Sputtern & HiPIMS: Was ist das?

Beschichtungstechnologien für Zerspanungswerkzeuge: Sputtern und HiPIMS im Detail

In der modernen Zerspanungstechnik spielen Beschichtungen eine entscheidende Rolle, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Werkzeugen zu maximieren. In diesem umfassenden Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte über die Beschichtungstechnologien Sputtern und HiPIMS, ihre Funktionsweise, Vorteile und konkrete Anwendungsbeispiele. Diese Technologien sind besonders für Zerspanungsanwender relevant, die für die Instandhaltung von CNC-Werkzeugen und die Effizienz der Produktionsprozesse verantwortlich sind.

Sputtern – Grundlagen und Vorteile

Funktionsweise des Sputterns

Sputtern, auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet, ist ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD). Dabei wird Material von einem festen Target durch den Beschuss mit Ionen in die Gasphase überführt und anschließend auf dem Substrat, beispielsweise einem Zerspanungswerkzeug, abgelagert.

1. Plasmaerzeugung: Ein Plasma wird in einer Argon-Atmosphäre erzeugt, indem ein elektrisches Feld angelegt wird. Die erzeugten Ionen, oft Argonionen, sind für den Beschichtungsprozess von zentraler Bedeutung.
2. Ionenbeschuss: Die Argonionen werden auf das Target beschleunigt, wodurch Atome oder Moleküle aus dem Target herausgeschlagen werden. Dieser Prozess der Kathodenzerstäubung sorgt für eine gleichmäßige Materialabtragung. Dabei wird oft ein Magnetron verwendet, um das Plasma zu stabilisieren und zu konzentrieren.
3. Materialübertragung: Diese herausgeschlagenen Atome oder Teilchen kondensieren auf dem Substrat und bilden eine dünne, gleichmäßige Schicht. Dieser Vorgang wird auch als Sputterdeposition bezeichnet.

Technologische Vorteile des Sputterns

• Hohe Haftfestigkeit: Durch die hohe Energie der beschleunigten Ionen entsteht eine sehr feste Bindung zwischen Schicht und Substrat. Tests haben Haftungskräfte von bis zu 100 N nachgewiesen.
• Glatt und dropletfrei: Die beim Sputtern erzeugten Schichten sind extrem glatt und frei von Droplets. Dies reduziert die Reibung und verlängert die Standzeit der Werkzeuge erheblich. Die Oberfläche der beschichteten Werkzeuge spielt dabei eine wesentliche Rolle.
• Niedrige Eigenspannungen: Die Schichten weisen niedrige Eigenspannungen auf, was es ermöglicht, dickere Schichten aufzutragen und somit die Lebensdauer der Werkzeuge weiter zu verlängern.
• Materialvielfalt: Es können verschiedene Materialien und Materialkombinationen verwendet werden, was eine Anpassung der Schichteigenschaften an spezifische Anforderungen erlaubt. Diese Flexibilität im Verfahren ist ein großer Vorteil.

Anwendungen und praktische Vorteile

Die Sputtertechnologie findet Anwendung in einer Vielzahl von Werkzeugen:

• Bohrer und Fräser: Durch die glatte Oberfläche und die hohe Haftfestigkeit wird die Lebensdauer der Werkzeuge verlängert und die Schnittqualität verbessert. Dies ist besonders bei der Bearbeitung harter Materialien von Vorteil.
• Gewindewerkzeuge: Die reduzierte Reibung und die hohe Haftfestigkeit führen zu präziseren Gewinden und geringerer Wärmeentwicklung. Die hohe Qualität der Gewinde resultiert in besseren Verbindungseigenschaften.
• Spezialwerkzeuge: Auch komplexe Geometrien können gleichmäßig beschichtet werden, was die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge erhöht.

Die KANNE Werkzeugtechnik GmbH nutzt seit über einem Jahrzehnt die Sputtertechnologie, um Premium-Hartstoffschichten zu erzeugen. Die kontinuierliche Zusammenarbeit mit dem Qualitätsanbieter CemeCon hat zu einer stetigen Verbesserung der Schichteigenschaften geführt, was die Werkzeuge noch leistungsfähiger und langlebiger macht. Die Verwendung von verschiedenen Targetmaterialien ermöglicht es, spezifische Schichtanforderungen zu erfüllen und somit die Effizienz der Werkzeuge zu maximieren.

HiPIMS – High Power Impulse Magnetron Sputtering

Funktionsweise von HiPIMS

HiPIMS ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Sputterns und kombiniert dessen Vorteile mit einer höheren Energieeffizienz und verbesserten Schichteigenschaften.

1. Intensive Leistungspulse: Die Leistungspulse erreichen Spitzenwerte, die weit über den kontinuierlichen Leistungen herkömmlicher Sputterverfahren liegen. Diese Pulsenergie ist entscheidend für die Effizienz des Beschichtungsprozesses.
2. Hohe Ionisation: Durch die hohen Energiepeaks wird eine nahezu vollständige Ionisation der abgetragenen Atome erreicht. Dies führt zu einer verbesserten Schichtqualität und erhöhten Haftfestigkeit.
3. Materialübertragung: Die ionisierten Atome kondensieren auf dem Substrat und bilden extrem dichte und kompakte Schichten. Diese Dichte ist besonders wichtig für die Verschleißfestigkeit der Schicht.

