Werkzeug Technik Technologie - System - Logistik ISSN Nr. 0997-6981 15 September 2010 Nr. 115 Die deutsche Fachzeitschrift der Schneidwerkzeuge und Meßtechnik für die Metallbearbeitung TripleCoatings 3 Die Open Source Schichtfamilie
TripleCoatings 3 Die Open Source Schichtfamilie T. Cselle, M. Morstein, A. Lümkemann - PLATIT AG, Selzach, Schweiz Was ist Innovation? Innovation ist etwas neu Geschaffenes. Der Begriff wird unspezifisch im Sinne von neuen Ideen und Erfindungen und für deren wirtschaftliche Umsetzung verwendet. Die innovativste Branche ist momentan ohne Zweifel die IT-Industrie. Sie bringen Neuigkeiten in einem rasanten Tempo heraus. Um die Branchenführung kämpfen momentan zwei Firmen, Apple und Google, deren Unternehmensphilosophien nicht unterschiedlicher sein könnten [1]. Innovation ist, wenn der Kunde sein Portmonee öffnet [2] - sagt Steve Jobs, der geniale CEO von Apple und bei seiner Firma wird alles nach ihm gerichtet: Die oft wegweisenden neuen Produkte stammen aus seinem Ideentank, die dann emotionsgeladen vermarktet werden. Es wird nach extremer Hierarchie und strengen zentralen Vorgaben und Kontrollen gearbeitet. Dem Kunden wird ein in sich geschlossener Produktrahmen vorgelegt, in dem er sich nach kürzester Einarbeitungszeit, extrem zuverlässig und laiensicher bewegen kann. Es wird eine absolute Hochpreispolitik gefahren, für Hardware und Software beim jedem Update auf das Neue. Es wird sogar von den Entwicklern Geld verlangt, um auf der Apple-Plattform entwickeln zu dürfen. Die Wunderkinder, die Google-Gründer Larry Page und Sergey Brin geben sowohl ihren Ingenieuren und als auch ihren Anwendern eine extrem grosszügige Arbeitsfreiheit : Die Mitarbeiter werden fortlaufend stark motiviert, nach neuen Ideen zu suchen und dabei keine Risiken zu scheuen. Die Ingenieure bestimmen die eigenen Aufgaben z.t. selbst und sollen projektorientiert mit grosser Eigenkontrolle und Eigenverantwortung agieren. Die Produkte sind offen (Open Source) damit sie auf verschiedene Plattformen transportiert werden können. Bild 1: Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten. Bild 0: Kaloschnitt und EDX-Karte einer TripleCoating 3 (nacox 3 ). (Nach dem Motto: Jeder weiss, was ihm das Beste ist.) Alle Dienstleitungen und Programme sind kostenlos, damit sich die Produkte frei verbreiten können. Die Situation ist auf dem Markt der Werkzeugbeschichtungen ähnlich. Die Markführer geben über die Schichten kaum Informationen heraus: Über Zusammensetzung und Schichtstrukturen wird geschwiegen Die Änderungen, die vergleichenden Bewertungen (0, +, -) beziehen sich jeweils auf die Schicht in der vorhergehenden Zeile + bedeutet positive Änderung aus der Sicht des Anwenders - bedeutet negative Änderung aus der Sicht des Anwenders X liegt bei ca. 65% 2 Werkzeug Technik 115 15 September 2010
Bild 2: Stöchiometrie von TripleCoatings 3, sowie ihre Abscheidungsschritte in der 311. Die physikalischen Eigenschaften werden nur durch Richtwerte beschrieben Beim Erwerb einer Beschichtungsanlage werden die Schichten festgefroren und sind durch den Anwender nicht veränderbar. Wobei die Rezepte einen bedeutsamen Kostenposten darstellen. Die TripleCoatings 3 stellen dazu den krassen Gegenpol dar: Die Zusammensetzungen und Stöchiometrie (Schichtstruktur) sind offengelegt und die Auswirkung der einzelnen Komponenten und Dopingelemente ausführlich beschrieben (Bild 1). Der Anwender erhält detaillierte Messwerte und Diagramme über die von ihm verwendeten Schichten. Die Standard TripleCoatings -Rezepte sind für die Anwender offen (Open Source) und veränderbar (nach dem Motto, jeder weiss was ihm das Beste ist). Die Nanocomposite-Standardrezepte der TripleCoatings 3 (naco 3 und nacro 3 ) sind Kernbestandteile der PLATIT-Anlagen, sind also für die Anwender kostenfrei. 