Swissmem Zerspanungsseminar. Daniele Galatioto CEO. Argor- Aljba SA

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1 ta-c DLC Beschichtung für die Bearbeitung von schmierigen Werkstoffen Swissmem Zerspanungsseminar Daniele Galatioto CEO Argor- Aljba SA 1

2 Themenschwerpunkte der Präsentation 1. Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) 2. Cutting performance von ta-c DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen 3. Praxisbeispiel Kupferbearbeitung: Werkzeuge zur Herstellung von Kupfersteckern 4. Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit DLC Beschichtung 5. DLC Beschichtungen dialong und dialong dropless 6. Anwendungsempfehlungen Zerspanen für dialong ta-c Schicht 2

3 Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Struktur von amorphen Kohlenstoffschichten (DLC) DLC = Amorphe Kohlenstoffschicht sp2 / sp3 Hybridisierung. Graphit (hexagonal gebundene Kohlenstoffatome) sp2 Diamant (Kristallin) kubisches sp-3 Hybrid 3

4 Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Einordnung amorphe Kohlenstoffschichten (DLC) Sp3-konfigurierter Kohlenstoff: Purer Diamant mit extremer Härte ( HV). Sp2-konfigurierter Kohlenstoff (Graphit): Ein schwarzes und weniger hartes Material. Je grösser der Anteil, desto weicher die Schicht. Dies trifft auf die mit dem herkömmlichen Sputterverfahren hergestellten amorphen Kohlenstoffschichten zu. Polymer-CH: Durch das CVD-Verfahren wird Wasserstoff in die Kohlenstoff-Schicht eingebaut. Dieser verringert die Härte 4

5 Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Übersicht Kohlenstoffschichten (VDI Norm 2840) Die Beschichtung dialong von Argor-Aljba lässt sich als ta-c (tetraedrisch amorpher Kohlenstoff) klassifizieren. 5

6 Amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Droplets: Einschlüsse in Arc-PVD Schichten 6

7 Amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Vergleich von unterschiedlichen ta-c DLC Oberflächen Mitbewerber A Hard carbon ta-c 32% Mitbewerber B ta-c 28% Argor-Aljba SA dialong 18% Argor-Aljba SA dialong dropless 4% Prozent = mit «Droplets» bedeckte Fläche 7

8 Amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Rauheit von Arc-PVD Schichten Rauheit (R z ~ 10 R a) Mit zunehmender Schicht- dicke d, nimmt die Rauheit wie folgt zu: Rauheit R z ~ d 0,4 [mm] 8

9 Amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC) Tribologie: DLC trocken gegen Hartmetall WC-Co Abnehmender Reibungskoeffizient: a-c -> a-c:h -> ta-c Zunehmende Reibung bei abnehmender Luftfeuchtigkeit 9

10 Cutting performance von ta-c DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen H. Fukui et al. / Surface & Coatings Technology 187 (2004)

11 Cutting performance von ta-c DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen Um ca. 50% reduzierte Schneidkräfte Fig. 4. SEM Aufnahme der Spanfläche und der Freifläche nach dem trocken Fräs- Test von einer AlCu2.5Si18 Legierung (Schneidlänge 36 m). Um ca. 50% reduzierte Oberflächen -rauheit 11

12 Hitzeentwicklung an der Spanfläche beim trocken Bearbeiten von AlMg2.5 Fig. 9. FEM simulation results of types of chip and contours of temperature for AlMg2.5 alloy milling test (V=300 m/min, f = 0.15 mm/rev, depth of cut 1 mm, lubrication: dry). Δ T 317 vs. Δ T 177 Entspricht einer Reduktion der Hitzeentwicklung von 45% Fig. 10. Types of chip after milling test for AlMg2.5 alloy (V=300 m/min, f = 0.15 mm/rev., A d =R d =5 mm, lubrication: dry). HM unbeschichtet vs. HM ta-c DLC Beschichtung Längerer, dünnerer Span mit kleinerem Krümmungsradius

13 Cutting performance von ta-c DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen Fazit: 1. Die glatte Werkzeugoberfläche (Ra-0.01µm mit tiefem Reibwert (0.1) mit einer exzellenten Anti Haft Eigenschaft ist verantwortlich für das Verhindern von Aufbauschneiden. 2. Unter trockenen Bedingungen konnte die Oberflächenrauheit bei den beiden getesteten Materialien AlMg2.5 und AlCu4.5Si12 um die Hälfte reduziert werden. 3. Durch die ta-c DLC Beschichtung konnte die Lebensdauer der Werkzeuge erheblich verbessert werden. Durch die tiefe Reibung an der Spanfläche ergibt sich ein besserer Spänefluss und eine bessere Oberfläche. 4. In der FEM Simulation der Hitzeentwicklung und die praktischen Untersuchungen der Späne zeigen eindrücklich wie die ta-c DLC Beschichtung die Reibung zwischen Span und Schneide reduziert und so zu kleineren Bearbeitungskräften und tieferen Bearbeitungstemperaturen führt. 13

