ALD-Coating: Verbesserte Spanungsperformance für neue Automobilwerkstoffe

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1 SMWK-Projekt 1 ALD-Coating: Verbesserte Spanungsperformance für neue Automobilwerkstoffe Förderer: Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst SMWK Forschungsförderung des Freistaates Sachsen 2011 Themenleiter: Projektpartner der WHZ: Prof. Dr. sc. techn. M. Schneeweiß Institut für Produktionstechnik (IfP) Prof. Dr.-Ing. habil. M. Dietz Institut für Produktionstechnik (IfP) Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Neidhardt Prof. Dr.-Ing. H.-D. Schnabel Prof. Dr. rer. nat. U. Reinhold (LIAN) /LIAN/ Laufzeit:

2 2 Gliederung 1 Motivation / Projektidee 2 Projektziele / Vorgehensweise 3 Wesentliche Projektergebnisse 4 Verwertung

4 1 Motivation / Projektidee 4 Wichtige Ziele in produzierenden Unternehmen Fertigungszeiten Fertigungskosten Werkstückqualität Spanende Schrupp-/Schlichtbearbeitung erreichbar durch beschichtete Werkzeuge Spanende Feinbearbeitung vorwiegend unbeschichtete Werkzeuge CVD / PVD-Verfahren etabliert! Verrundung der SK! Nachteilig für Zeit, Kosten, Werkstückqualität ALD-Beschichtung verschleißfeste Hartstoffe abscheidbar Schichtdicken im Nanometerbereich. Erhaltung Mikrogeometrie; Verschleiß Projektidee zur Zielerreichung bei der Feinbearbeitung

6 2 Projektziele / Vorgehensweise 6 Hauptziel: - Erarbeitung von grundsätzlichen bzw. begründeten Aussagen über Anwendungsmöglichkeiten der ALD-Beschichtung für Zerspanungswerkzeuge Teilziele: - Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) - Abscheidung von ALD-Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern wie Vollhartmetall-Bohr- und Fräswerkzeuge, Wendeschneidplattenwerkzeuge (LIAN) - Werkstofftechnische Charakterisierung zum Eigenschaftsnachweis (LIAN, IfP) - Nachweis der Anwendbarkeit und Aufzeigen des Leistungspotenzials der ALD- Beschichtungen bei der spanenden Bearbeitung automobilbautypischer Werkstoffe im Vergleich mit unbeschichteten Werkzeugen (IfP) - Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP)

8 3 Wesentliche Projektergebnisse 8 Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Vorgehensweise Hauptetappen bei der Projektbearbeitung Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP)

9 3 Wesentliche Projektergebnisse 9 Firma FHR-Anlagenbau GmbH Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Anlagentechnik: ALD-150 am LIAN Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Technologieentwicklung zur Al 2 O 3 -Beschichtung Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) - fester Schicht- Substrat- Verbund - gleichmäßig aufgewachsene Schichten - dichte Schichtstruktur - Partikelfreiheit - niedrige Abscheidezeiten Optimierte Beschichtungsbedingungen - Substrattemperatur (200 C) - Pulslänge der schichtbildenden Komponenten Trimethylaluminium und Wasser (0,3 s) - Spülzeit zwischen den Pulsen (5 s)

10 3 Wesentliche Projektergebnisse 10 Drehen Bohren Fräsen Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) WSP: SPUN Hersteller: Kennametal Schneidstoff: Hartmetall VHM-Bohrer: D WZ =5,0mm Hersteller: Gesau Schneidstoff: Hartmetall ALD Al 2 O 3 -Beschichtung (40 bzw. 120 nm) VHM-Fräser: D WZ =5,0mm Hersteller: Gesau Schneidstoff: Hartmetall Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) UNBESCHICHTET ALD-BESCHICHTET

