Prodex 2016

Miniaturisierung durch Beschichtung unterstützen

| Redakteur: Luca Meister

Erkenntnisse der konventionellen Zerspanung lassen sich nicht ohne Weiteres auf die Mikrozerspanung übertragen, wie sie hier praktiziert wird.
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Erkenntnisse der konventionellen Zerspanung lassen sich nicht ohne Weiteres auf die Mikrozerspanung übertragen, wie sie hier praktiziert wird. (Bild: Oerlikon Balzers)

Lange Zeit kam die Mikrobearbeitung vor allem in der Uhrenindustrie zum Einsatz. Heutzutage steigen die Anzahl an kleinen und kleinsten Produkten und die Anforderungen an ihre Qualität in vielen Industriebereichen weiter unaufhörlich.

Die Mikroproduktion ist ein wachsender und wichtiger Wirtschaftszweig geworden. Ihre Anwendung reicht von der Dental- und Medizintechnik über die Automobil- und Elektronikindustrie bis zum Werkzeug- und Formenbau.

Kleinste Bauteile müssen in der Fertigung steigende Anforderungen nach minimalsten Toleranzen im Tausendstel-Millimeter-Bereich erfüllen. Höchste Genauigkeit und Reproduzierbarkeit beim Bohren und Fräsen in der Zerspanung von Mikrostrukturen und Formen sind ebenso wichtig wie eine exzellente Oberflächengüte der gefertigten Bauteile sowie der zerspanenden Werkzeuge. Das Bedürfnis nach Formgebung und Materialauswahl ohne Einschränkungen hat in der Industrie eine hohe Priorität. So kommen heute vermehrt moderne und oft schwer zerspanbare Materialien zum Einsatz, von gehärteten und rostfreien Stählen über keramische Materialien bis zu Titan. Moderne Zerspanungswerkzeuge mit innovativen Geometrie- und Oberflächenlösungen werden diesen Anforderungen gerecht und liefern zugleich Vorteile im Vergleich zur klassischen Mikrobearbeitung wie dem Erodieren oder dem Einbringen mittels Laser.

Anforderungen in der Mikrozerspanung

Werkzeuge zur Mikrozerspanung haben einen Durchmesser von nur Zehntel-Millimetern und erarbeiten Strukturen und Bohrungen in diesen kleinsten Dimensionen. Daher stellt die Mikrozerspanung die Fertigung, den Werkzeughersteller und die Beschichter vor grosse Herausforderungen. Schliesslich sind nicht alle Erfahrungen aus der konventionellen Zerspanung auf die Mikrobearbeitung übertragbar. So können die Werkzeugdurchmesser den Dimensionen der Gefüge-Bestandteile des zu bearbeitenden Werkstoffes entsprechen. Dies führt, je nach Eigenschaft des bearbeiteten Gefüge-Bestandteils, zu unterschiedlichen Zerspanungsverhalten.

Diese Unterschiede der Zerspanungskräfte werden bei kleiner werdenden Werkzeugen immer spürbarer. In der Fertigung von Mikrobauteilen wird nunmehr mit anderen Einstellgrössen gearbeitet. Die präzisen Werkzeuge sind sehr empfindlich, und auch die Beschichtung muss optimal auf die sehr feinen Geometrien der Werkzeuge angepasst sein. Schon kleinste Abweichungen, beispielsweise im Schichtaufbau der Schneidkante, können zum sofortigen Werkzeugbruch führen. Entscheidend ist daher die hohe Reproduzierbarkeit der Schichtqualität, um Werkzeugverschleiss und den folgenden Werkzeugbruch möglichst zu verhindern. Besonders die starke Reibung und thermische Belastungen während des Zerspanungsprozesses können schnell zur Materialermüdung führen. Daher ist schon bei der Auswahl des Grundmaterials eine hohe Qualität des immer feinkörnigeren Hartmetalls entscheidend. Anforderungen nach hoher Härte, Biegebruchfestigkeit und Zähigkeit müssen in gewisser Balance stehen, um möglichst akkurate Schneidkanten zu erreichen, die durch eine Beschichtung noch optimiert werden können. Um die gewünschte Oberflächenqualität des Produktes bei minimalen Toleranzen sicherzustellen, ist das Zusammenspiel aus optimaler Geometrie und darauf abgestimmter Beschichtung entscheidend.

Bewährte und zukunftsweisende Beschichtungslösungen für die Mikrozerspanung

So unterschiedlich die Zerspanungsparameter und zu zerspanenden Materialien in der Mikrobearbeitung auch sind, so verschieden sind die Lösungsansätze zur Optimierung der Schneide und der gesamten Werkzeuge. Oerlikon Balzers kann durch ein einzigartiges Produktportfolio den gesamten Anwendungsbereich mit seinem Schichtangebot abdecken.

Neben den CVD- kommen auch PVD-Schichten in der Mikrozerspanung zum Einsatz. Hier wird das Ausgangsmaterial mit physikalischen Verfahren in die Gasphase überführt und auf dem zu beschichtenden Werkzeug kondensiert. Verbreitete Varianten sind die Vakuumlichtbogen-Verdampfung, auch Arc genannt, und das Magnetron-Sputtern.

Während der Arc-Prozess typischerweise einen sehr hohen Ionisationsgrad und eine hohe Härte vorweist, gleichzeitig jedoch Droplets auf der Schicht vorweist, zeichnet sich der Sputter-Prozess durch besonders glatte Oberflächen aus. Die Vorteile beider Verfahren kombiniert Balzers’ S3p-Technologie (Scalable Pulsed Power Plasma). So ist die Abscheidung von Materialkombinationen möglich, die vorher nicht prozesssicher realisierbar waren. Zudem können hohe Ionisationsraten mit hoher Härte und zugleich glatten Schichten realisiert werden. Die Auswahl der optimalen Schichtlösung hängt stark von der Anwendung und, vor allem, dem zu bearbeitenden Material ab.

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