30 Mai 2017  |  Technique de revêtement
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 01/2017

Beschichten von Hightech-Werkstoffe mit innovativen Lösungen

Für hochwertige Produkte in kritischen Anwendungen, zum Beispiel in der Automobilindustrie sowie der Luft- und Raumfahrt, werden immer wieder neue Werkstoffe und Fertigungsprozesse entwickelt. Die hohen Qualitätsanforderungen an diese Produkte bedingen eine sehr präzise Fertigung. Erstklassige Werkzeuge mit abgestimmten Beschichtungen nehmen dabei eine Schlüsselposition ein.

Pour des produits de haute qualité dans des applications critiques, comme dans l’industrie automobile, l’aviation ou l’aéronautique, par exemple, des nouveaux matériaux et procédés de fabrication sont constamment développés. Les exigences élevées de qualité imposées à ces produits impliquent une grande précision dans la fabrication. Des outils hauts de gamme dotés de revêtements adaptés ont ici une importance primordiale.

Effizienzsteigerung, Flexibilität und Zuverlässigkeit bei höchster Präzision – im komplexen Zerspanungsprozess müssen alle Faktoren von der Maschine und den Einsatzparametern bis hin zum Werkzeug aufeinander abgestimmt sein, um erstklassige Zerspanungsergebnisse zu erhalten. Dies gilt nicht zuletzt bei der Bearbeitung so genannter schwer zerspanbarer Werkstoffe. Dabei spielen mehrere Komponenten eine Rolle: ideale Kühlbedingungen, robuste Substratwerkstoffe, effektive Werkzeuggeometrien und nicht zuletzt leistungsstarke Beschichtungen.
 
 
Mit «CCDia AeroSpeed» beschichtete Werkzeuge erreichen höchste Präzision und Prozesssicherheit, zum Beispiel beim Bohren von CFK. (Bilder: CemeCon)
 
 
Zusammenarbeit für herausragende Entwicklungen
Seit fast drei Jahrzehnten konstruieren und fertigen die Experten von CemeCon kundenspezifische Hightech-Beschichtungen für Präzisionswerkzeuge zum Bohren, Fräsen, Drehen, Reiben, Gewinden, Verzahnen und Stechen. Für optimale Zerspanungseigenschaften wird die Beschichtung unter Berücksichtigung von Vorbehandlung, Schichtwerkstoff, Schichtdicke, Toleranz, Farbe und Nachbehandlung so auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.
Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon, bemerkt: «Um den stetig steigenden Anforderungen zu begegnen und unsere leistungsstarken Beschichtungslösungen weiterzuentwickeln und zu verbessern, arbeiten wir nicht nur eng mit unseren Kunden zusammen, sondern auch mit Universitäten und Instituten und beteiligen uns an multilateralen Forschungsprojekten. So können wir den Prozess von allen Seiten betrachten und unsere Beschichtungen perfekt auf die Anwendungen abstimmen. Gerade bei der Zerspanung von Hightech-Werkstoffen wie CFK und Titan wird dies zur Steigerung der Produktivität immer wichtiger.»
 
Die Multilayer-Diamantbeschichtungen kombinieren kristalline und nano-kristalline Schichteigenschaften mit extrem glatten Oberflächen.
 

Diamant für die CFK-Zerspanung
Im Flugzeugbau, aber auch in anderen Branchen, wo eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit bei niedrigem Gewicht gefragt ist, werden zunehmend Composites eingesetzt. Die gezielte Kombination verschiedener Faser- und Harzmaterialien unter Verwendung spezieller Verstärkungsstrukturen der Hochleistungs-Verbundwerkstoffe erlaubt extrem komplizierte Konstruktionen. Diese Struktur und die stark abrasiven Fasern machen die Zerspanung von CFK jedoch alles andere als einfach. «Diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge setzen sich bei der Bearbeitung von CFK immer weiter durch. Dank intensiver Entwicklungsarbeit und Kooperation mit verschiedenen Partnern haben wir CCDia AeroSpeed qualifizieren können. Die Diamant-Multilayer-Beschichtung sorgt sowohl beim Bohren als auch beim Fräsen von CFK für höchste Qualität und Prozesssicherheit», stellt Manfred Weigand fest.
Damit die Nietverbindungen der Bauteile auch den extremen Beanspruchungen in Flugzeugen standhalten, müssen die Präzisionsbohrungen mit engen Toleranzen und hohen Oberflächengüten an Bohrungswänden und Senkungen, vor allem an der Ein- und Austrittsseite, gefertigt werden. Die unzureichende Oberflächenrauheit herkömmlicher Diamantbeschichtungen kann Werkzeugschwingungen und damit einhergehende Ratter- und Schwingungsmarken verursachen. Zudem können Faserüberstände entstehen, die sich später beim Vernieten mit eindrücken und im schlimmsten Fall zum Lockern der Verbindung führen.
 