11 3 Wesentliche Projektergebnisse 11 Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Schichtdicke s Charakterisierung vor und nach dem Beschichtungsprozess Mikrogeometrie r n Eigenspannung s ES Oberflächenrauheit R a Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) - keine wesentliche Änderung der Rauheit (R a ) - keine Vergrößerung des Schneidkantenradius r n - lediglich Änderung der Druckeigenspannungsgröße Keine negative Eigenschaftsbeeinflussung durch ALD

12 3 Wesentliche Projektergebnisse 12 Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Spanungsuntersuchungen an automobilbautypischen Werkstoffen Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Vergütungsstahl 42CrMo4+QT Gusseisen mit Kugelgraphit GJS Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Versuche bei den Verfahrensvarianten Quer- Plandrehen Bohren ins Volle Stirn- Umfangs- Planfräsen Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) mit praxisüblichen Schnittwerten

13 Verschleißmarkenbreite VB Verschleißmarkenbreite VB 3 Wesentliche Projektergebnisse 13 Spanungsergebnisse zur Schichtdicke Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Drehen Bohren und Fräsen Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) 0,30 mm 0,20 Hartmetall + ALD (Al2O3 40nm) Hartmetall + ALD (Al2O3 120nm) WZM: DUS 560ti Verfahren: Quer-Plandrehen KSS: Trockenbearbeitung Werkstoff: GJS Werkzeug: CSBPR 2525M12, k r = 85 Schneidstoff: Hartmetall Schnittbedingungen: D a = 160 mm; D i = 40 mm; v c = 140 m/min; f = 0,08 mm; a p = 1,0 mm Abbruchkriterium: VB 0,20 mm 0,30 mm 0,20 Hartmetall + ALD (Al2O3 40nm) Hartmetall + ALD (Al2O3 120nm) Verfahren: Stirn-Umfangsplanfräsen WZM: DMC60linear KSS: Trockenbearbeitung Werkstoff: GJS Werkstück: prismatisch; l W = 250 mm Schnittbedingungen: v c = 280 m/min; f = 0,05 mm; a p = 2,0 mm; a e = 0,2 mm Werkzeug: VHM-Fräser D c = 5,0 mm Abbruchkriterium: VB 0,1 mm Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) 0,10 0, min 30 t c Orientierung auf dünnere Schichten ca. 40 nm 0,10 0, m 800 L f Orientierung auf dickere Schichten ca. 120 nm

14 Verschleißmarkenbreite VB 3 Wesentliche Projektergebnisse 14 Spanungsergebnisse beim Quer-Plandrehen Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) 0,30 mm 0,20 Hartmetall + ALD (Al2O3 40nm) Hartmetall unbeschichtet unbeschichtet Standzeitzuwachs: 35% WZM: DUS 560ti Verfahren: Quer-Plandrehen KSS: Trockenbearbeitung Werkstoff: GJS Werkzeug: CSBPR 2525M12, k r = 85 Schneidstoff: Hartmetall Schnittbedingungen: D a = 160 mm; D i = 40 mm; v c = 140 m/min; f = 0,08 mm; a p = 1,0 mm Abbruchkriterium: VB 0,20 mm Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) 0,10 0, min 30 t c Al 2 O 3 (40nm) - Reduzierter Verschleiß insbesondere bei der Gussbearbeitung mit ALD-beschichteten Wz - Resultat ist Standzeiterhöhung (bis 35% bei Guss / bei Stahl kein Standzeitvorteil) - Gleichmäßigere Verschleißausbildung - Vermeidung von Aufbauschneidenbildung