1.Was sind die TripleCoatings 3? Die TripleCoatings 3 stellen heute die absolute Spitze der Hochleistungsschichten der PVD-Technik dar. Sie sind Kombinationen von konventionellen und Nanocomposite-Schichten [3] - [6]: Die Schichten werden immer mit einem Haftlayer gestartet, der üblicherweise aus nicht legierten Targets (Ti oder Cr) mit hoher Haftfestigkeit abgeschieden wird (Bild 2). Bild 3: Die TripleCoatings 3 - Schichtfamilie (Stand August/2010) 3 Werkzeug Technik 115 15 September 2010
Der mittlere Layer wird üblicherweise durch eine konventionelle Schichtstruktur (AlTiN, AlCrN, AlTiCrN) gebildet, damit ein zäher Schichtkern entsteht. Dabei spielt natürlich die kostengünstige Produzierbarkeit auch eine wichtige Rolle. Die harte Haut ist in den meisten Fällen eine superharte, siliziumhaltige Nanocomposite-Schicht mir extrem hoher Härte, Verschleiss- und Warmfestigkeit. 2. Die TripleCoatings 3 - Schichtfamilie Die Mitglieder der TripleCoatings 3 - Schichtfamilie sind Mosaiksteine, die systematisch (und offen) ausgebaut werden. Den heutigen Stand (August/2010) stellt das Bild 3 dar. Neben den Schichtzusammensetzungen zeigt es auch die Kathodenkonfigurationen, die zur Herstellung der jeweiligen Schichten eingesetzt werden. Die TripleCoatings 3 wurden ursprünglich mit Hilfe der kompakten Beschichtungsanlage 300 entwickelt (Bild 4). Die neue, in Stuttgart auf der AMB 2010 ihre Weltpremiere erlebende 311 ist mit ihrem Vorgänger voll kompatibel. Die Maschinen arbeiten mit 4 rotierenden Kathoden. Eine typische Kathodenanordnung zeigt das Bild 2, die die Abscheidung einer sehr hohen Anzahl (über 30) von Schichten ohne Kathodenwechsel ermöglicht. Die einzelnen Schichten werden per Software zusammengesetzt, wodurch diese enorm hohe Flexibilität zustande kommt. Die Herstellung einiger TripleCoatings3 (naco 3, AlTiCrN 3, TiXCo 3 Bild 5: Unterbrochenes Drehen von ADI-Gusseisen mit naco 3. Bild 4: PLATIT- Beschichtungsanlagen zur Herstellung von TripleCoatings 3. und nacox 3 ) ist auch in der 2-Kathoden-Anlage 111 möglich. Wegen der Komplexität der Schichten sind aber hierfür verstärkt legierte und dadurch teurere Kathoden notwendig (siehe die Angaben der Kathodenanordnungen auch für die 111 im Bild 3). 2.1 Die Open Source TripleCoatings 3 - Standardschichten Die Standard-TripleCoatings 3 streben eine sich ständig erweiternde, universelle Anwendbarkeit an. naco 3 wurde als erste TripleCoating 3 Anfang 2007 vorgestellt [3]. Sie weist unter den Klassikern die höchste Härte auf und hat sich schon bei vielen, unterschiedlichen Anwendungen bewährt. In erster Linie für trockene Hartzerspanung, wie Drehen (Bild 5), Hartfräsen, Bohren und Reiben. nacro 3 kombiniert die hohe Härte mit einer extrem hohen Zähigkeit. Sie wird in erster Linie für die schwierigsten Aufgaben der Zerspanungund Umformtechnik verwendet. Wie Zerspanen von Titan und Superlegierungen, zum Reibschweissen sowie für Umformwerkzeuge des Spritzgiessens, Tiefziehens und Stanzens (Bild 6). Dabei muss die extrem gute Haftung auf den sehr scharfen Schneiden hervorgehoben werden, die zum Feinstanzen notwendig sind. AlCrN 3 zeigt, dass die Triple-Struktur auch ohne Silizium hervorragende Ergebnisse bringt, z.b. bei trockenem Mikro-Abwälzfräsen [6]. AlTiCrN 3 kann auch mit konventionellen (nicht rotierenden) Planar- Kathoden abgeschieden werden (z.b. in der Maschine PL1001, siehe Bild 4) und erreicht beim Abwälzfräsen sehr beachtliche Resultate (Bild 7). Ein Anwender gab eine ähnliche Stöchiometrie für Feinstanzen vor, die in seiner Anwesenheit, an einem Tag in der PLATIT F&E abgebildet wurde. Die Schicht war tatsächlich auch