Miniaturisierung in der Werkzeugwelt: Beschichtungslösungen für jede Anwendung

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1 Miniaturisierung in der Werkzeugwelt: Beschichtungslösungen für jede Anwendung 12. Swissmem Zerspanungsseminar Pfäffikon, / Olten, Michael Dietz, Markt Segment Manager Cutting Tools

2 Agenda 1 Oerlikon Balzers 2 Der Trend Miniaturisierung in der Zerspanung 3 Herausforderungen aus der Sicht eines Beschichters 4 Beschichtungslösungen für Mikrowerkzeuge 5 Technologische Trends in der Beschichtung für ausgewählte Anwendungen Werkzeug- und Formenbau Medizintechnik 7 Zusammenfassung Page 2

3 Jeden Tag beschichtet Oerlikon Balzers mehr als 1 Mio. Teile Erste PVD beschichtete Zerspanungswerkzeuge Mehr als Kunden 1,2 Mio Bestellungen pro Jahr 240 Mio beschichtete Teile pro Jahr Beschichtungsservices in 35 Ländern und mehr als 100 Standorten Page 3

4 Unsere Hauptmärkte in der Werkzeugbeschichtung Automotive Industrial Aerospace Oil & Gas Medical Consumer Goods

5 Der Trend Miniaturisierung Zunehmende Miniaturisierung erfordert immer kleinere Abmessungen Zunehmende Komplexität der Werkstoffe Zusätzliche Problematik: Zugänglichkeit verschiedenster Geometrien - Oberflächenqualität Ra < 10nm - Wirtschaftlichkeit Alternative Lösungen auch im Mikrobereich: - Erodieren - Wasserstrahlschneiden - Mikrozerspanung - Additive Manufacturing Page 5

6 Herausfordernde Miniaturisierung aus der Beschichtungsperspektive Ø ~ 10µm Mikrowerkzeug: d = 30 µm Page 6

7 Herausforderung Logistik: Transportsystem für Mikrowerkzeuge Vom Schleifzentrum bis zur Beschichtungsanlage ohne unnötiges Handling. Page 7

8 Herausforderung Reinigung / Magnetismus Page 8

9 Kantenpräparation von Mikrowerkzeugen Mikrofräser =0,5mm Page 9

10 Herausforderung Handling in der Produktion Page 10

11 Präzision in Schichtdicke: Beispiel BALINIT MICRAN 850 nm 990 nm D= 0.3 mm, Beschichtungslevel 5 D= 1.0 mm, Beschichtungslevel 3 Page 11

12 Präzision in der Schichtdickenverteilung 1.81 µm Messung Schichtdicke Schnitte mittels FIB (Focused Ion Beam) Quelle: Projekt Micutools Page 12

13 Halterungen optimiert für Mikrowerkzeuge Optimale Schichtdicke Präzise Verteilung - Unterschiedliche Schneiden und Schaftdurchmesse - Innerhalb einer Beschichtungscharge - Von Charge zu Charge Sicheres Handling Reproduzierbarkeit Page 13

14 Herausforderung: keine Mängel für Werkzeuge mit kleinem Durchmesser erlaubt Konventionelle Technologie Vision - glatt und fehlerfrei Kontinuierliche Verbesserung der Arc- Technologie innerhalb der letzten 15 Jahre Nur teilweise ausreichend für Werkzeuge mit kleinem Durchmesser Nachbehandlung (fast) nicht möglich Page 14

15 Mikrowerkzeuge: Bohren Düsennadeln Konventionelle Technologie Anzahl Bohrungen 1,500 Werkzeug VHM Bohrer Durchm. 0,3 mm Werkstück 100 Cr 6 1, Bearbeitung n = 7000 U/min f = 9,5 mm/min 5 x D Emulsion 5% 0 Uncoated BALINIT MICRAN Quelle Hersteller Schweiz Page 15

16 State-of-the-art Beschichtungstechnologien Prozesseigenschaften: Sehr hoher Ionisierungsgrad Schichteigenschaften: Hohe Dichte, grosse Härte Exzellente Haftung Weniger glatt, neigt zu Droplets Prozesseigenschaften: Geringer Ionisierungsgrad Schichteigenschaften: Geringe Dichte, geringere Härte Moderate Haftung Glatte Oberfläche Page 16

17 Aussergewöhnliche Präzision S3p basiert Arc Evaporation Page Swissmem Zerspanungssemina r - Oerlikon Balzers - Michael Dietz

18 Überzeugende Testergebnisse für Mikrobohren in Edelstahl Standzeit (Anzahl Löcher) 350 Werkzeug Mikrobohrer D = 1.0 mm Werkstück Stahl (AISI 316Ti, SUS 316 Ti) Tool fracture/ process not reliable Bearbeitung L D : 20 x d Emulsion Uncoated Arc Evaporation BALIQ MICRO ALCRONOS Quelle Werkzeughersteller Europe Page 18

19 Anwendungsgebiete Mikrobearbeitung Werkzeug & Formenbau Feine Strukturen und hohe Oberflächenqualität für Werkzeug- und Formen und Elektroden (EDM) Stahl (30-50 HRC, HRC), Kupfer, Graphit Medizintechnik Implantate, Dentalanwendungen, Kleinteile von Medizinprodukten usw. Titan, CoCr Legierung, rostfreien Stählen, Keramik (ZrO2) Uhrenindustrie Uhrengehäuse, Zifferblatt, mechanische Komponenten Sondermetalle (Premium-Uhren),... Halbleiterindustrie PCB Bohrer & Router Andere Mikrooptik, mikromechanische Komponenten, etc. Page 19

