Die gleiche Entwicklung kann man in der Beschichtungsindustrie beobachten. Nur die grossen Lohnbeschichtungszentren versuchen ihre wenigen Standardschichten für alles durchzusetzen, um ihre grossen Anlagen füllen zu können. Deswegen konzentrieren sie sich auf Grosskunden.

Die Zielsetzung der f313

Die KMU´s benötigen für ihre Bauteile nicht nur eine Vielzahl von optimalen Werkstoffen, sondern auch

– Schichten, die massgeschneidert an die Anwendung angepasst werden können und

– Schichten, die auch bei kleineren Stückzahlen schnell und wirtschaftlich produziert werden können.

Genau mit dieser Zielsetzung wurde die Anlagenfamilie f300, durch die neue Beschichtungsanlage f313 (Bild 1) erweitert.

Die Anlage arbeitet mit 3 LARC®-Kathoden (LAteral Rotating Cathodes) in der Tür und mit einer zentralen CERC®-Kathode (CEntral Rotating Cathode) in der Mitte der Beschichtungskammer.

3 (+1) Kathoden frei programmierbar

Zur gleichen Zeit arbeiten 3 Kathoden;

– entweder als f312-Komfiguration 2 LARC®-Kathoden (1,3) und die CERC®-Kathode (4),

– oder als f303-Konfiguration die 3 LARC®-Kathoden (1,2,3).

Die ARC-Verstärker kann zwischen Kathode 2 und 4. also zwischen den beiden f-Konfigurationen frei programmierbar, auch während des Abscheideprozesses umgeschaltet werden (Bild 2).

30 verschiedene Schichten ohne Target- oder Kathodenwechsel

Bei den konventionellen Beschichtungsanlagen wird die Schichtkomposition durch die Legierungszusammensetzung der Targets festgelegt bzw. massgeblich beeinflusst. Wenn man mit konventionellen Anlagen bei der nächsten Charge eine andere Schicht mit anderen Komponenten fahren will, muss man die Targets oder bei einigen brandneuen Anlagen sogar die MAC’s (Magnetic Confinement Control = Kathodensteuerung) „hardwaremässig“, also manuell, mechanisch wechseln.

Die fAnlagen verwenden überwiegend pure, nicht legierte Targets (Ti, Al, Cr, AlSi). Die Komposition, die

prozentuale Zusammensetzung der Schichten wird durch Software kreiert. Ein Kathodenwechsel dauert nur ca.

30 Minuten, wobei er dank den Aufgaben angepassten Kathodenkonfigurationen sehr selten notwendig ist (Bild 3).

– Die “Default-Konfiguration“ ermöglicht die effektive und flexible Beschichtung aller Ti-Al basierten Schichten (wie TiN,

TiCN, TiAlCN, TiAlN, AlTiN, nACo®, plus DLC als Topschicht).

– Die “Ti-Cr-Konfiguration“ wird in erster Linie zur Beschichtung von Umformwerkzeugen, zum Oxidationsschutz und für Werkzeuge zur Zerspanung von Aluminiumlegierungen verwendet (wie TiN, TiCN, CrN, CrTiN plus DLC als Topschicht).

– Die “Universal Konfiguration“ bietet die höchste Flexibilität. Mit ihrer Hilfe kann man mehr als 30 verschiedene

Schichten ohne Kathodenwechsel (Bild 4) abscheiden. Es sind praktisch alle, heute in der Praxis verwendeten

PVD-Schichtkompositionen:

300 Chargen ohne Target- oder Kathodenwechsel

Die effektive Targetfläche eines rotierenden Zylinders sind f-mal breiter als die Targetfläche eines Planartargets mit der gleichen Breite “d“. Die Ausnutzung des rotierenden Targetsmaterials ist auch wesentlich besser, da sich die Lichtbogenführung aus 2 Bewegungen (Magnetfeldführung und Rotation der Kathode) zusammensetzt (Bild 5).

Seit der Einführung der f-Technologie im Jahre 2003 sind im Nov 2007 mehr als 80 f-Anlagen im Einsatz, bei 61 Firmen, in 29 Ländern auf 3 Kontinenten. Die Statistiken zeigen, dass man mit einem Target im Durchschnitt mehr als 200 Chargen produzieren kann. Die Chargenanzahl hängt natürlich von den abgeschiedenen Schichtarten und Schichtdicken ab. Den Weltrekord hält die Firma HAM; Sie haben 467 volle Chargen von Mikrobohrern mit einem einzigen rotierenden Ti-Target beschichtet.