für diese Anwendung ausgezeichnet. Bauteil: Rohr mit Außen-Ø 198 mm, Innen-Ø 142 mm Werkstoff: ADI 900 - Bearbeitung: Plandrehen - Plattenform: CNGX 120716 vc = 270 m/min - f= 0,4 mm - ap = 2 mm Quelle: GFE, Schmalkalden 2.2 Die dedicated TripleCoatings 3 - Schichten Diese Schichten entstehen in Zusammenarbeit zwischen den Anwendern und der PLATIT-Forschung & Entwicklung, wobei sie massgeschneidert (dedicated) entsprechend den Anforderungen der speziellen Anwendungen optimiert werden. Diese Optimierung ist immer ein iterativer Prozess, die 6 Werkzeug Technik 115 15 September 2010
Bild 6: Feinstanzen mit nacro 3 besten Ergebnisse können nur nach mehreren Schritten erreicht werden. Nach den Versuchen beim Anwender sind üblicherweise mehrere Modifikationen notwendig, bis die optimale Schicht entsteht. natcro 3 ist eine All-in-One-Schicht. Sie enthält sowohl Ti und Al als auch Cr und Si. Sie wurde bisher begrenzt und in erster Linie nur zur Beschichtung von universell eingesetzten HSS- Werkzeugen verwendet. TiXCo 3 weist einen enorm hohen Silizium-Anteil auf. Sie entstand zur trockenen Zerspanung von Materialien mit ganz hohen Härten über 60 HRC. nacox 3 ist eine spezielle Entwicklung von PLATIT zum trockenen Drehen, zur Substitution von CVD-Schichten. Sie weist Oxide (Al,Cr) 2 O 3 oder Oxinitride ((Al,Cr)(O,N)) bei extrem hohen Schichtdicken (bis zu 18 μm) auf. Sie vermindert enorm die chemische Affinität zwischen Werkzeug und Werkstück bei den extrem hohen Temperaturen der trockenen Drehprozesse. Eine spezielle Version von nacox 3 wird aktuell auf Turbinenschaufeln getestet, also zur Beschichtung von Bauteilen, die sehr starken abrasiven Belastungen ausgesetzt sind. Eine User-Triple-Schicht ist zur Beschichtung von Umformwerkzeugen aus PM-HSS entstanden. Bei diesen Anwendungen sind relativ hohe Schichtdicken und sehr niedrige Oberflächenrauheiten mit extrem hoher Zähigkeit verlangt. Material: C100 - Quelle: Stepper, Pforzheim Diese User-Triple-Schicht ist natürlich nur ein Beispiel, das die Möglichkeiten der dedicated TripleCoatings 3 zeigen möchte. In zahlreichen Fällen vereinbaren die Kunden und PLATIT eine Exklusivität. 3. Zusammenfassung Das Open Source-Prinzip der Triple- Coatings heisst im Klartext, dass der Anwender die Nanocomposite-Standard- TripleCoatings 3 kostenfrei benutzen kann. PLATIT startet den Vorstoss im Interesse Der optimalen Zusammenarbeit mit den Anwendern. Damit die Anwender nicht zögern sofort mit diesen High-Tech-Schichten (und nicht erst mit den konventionellen) Schichten zu arbeiten. Also im Interesse der schnellen Verbreitung der TripleCoatings 3. Bild 7: Abwälzfräsen mit AlTiCrN 3. In 40 Jahren habe ich noch nicht erlebt, dass sich das geschlossene System gegen das offene durchgesetzt hat sagt Logitech-Gründer Daniel Borel. Mal sehen, ob es auch für die Beschichtungstechnik gilt und zum Aufschwung der mittelständischen Industrie beitragen kann [5]. Referenzen: [1] Kowalsky, M.: Krieg der Welten Apple vs. Google Bilanz; Das Schweizer Wirtschaftsmagazin, Springer Verlag, Zürich, August/2010. [2] Kahney, L.: Inside Steve s Brain, the Man Who Saved Apple Atlantic Books, London, 2009. [3] Morstein, M. u.a.: Rotating ARC PVD Cathodes Five Years of Dependable High Performance - ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007. [4] Cselle, T. u.a.: TripleCoatings eine neue Generation von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268. [5] Cselle, T. u.a.: Auf zu neuen Ufern, WerkzeugTechnik, 109, Sept/2009 [6] Kompendium 2010 - PLATIT-Katalog und Website: www.platit.com Material: 34CrNiMo6 (1.6582) - vc=45 m/min, fn=0.12 mm/u, n=500 1/min Ölkühlung Quelle: Unimerco, Sund, DK 7 Werkzeug Technik 115 15 September 2010