20 Deutlich verbesserte Oberflächenqualität (> 2x) durch S3p Technologie Source: RokuRoku Sangyo / JIMTOF 2014 Page 20

21 Bearbeitung von hoch gehärtetem Stahl (HRC62) Bilder mit gleicher Standzeit TiAlN (HIPIMS) S3p TiSi-basiert TiAlSiN (HIPIMS) PVD-Arc Ballnose endmill Ø 2.0 mm, , HRC 62, v c = 130 m/min, a e = 0.1 mm, a p = 0.1 mm Page 21

22 Präzisionsbearbeitung von Elektroden Kupfer: Fräszeit: 35 min Graphit: Fräszeit: 22 min Bearbeitung mit ta-c basierter Schicht Bearbeitung mit Diamant-basierter Schicht Page 22

23 BALINIT HARD CARBON - entwickelt für die Bearbeitung von NE-Metallen Dünne Schicht Sehr gute Haftfestigkeit Scharfe Schnittkanten Glatte Oberfläche BALINIT HARD CARBON, die optimale Beschichtungslösung für die Bearbeitung von Nichteisenmetallen Page 23

24 Anwendungsempfehlungen Aluminium und Aluminiumlegierungen bis max. 12% Si Anteil Kupfer, Bronze, Silber, Gold und Platin Verbundstoffe wie GFK und CFK Organische Materialien wie Holz und Papier Für alle Anwendungen, die durch eine Kombination aus Abrieb und Adhäsion gekennzeichnet sind Page 24

25 Hartmetall-Schaftfräser beschichtet mit BALINIT HARD CARBON Teile Werkzeug kosten 180 Werkzeug kosten pro Teil: 1,20 Werkzeug kosten 23 Werkzeug kosten pro Teil: 0,19 Werkzeug Hartmetall-Schaftfräser Ø 8 mm Werkstück Innenraum eines High-End- Fahrzeugs Al-ABS-Pc GF 20 Sandwich Schnittdaten n = U/min v f = 2,4 m/min 40 Vorteil Erhebliche Reduktion der Werkzeugkosten PKD Schaftfräser: ~ 180 HARD CARBON: ~ 23 0 PKD BALINIT HARD CARBON Mitbewerber 1 Mitbewerber 2 85 % Ersparnis Quelle Werkzeughersteller Deutschland Page 25

26 Die neue BALINIT DIAMOND ist optimiert auf Anwendung und Werkzeugtyp Anwendung CFK/GFK/Sandwich Graphit Al-Legierungen Keramiken Auch für sehr komplexe Werkzeug-Geometrien Werkzeugtyp* Ø 0,1 mm Ø 25 mm * Spezielle Werkzeugarten, -durchmesser und -längen auf Anfrage Page 26

27 Anwendungsgebiete Mikrobearbeitung Werkzeug & Formenbau Feine Strukturen und hohe Oberflächenqualität für Werkzeug- und Formen und Elektroden (EDM) Stahl (30-50 HRC, HRC), Kupfer, Graphit Medizintechnik Implantate, Dentalanwendungen, Kleinteile von Medizinprodukten usw. Titan, CoCr Legierung, rostfreien Stählen, Keramik (ZrO2) Uhrenindustrie Uhrengehäuse, Zifferblatt, mechanische Komponenten Sondermetalle (Premium-Uhren),... Halbleiterindustrie PCB Bohrer & Router Andere Mikrooptik, mikromechanische Komponenten, etc. Page 27

28 Medizintechnik: CoCr, ZrO 2 (grün / Sinter) CoCr Lösungen CoCr: - S3p Technologie: TiSi basierte Schicht ZrO 2 ZrO 2 (grün) - ta-c basierte Schicht ZrO 2 (Sinter) - DIAMOND basierte Schicht Page 28

29 Medizintechnik: Anwendungsbeispiele Werkstück Fräsen in ZrO 2 Werkzeug Ballnose Mikro Werkzeug D 0,6 / D 1,0 / 2,5 Shank 3 mm Beschichtung BALINIT DIAMOND Quelle: 2015, Komet/Gebr. Brasseler GmbH & Co. KG, Lemgo Page 29

30 CNC Fräsen in ZrO 2 Werkzeuge: Kugelfräser Ø 2,0 mm ( T1 ) S: U/min F: 2200 mm/min Aktuelle Standzeit: 414 EH (entspricht einer Indikation, z.b. eine Kappe) Kugelfräser Ø 2,0 mm ( T2 ) S: U/min F: 2200 mm/min Aktuelle Standzeit: 414 EH (entspricht einer Indikation, z.b. eine Kappe) Quelle: Kugelfräser Ø 1,0 mm ( T3 ) S: U/min F: 2000 mm/min Aktuelle Standzeit: 306 EH (entspricht einer Indikation, z.b. eine Kappe) Page 30

31 Zusammenfassung Werkzeug & Formenbau Einsatzstähle: S3p Technology (TiSi basierte Schicht) Kupfer: ta-c basierte Schicht Graphit: Diamant basierte Schicht Medizintechnik CoCr: S3p Technology (TiSi basierte Schicht) ZrO 2 (grün): ta-c basierte Schicht ZrO 2 (Sinter): Diamond basierte Schicht Titan: S3p Technology (TiSi basierte Schicht) Uhrenindustrie Uhrengehäuse, Zifferblatt, mechanische Komponenten Sondermetalle (Premium-Uhren),... Halbleiterindustrie PCB Bohrer & Router: Diamond basierte Schicht Page 31

32 Vielen Dank. Was machen wir? In Ihrer Nähe Weltweit. Page 32

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