Die “Universelle Kathodenkonfiguration“ (Bild 3c) ist für den absolut flexiblen Beschichtungsbetrieb entwickelt worden, um verschiedenste Schichten ohne Umrüstzeiten abzuscheiden, wobei nicht alle Kathoden zu jeder Charge gebraucht werden. So können sogar bis zu 300 Chargen mit den 3 (+1) Kathoden ohne Kathodenwechsel produziert werden. Die Targetkosten bezogen auf ein beschichtetes Werkzeug liegen dabei unter 10 ¤Cent (gerechnet für einen HM-

Fräser mit Ø8 mm):

– 505 Werkzeuge in einer Charge.

– 300*505 = 151´200 Werkzeuge in 300 Chargen; mit 5 Stunden/Charge und 4 Chargen/Tag in 75 Tagen.

– 14´263 ¤ für Wechsel von 4 Targets (LARC®: Ti, AlSi, Cr; CERC®: Al(Ti)).

– 0.093 ¤ Targetkosten / Werkzeug.

Nanocomposite Schichten mit Tripel-Struktur

Die f-Technologie ermöglicht nicht nur die flexible Veränderung der Zusammensetzung von Schicht zu Schicht, sondern auch die freie Programmierbarkeit der Stochiometrie, die Veränderbarkeit der Zusammensetzung innerhalb einer Schicht „entlang“ der Schichtdicke. Mit der Hilfe der freiprogrammierbaren Stochiometrie haben wir die neuen “Tripel-Schichten“ (TripleCoating3®) entwickelt (Bild 6).

- Die Tripel-Schichten starten mit einem Haftvermittler (z.B. Ti-TiN).

- Den Mittelblock, den Kern bildet die für allgemeine Anwendungen heute überwiegend benutzte TiAlN-AlTiN. Sie kann entsprechend der Anwendung mehr, oder weniger Al enthalten und als Multilayer-, Nanolayer- oder Gradient-Struktur abgeschieden werden.

- Die Topschicht ist eine superharte Nanocomposite-Schicht (z.B. nACo®: AlTiN/SiN), mit sehr feiner Struktur und hoher Warmbeständigkeit.

Der Vorteil der Tripel-Schichten liegt auf der Hand; man kombiniert die Vorteile der verschiedenen Schichtarten und strebt eine konstante Höchstleistung mit minimaler Streuung an (Bild 7).

D. Zusammenfassung

Die High-Tech-Industrie erwartet heute Höchstleistung von jedem Bauteil. Dazu müssen die Erzeugnisse ihren spezifischen Anwendungen entsprechend hergestellt und auch beschichtet werden. Besonders KMU’s benötigen eine Vielfalt von “dedicated“ Schichten, sehr flexibel, in kürzester Zeit und diese auch für kleine Stückzahlen. Um diesen Bedarf zu decken, wurde die hier vorgestellte, neue Beschichtungsanlage f313

– mit 3 (+1) rotierenden Zylinderkathoden ausgelegt.

– Die f313 kann dank der freiprogrammierbaren Stochiometrie in der “Universal-Konfiguration“ 30 verschiedene Schichtzusammensetzungen abscheiden und – dabei bis zu 300 Chargen ohne Kathodenwechsel produzieren.

Referenzen

[1] Veprek, S.: Ultra Hard Nanocomposite Coatings

Trends and Applications of Thin Films, Nancy, 2000

[2] Holubar, P., Jilek, M., Sima, M.: Present and Possible Future Applications of Superhard Nanocomposite Coatings, ICMCTF, ICMCTF, San Diego, 2000.

[3] Cselle, T.: Go into the New Economy, with High Performance Machining and Flexible Coating Gorham Conference, Atlanta, 2001.

[4] Morstein, M. Holubar, P., Jilek, M., Karimi, A., Cselle, T.: Nanocomposite and Nanogradient Coatings for Cutting Tools, MRS Fall Meeting, Boston, 2002

[5] Cselle, T.: In-House Beschichtung versus Lohnbeschichtung Werkstatt und Betrieb, Hanser Verlag, 6/2005

[6] Cselle, T., a. o.: Application of Coatings for Tooling – Quo Vadis?

VIP Vacuum’s Best, Wiley-Verlag, Weinheim, 2005

[7] Morstein, M., Coddet, O., Jilek, M., Lümkemann, A., Torp, B., Ruzicka, M., Cselle, T.: Rotating Arc PVD Cathode Five Years of Dependable High Performance, ICMCTF, San Diego, 200.

Artikel erschienen in WT 101 auf Seite 62.