Weniger Werkzeugwechsel Neue Beschichtungen für Fräswerkzeuge

Redakteur: Luca Meister

>> Die CemeCon AG und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT haben eine neue Beschichtungstechnologie für Fräswerkzeuge erprobt: Mit dem HiPIMS-Verfahren können Fräswerkzeuge mit Hartstoffschichten versehen werden, die den bisherigen Schichten in Härte und Zähigkeit überlegen sind. Hochleistungswerkstoffe für Anwendungen in der Luftfahrt und Energieerzeugung, Automobil- oder Medizintechnik lassen sich so künftig ressourcenschonender zu hochpräzisen Bauteilen verarbeiten als bisher.

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Unterschiedlich beschichtete Werkzeuge für grundlegende Zerspanungsversuche auf einem Analogie-Fräsprüfstand.
Unterschiedlich beschichtete Werkzeuge für grundlegende Zerspanungsversuche auf einem Analogie-Fräsprüfstand.
(Bild: Fraunhofer)

mei. Die eingesetzten Bauteile, die besonders hitzebeständig und robust sein müssen, sind mit konventionellen Fräsverfahren nur schwer zu bearbeiten. Die harten und hochtemperaturfesten Materialien lassen die Werkzeuge schnell verschleissen – das macht die Herstellung kostspielig. Verfahren wie Funkenerosion (EDM) oder elektrochemisches Abtragen (ECM) bieten oft die einzigen Alternativen, die jedoch aufgrund der geringen Abtragsraten und geometrischer Einschränkungen für viele Anwendungen nicht infrage kommen. Eine vielversprechende Alternative bieten deshalb Fräsverfahren, die auf eine Kombination aus einem Hartmetallwerkzeug mit Hochleistungsbeschichtungen setzen. Das Fraunhofer IPT hat gemeinsam mit CemeCon mehrere Werkzeugbeschichtungen in Grundlagenuntersuchungen und realen Frästests eingesetzt und analysiert. Die Beschichtungen wurden dafür zum Vergleich einmal mit dem konventionellen PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) und einmal mit der neuen HiPIMS-Technologie (High Power Impulse Magnetron Sputtering) auf das Werkzeug aufgebracht.

Härter, zäher und haltbarer

Im BMBF-geförderten Forschungsprojekt «InnoMill» haben die Fraunhofer-Forscher die Beschichtungssysteme für metallische Hochleistungsfräswerkzeuge genau unter die Lupe genommen. Die Schichten sollten durch den Einsatz der HiPIMS-Technologie besser auf den Werkzeugen haften. Sie sind dabei nicht nur härter und zäher, sondern auch homogener und deutlich haltbarer. Ausserdem weisen die getesteten Schichten, die mit dem HiPIMS-Verfahren aufgetragen werden, weniger Fehlstellen in Form sogenannter «Droplets» und damit eine geringere Rauheit auf. Der Vorteil: Selbst komplexe Bauteile wie Turbinenscheiben oder Radialverdichter aus Titan- und Nickelbasislegierungen oder Umformwerkzeuge für den Werkzeug- und Formenbau aus vergüteten Stählen lassen sich dank der präziseren und haltbareren Beschichtungen mit einer geringeren Anzahl an Werkzeugwechseln fräsen.

Unterschiedliche Schichtsysteme

Das IPT untersuchte während der ersten Projektphase den Einfluss unterschiedlicher Schichtsysteme auf die Werkzeugeigenschaften. Die Beschichtungen auf der Basis von TiAlN/TiSiN, AlTiN und TiB2 weisen zum Teil unterschiedliche Dicken und Rauheiten auf und beeinflussen damit die tribologischen Eigenschaften der Schichten. Durch den gezielten Einsatz der Beschichtungen steigt die Temperatur im Werkzeugsubstrat während der Bearbeitung weniger stark an und die entstehenden Bearbeitungskräfte sind geringer. Dadurch verbessert sich die Konturgenauigkeit des Bauteils und die Werkzeuge verschleissen weniger schnell. Den besten Temperaturschutz lieferte im Versuch die neue AlTiN-Beschichtung. Die geringsten Kräfte konnten beim Einsatz der Werkzeuge mit der TiB2-Beschichtung gemessen werden. Geplant sind weitere Versuche, um die Technologie und die passenden Fräsprozesse für die Industrie zu qualifizieren. <<

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