Vorteile von HiPIMS

• Erhöhte Dichte und Kompaktheit: Die Schichten sind dichter und kompakter als bei herkömmlichen Sputterverfahren, was die Verschleißfestigkeit erhöht. Diese Dichte trägt zu einer längeren Lebensdauer der Werkzeuge bei.
• Exzellente Haftung: Die hohe Ionisation führt zu einer außergewöhnlich starken Haftung der Schicht am Substrat, was die Belastbarkeit der Werkzeuge verbessert. Diese starke Haftung ist besonders wichtig für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen.
• Gleichmäßige Beschichtung komplexer Geometrien: Selbst Werkzeuge mit komplexen Geometrien können gleichmäßig beschichtet werden, was die Vielseitigkeit der HiPIMS-Technologie unterstreicht. Dies ist besonders vorteilhaft für Spezialwerkzeuge.
• Flexible Materialkombinationen: HiPIMS ermöglicht die Kombination nahezu aller Elemente des Periodensystems, was maßgeschneiderte Schichteigenschaften erlaubt. Diese Flexibilität ist ein großer Vorteil für spezielle Anwendungen.
• Erhöhte Härte und Zähigkeit: Die resultierenden Schichten sind nicht nur extrem hart, sondern auch zäh, wodurch sie selbst bei hohen Beanspruchungen stabil bleiben. Dies ist besonders wichtig für die Bearbeitung von hochfesten Materialien.

Anwendungsbeispiele und Praxisnutzen

Die HiPIMS-Technologie bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in der Zerspanung:

• Hartmetallwerkzeuge: HiPIMS-beschichtete Hartmetallwerkzeuge weisen eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von abrasiven Materialien. Die hohe Dichte und Kompaktheit der Schichten tragen zu einer längeren Lebensdauer bei.
• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung: Die hohe Dichte und Kompaktheit der Schichten machen sie ideal für Anwendungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten. Dies erhöht die Effizienz und Produktivität in der Fertigung. Die Fähigkeit, gleichmäßige Schichten auf komplexen Geometrien zu erzeugen, ist ein weiterer Vorteil.
• Komplexe Werkzeuggeometrien: Werkzeuge mit komplizierten Formen können gleichmäßig und effektiv beschichtet werden, was die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Werkzeuge erhöht. Diese gleichmäßige Beschichtung ist besonders wichtig für Spezialwerkzeuge.

Die HiPIMS-Technologie vereint die Vorteile aller gängigen Beschichtungsverfahren und setzt neue Maßstäbe in der Beschichtungstechnologie für Zerspanungswerkzeuge. Die KANNE Werkzeugtechnik GmbH ist stolz darauf, Ihnen diese fortschrittliche Technologie anbieten zu können und Ihnen bei der Auswahl und Anwendung der besten Beschichtungstechnologie für Ihre Bedürfnisse zu unterstützen.

Zukunftsperspektiven der Beschichtungstechnologien

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Sputter- und HiPIMS-Technologien verspricht auch in Zukunft erhebliche Verbesserungen und Innovationen. Forscher und Ingenieure arbeiten daran, die Schichtdicken und -zusammensetzungen weiter zu optimieren, um spezifische Anforderungen noch besser erfüllen zu können. Dies könnte beispielsweise die Entwicklung noch härterer und widerstandsfähigerer Schichten umfassen oder die Einführung neuer Materialien und Materialkombinationen ermöglichen. Zukünftige Innovationen könnten auch die Effizienz der Beschichtungsverfahren weiter steigern und neue Anwendungsbereiche erschließen.

Durch die Verbesserung der Beschichtungstechnik können weitere Fortschritte in der Effizienz und Leistungsfähigkeit der Werkzeuge erzielt werden. Die Verwendung moderner Vakuumkammern und die Optimierung der Gasentladung in diesen Kammern werden zu einer verbesserten Schichtqualität führen. Auch die kontinuierliche Verbesserung der Elektronen- und Gasionen-Beschleunigung wird die Effizienz der Beschichtungsprozesse steigern.

Fazit: Ihre Vorteile durch fortschrittliche Beschichtungstechnologien

Sputtern und HiPIMS bieten erhebliche Vorteile für die Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen. Sie tragen maßgeblich dazu bei, die Effizienz und Langlebigkeit Ihrer Werkzeuge zu steigern und somit Ihre Produktionsprozesse zu optimieren. Die KANNE Werkzeugtechnik GmbH ist Ihr kompetenter Partner für Premium-Beschichtungen und steht Ihnen mit modernster Anlagentechnik und langjähriger Erfahrung zur Seite.

Für weitere Informationen und individuelle Beratung stehen wir Ihnen jederzeit zur Verfügung. Kontaktieren Sie uns und profitieren Sie von unserer Expertise in der Beschichtungstechnologie. Lassen Sie uns gemeinsam die besten Lösungen für Ihre Zerspanungswerkzeuge finden und deren Leistungsfähigkeit maximieren.