Der Vergleich mit einer nanokristallinen Diamantschicht zeigt es: Beim Bohren von CFK erreichen mit «CCDia AeroSpeed» beschichtete Werkzeuge beste Zerspanungsergebnisse (rechts).
 

Bauteilbeschädigungen zuverlässig verhindern
Die patentierten CemeCon-Diamantbeschichtungen besitzen eine extrem glatte und feinstkristalline Oberflächentopographie sowie eine exzellente Haftung. Zudem beeinflussen sie die Mikrogeometrie des Werkzeugs nicht und ermöglichen deutlich schärfere Schneiden als sonstige auf dem Markt verfügbare Diamantbeschichtungen. So lassen sich beispielsweise die Fasern des CFK besser trennen. Es entstehen keine Faserüberstände und damit beste reproduzierbare Oberflächen – sowohl beim Bohren als auch beim Fräsen.
Die Bindematerialien der Verbundstoffe reagieren meistens empfindlich auf hohe Temperaturen. Wird die Reibungswärme während der Bearbeitung zu hoch, kann es durch die thermische Beanspruchung der Harze zur Ablösung einzelner Lagen oder einer Delamination kommen. Die extreme Glätte der Diamantbeschichtung CCDia AeroSpeed» sorgt hier für ein weiteres Plus: Neben einem guten Spanfluss wird auch die Wärme rasch aus der Kontaktzone heraus geleitet. Dies verhindert zuverlässig Delaminationen und Schäden an der Struktur der Bauteile. Durch den patentierten Multilayer-Aufbau hat die Diamantbeschichtung zudem verschleissmindernde Eigenschaften, was nochmal zu einer deutlich höheren Prozesssicherheit führt.
 
Mit «Hardlox» beschichtete Werkzeuge eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen. Nicht zuletzt die Herstellung im innovativen HiPIMS-Verfahren macht sie zu einer aussergewöhnlichen Beschichtung.
 

Titan prozesssicher zerspanen
Gerade im Flugzeugbau nimmt neben CFK auch Titan eine immer wichtigere Rolle ein. Bei einer verhältnismässig geringen Dichte von 4,5 g/cm3 verfügt es über eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig sehr niedrigem Gewicht. Zudem sind Werkstücke aus Titan höchst korrosionsbeständig und vertragen sich elektrochemisch gut mit CFK. Doch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine starke Adhäsionsneigung erschweren Zerspanern das Leben.
Die grösste Herausforderung liegt darin, besonders verschleiss- und temperaturfeste Werkzeuge zu entwickeln, die Aufbauschneiden entgegenwirken und eine lange Lebensdauer aufweisen. Angepasste Beschichtungen bringen hier den entscheidenden Leistungskick. «Die PVD-Beschichtung Hardlox ist hervorragend für die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen ausgelegt. In einem multilateralen Forschungsprojekt haben wir sie weiter optimiert und genau auf diese extremen Herausforderungen abgestimmt. Nicht zuletzt die Herstellung im innovativen HiPIMS-(High Power Impulse Magnetron Sputtering-)Verfahren macht sie zu einer aussergewöhnlichen Beschichtung», bemerkt Manfred Weigand.
 
Die hohen Anforderungen an die Qualitätssicherung erfordern hohe Investitionen in moderne Prüfausstattungen.
 