15 3 Wesentliche Projektergebnisse 15 Spanungsergebnisse beim Bohren ins Volle Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) 0,20 Standzeitzuwachs: 170% Hartmetall unbeschichtet Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) Mittlere Verschleißmarkenbreite VB Ecke mm 0,15 0,10 0,05 0, min 14 t c Hartmetall + ALD (Al2O3 120nm) WZM: VS4000 Verfahren: Bohren ins Volle KSS: Nassbearbeitung Werkstoff: GJS Werkzeug: VHM-Bohrer D WZ = 5,0 mm Schneidstoff: VHM-unbeschichtet Schnittbedingungen: l/d = 2; v c = 120 m/min; f = 0,10 mm Abbruchkriterium: VB Ecke > 0,15 mm Alle Angaben: Mittelwerte beider Schneiden (z=2) - insbesondere stark reduzierter Eckenverschleiß bei der Gussbearbeitung mit ALD-beschichteten Wz - Resultat ist hier eine drastische Standzeiterhöhung (+170%)

16 Verschleißmarkenbreite VB 3 Wesentliche Projektergebnisse 16 Spanungsergebnisse beim Stirn-Umfangs-Planfräsen Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) 0,15 Standwegzuwachs: 24% Hartmetall unbeschichtet Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) mm 0,10 0,05 Hartmetall + ALD (Al2O3 120nm) Verfahren: Stirn-Umfangsplanfräsen WZM: DMC60linear KSS: Trockenbearbeitung Werkstoff: GJS Werkstück: prismatisch; l W = 250 mm Schnittbedingungen: v c = 280 m/min; f = 0,05 mm; a p = 2,0 mm; a e = 0,2 mm Werkzeug: VHM-Fräser D c = 5,0 mm Abbruchkriterium: VB 0,1 mm Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) 0, m 800 L f - auch beim Fräsen reduzierter Verschleiß bei der Gussbearbeitung mit ALD-beschichteten Wz - Resultat ist Standwegerhöhung (+24%) - selbst bei wechselnder Beanspruchung halten Schichten

17 3 Wesentliche Projektergebnisse 17 Grundsätzliche Effekte der ALD-Schichten Entwicklung notwendiger Beschichtungstechnologien (LIAN) Abscheidung von ALD- Beschichtungen auf ausgewählten Typenvertretern (LIAN) Werkstofftechnische Charakterisierung (LIAN, IfP) - Verschleißschutzschichten ohne Beeinflussung der Mikrogeometrie (scharfe Schneiden) - Reduktion des Freiflächenverschleißes (Drehen, Bohren, Fräsen) - Gleichmäßigere Verschleißausbildung (Drehen, Bohren, Fräsen) - Reduktion des standzeitbestimmenden Eckenverschleißes beim Bohren - Standzeit- bzw. Standwegvorteile in Abhängigkeit von Verfahren und Werkstückwerkstoff zwischen 24% bis 170% möglich! Spanungsuntersuchungen zum Aufzeigen des Leistungspotenzials bei spanender Bearbeitung (IfP) Erkennen grundsätzlicher Effekte für spanende Prozessketten der Automobilindustrie (IfP) - Senkung werkzeugabhängiger Kosten durch Standzeiterhöhung - Senkung zeitabhängiger Kosten und der Fertigungszeit durch mögliche v c -Steigerung zu vermuten - Steigerung der Bauteilqualität zu erwarten

19 4 Verwertung 19 - Untersuchungen stellen einen ersten Schritt hin zu ALD-beschichteten Feinbearbeitungswerkzeugen dar - Die positiven Ergebnisse gestatten und erfordern eine Weiterführung dieser Untersuchungen (Ausdehnung auf andere Bauteilwerkstoffe und Hartstoffschichten; Schichtdickenminimierung; Wirtschaftlichkeitsanalysen; Nachweis der Prozesssicherheit) - Zahlreiche Aktivitäten zur Verbreitung der Ergebnisse bei Firmen, auf Tagungen und in Fachzeitschriften Vorstellung der Ergebnisse anlässlich der 76. Jahrestagung der DPG, März 2012, Berlin Vorstellung der Ergebnisse auf der: 12th International Conference on Atomic Layer Deposition in Dresden am Veröffentlichung in: Werkstatt und Betrieb Vorbereitung von Folgeprojekten FHprofUnt- oder AiF-Projekt

20 20 Vielen Dank!