Neue Generation von Beschichtungen für Fräswerkzeuge

Unterschiedlich beschichtete Werkzeuge für grundlegende Zerspanungsversuche auf einem Fräsprüfstand / Bildquelle: Fraunhofer IPT

Gemeinsam mit dem Entwicklungspartner CemeCon AG hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen eine neue Beschichtungstechnologie für Fräswerkzeuge erprobt. Mit dem HiPIMS-Verfahren (High Power Impulse Magnetron Sputtering) 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 in Zukunft ressourcenschonender zu hochpräzisen Bauteilen verarbeiten als bisher.

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 extrem kostspielig. Verfahren wie die Funkenerosion (EDM) oder elektrochemisches Abtragen (ECM) bieten oft die einzigen Alternativen, die jedoch aufgrund der geringen Abtragsraten und geometrischer Einschränkungen für viele Anwendungen nicht in Frage kommen.

Eine vielversprechende Alternative bieten deshalb Fräsverfahren, die auf eine Kombination aus einem Hartmetallwerkzeug mit Hochleistungsbeschichtungen setzen. Das Fraunhofer IPT hat gemeinsam mit seinem Projektpartner 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 auf das Werkzeug aufgebracht.

Im BMBF-geförderten Forschungsprojekt InnoMill haben die Aachener Forscher die Beschichtungssysteme für metallische Hochleistungs-Fräswerkzeuge 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 durch das neue Beschichtungsverfahren auch homogener und deutlich haltbarer. Außerdem weisen die getesteten Schichten, die mit dem HiPIMS-Verfahren aufgetragen werden, weniger Fehlstellen in Form so genannter Droplets und damit eine geringere Rauheit auf. Der Vorteil für die Bearbeitung: Selbst komplexe Bauteile für Turbomaschinen, wie Turbinenscheiben und 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.

Das Fraunhofer 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 ist nun, anhand eines Demonstratorbauteils aus der Nickelbasislegierung Inconel 718 weitere Versuche durchzuführen und die Beschichtungstechnologie sowie die passenden Fräsprozesse für den industriellen Einsatz zu qualifizieren.

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