 
Neue Technologien für hervorragende Schichteigenschaften
Das HiPIMS-Verfahren ist eine Weiterentwicklung der Sputtertechnologie. Sie ermöglicht eine hohe Ionisation des abgesputterten Metalls. Hochenergetische Leistungsimpulse im Megawattbereich werden in das Target eingebracht, wodurch sich ein Plasma mit hoher Ladungsträgerdichte vor dem Target bildet. Die hohe Ionisation des zerstäubten Metalls führt zu einer Verbesserung der Schichtstruktur und der Schichteigenschaften. So vereint die Beschichtung «Hardlox» extreme Härte, sehr glatte Oberflächen, mechanische Belastbarkeit, hervorragende Schichthaftung und hohe Zähigkeit.
Für die hohe thermische Stabilität der Beschichtung ist neben der dichteren Schichtstruktur die Materialkombination verantwortlich. Dazu Manfred Weigand: «Der mehrlagige Schichtwerkstoff enthält unter anderem auch Silizium, wobei wir die Morphologie weiter optimieren konnten. Durch die Siliziumdotierung erhält Hardlox eine Mikrohärte bis zu 3800 HV. Zudem bilden sich verfahrensbedingt beim Abscheiden der Beschichtung keine Droplets und ermöglicht so die extreme Glätte.» Somit steht einer optimalen Span- und Wärmeabfuhr nichts mehr im Weg. Mit «Hardlox» beschichtet bewahren die bei den schwer zerspanbaren Werkstoffen verwendeten Werkzeuge nicht nur einen «kühleren Kopf», sondern es werden zudem dank der geringen Rauheit Kaltaufschweissungen deutlich reduziert. Das verbesserte Reibungsverhalten an der Spanfläche sorgt für weniger Ausbrüche an der Schneide. Die Folge davon ist eine lange Lebensdauer der Werkzeuge.
 
Qualitätssicherung
«Eine intensive Forschung und enge Kooperationen für die Entwicklung erstklassiger Beschichtungen in anspruchsvollen Anwendungen sind die eine Seite der Medaille. Um auch im Produktionsalltag eine gleichbleibend hohe Qualität der Beschichtungen beziehungsweise der beschichteten Werkzeuge zu garantieren, sind extrem genaue Messungen bei unserer Qualitätssicherung Pflicht. Denn nur so lassen sich die steigenden Anforderungen an die Werkzeuge – zum Beispiel in der Luftfahrtindustrie – erfüllen, damit die Bauteile am Ende in tadelloser Qualität glänzen», ergänzt Manfred Weigand.
Ein Beispiel für die hohen Standards in der CemeCon-Qualitätssicherung sind die neuen technischen Prüfausstattungen in allen Produktionsbereichen sowie der Entwicklung. Modernste Messgeräte vermessen Durchmesser und Rundlauf der Werkzeuge. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei weniger als 1 µm. Kantenverrundungen und Geometrien kann ein 3D-CNC-Multisensor-Koordinatenmessgerät mit einer Präzision von etwa 1 µm ermitteln. Zudem wird das Verbundsystem «Werkzeugoberfläche-Beschichtung» mit verschiedenen Analysemethoden auf seine wichtigsten Eigenschaften hin überprüft: adhäsive und kohäsive Schichthaftung, Schichtdicke, Interface (Schicht-Substrat-Verbund), Zähigkeit, Abrasionswiderstand, Funktionsfläche und Oberflächenbeschaffenheit. Da auch umgebungsbezogene Rahmenbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Ergebnisse beeinflussen, werden die Messungen in speziell klimatisierten Räumen durchgeführt. «Mit diesen zahlreichen Prüfmöglichkeiten sichern wir die Premiumqualität, die wir unseren Kunden versprechen. Denn nur mit erstklassigen Beschichtungen können Zerspaner den Herausforderungen, die gerade moderne Hightech-Werkstoffe an die Werkzeuge stellen auch künftig souverän begegnen», stellt Manfred Weigand fest.
 
CemeCon AG
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17 Février 2017  |  Technique de revêtement

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