14 Praxisbeispiel Kupferbearbeitung Werkzeuge zur Herstellung von Kupfersteckern Verbesserung um Faktor 8, bei gleichbleibender Schneidleistung Unbeschichtet ca Stück, beschichtet ca Stück pro Werkzeug. Material: Tools: Machine: Lubricant: electrolytic copper E N DIXI 7242, 6mm HURON KX10 Emulsion oil 14

15 Praxisbeispiel Kupferbearbeitung Ohne Beschichtung: Kantenausbruch & hoher Verschleiss Mit ta-c Beschichtung: Intakte Kantengeometrie & geringer Verschleiss Material: Tools: Machine: Lubricant: electrolytic copper E N DIXI 7242, 6mm HURON KX10 Emulsion oil 15

16 Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit ta-c DLC Beschichtung Erste Resultate der neu entwickelten Beschichtung dialong dropless im Vergleich zur aktuellen Schicht dialong (ta-c DLC) Praktische Fräsversuche in der Grossserienproduktion von Uhr-Platinen aus Messing mit der Zielsetzung 25% der Werkzeugkosten zu senken. Das Ziel konnte Dank der ta-c DLC Beschichtungen erreicht werden. Auszug Diplomarbeit P. Dürrenmatt Grenchen

17 Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit ta-c DLC Beschichtung Sämtliche Qualitätsanforderungen konnten mit den beschichteten HM Werkzeugen eingehalten werden. Dadurch wurde ersichtlich, dass viele Diamanten zu Unrecht eingesetzt werden! Die Beschichtung dialong bzw. dialong dropless erreichten z.t. sogar massiv höhere Standzeiten wie die Diamantwerkzeuge. Auszug Diplomarbeit P. Dürrenmatt Grenchen 2014 dialong dropless erreicht durchschnittlich 75% höhere Standzeit als dialong 17

18 Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit ta-c DLC Beschichtung Die Nachteile bei der Bewirtschaftung von Diamantwerkzeugen sind insbesondere die hohen Anschaffungskosten - Sticheldiamant CHF pro Werkzeug - Formdiamant CHF pro Werkzeug Jedoch sind auch die Betriebskosten erheblich, da die Diamantwerkzeuge ca. alle Teile nachgeschliffen werden müssen. Kosten für das Nachschleifen liegen bei ca CHF. Die Zielsetzung in der Grossserienproduktion von Uhr Platinen die Werkzeugkosten um 25% zu senken wurde erreicht. Die Kostenersparnis werden Dank der dialong Beschichtungen sogar im laufenden Betrieb ohne die Berücksichtigung der Anschaffungskosten erreicht! Die neu entwickelte Schicht dialong dropless erreichte zusätzlich eine um ca. 75% höhere Performance wie dialong und bietet somit noch grössere Kostenvorteile als gefordert. 18

19 DLC Beschichtungen dialong und dialong dropless dialong and dialong dropless ta-c DLC haben einen Anteil von 80-90% des sp3-konfigurierten Kohlenstoffs! Die Schichten haben folgende Eingenschaften: Extreme Härte von ca. 5'300 HV und dialong dropless hat sogar 6500HV Höchste Verschleissfestigkeit Sehr tiefer Reibungskoeffizient ~ 0.1 trocken gegen Stahl Die einzigartigen Eigenschaften der Beschichtungen werden durch das eigens entwickelte filtrierte arc-pvd-verfahren erzielt. Dank dieser Methode werden Bearbeitungstemperaturen von unter 100 C erzielt Dies ermöglicht die Beschichtung von fast allen Materialen, ohne Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Zudem bleibt die Formkonstanz der Objekte garantiert, und es gibt keine Kantenverrundungen. 19

20 Anwendungsempfehlungen Zerspanen für dialong ta-c Schicht HM=Hartmetall HSS=Schnellarbeitsstahl WSP=Wendeschneidplatten MATERIAL DREHEN FRÄSEN BOHREN WSP Schaftwerkzeuge WSP HM HSS HM HM HSS HM Aluminium und deren Legierungen ( Si <18%) Messing, Kupfer, Bronze (Kupfer-Beryllium) Nickel und deren Nickellegierungen Edelstahl (INOX) Graphit Titanlegierungen Faserverstärkte Materialien CFK/GFK PCB Edelmetalle (Gold, Silber) Kunststoffe(Polycarbonate, NXT) Verbundwerkstoffe (Aramide, Kevlar) Holz Ausgezeichnete Resultate ++ Sehr gute Resultate + Gute Resultate Sämtliche Angaben verstehen sich als Richtwerte. Exakte Werte sind vom jeweiligen Substrat, der Geometrie, der Oberfläche und den Bearbeitungstemperaturen abhängig. 20

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