|
3 Kathoden - 30 Schichten - 300 Chargen ohne Kathoden- oder Targetwechsel T. Cselle, A. Lümkemann, M. Morstein, J. Prochazka PLATIT AG, Grenchen, Schweiz
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.
Zuruck zur Inhaltsverzeichnis Heft Nummer 101