma) an, der den nächsten Schritt in der Entwicklung von HiPIMS-Prozessen darstellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass Baliq-Beschichtungen die Ablagerung von Tröpfchen minimieren und die Beschichtung bzw. die Beschichtungsoberfläche glatter machen, so das Unternehmen. Dies verringert die Reibung und damit den Verschleiß, wodurch weniger Wärme entsteht, erklärte Fabricio. Die verringerte Temperatur führe entweder zu einer längeren Werkzeuglebensdauer oder sie könne wieder ausgeglichen werden, wodurch die SFM erhöht werde, um die Zykluszeit zu verkürzen, fügte er hinzu.

CemeCon ist ein Pionier von HiPIMS und bietet diese PVD-Variante als Lohnbeschichter sowie schlüsselfertige Anlagen an. Laut Lake war die Einführung von HiPIMS im Jahr 2016 ein Wendepunkt. „Die Beschichtung wurde viel dichter und wir steigerten die Härte- und Zähigkeitseigenschaften auf ein Niveau, das die Leute noch nie zuvor gesehen hatten“, sagte er und fügte hinzu, dass dies das weltweite Wachstum von HiPIMS sowohl im Beschichtungsservice als auch im Technologieverkauf beflügelte. Sowohl Lake als auch Barlow betrachten HiPIMS möglicherweise als die erste Erweiterung der Beschichtungstechnologie seit Jahrzehnten.

Während CemeCon in der Regel eine Auswahl an Standardprodukten anbietet, macht das Unternehmen beim Verkauf von Geräten Ausnahmen. „Wir können Änderungen vornehmen, unterschiedliche Beschichtungen, unterschiedliche Kombinationen, unterschiedliche Kantenvorbereitungen. Wir bieten (diesen Kunden) eine Lösung für ihr Problem durch den Verkauf von Geräten“, sagte Lake.

Schließlich kommt aus dem linken Feld eine interessante Idee zur Verbesserung der Arbeitsplatzeffizienz: die Farbbeschichtung von Produktionswerkzeugen. Zu diesem Zweck schlug Fabricio die Baliq Unique-Beschichtungslinie mit etwa 30 verschiedenen verfügbaren Farben vor: „Wenn Sie ein Werkzeug mit ähnlichen Abmessungen oder Werkzeuge für die linke und rechte Hand haben – traditionell ist dies ein Fehlerpunkt – könnten Sie Farben verwenden, um den Bedienern zu helfen.“ ”

Eine andere Verwendung der Beschichtungsfarbe wäre, die Farbe des Werkzeugs einer Gruppe von Werkstückmaterialien zuzuordnen. Beispielsweise sagte Fabricio: Blau für Stahl, Gelb für Edelstahl und Rot für Gusseisen. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten einen Bohrer, einen Schaftfräser oder eine Wendeschneidplatte haben und schon allein durch die Farbe brauchen Sie keine Schnittführung, kein Handbuch oder keinen Katalog zur Orientierung mehr, und nur wenn Sie die Farbe sehen, wissen Sie, wofür dieses bestimmte Werkzeug entwickelt wurde .“

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