Ziel der Entwicklung
Die Entwicklung wurde durch den steigenden Bedarf der Industrie an leistungsfähigeren Werkzeugbeschichtungen motiviert, insbesondere für Anwendungen, bei denen hohe thermische Belastungen und schwer zerspanbare Werkstoffe zu erheblichen Kosten, Qualitätsproblemen und Prozessinstabilitäten führen. Unternehmen aus der Luftfahrt-, Automobil-, Energie- und Medizintechnik sehen sich zunehmend mit Werkstoffen wie Nickelbasislegierungen, rostfreien Stählen oder Titanlegierungen konfrontiert, die hohe Temperaturen und ausgeprägten Diffusions- sowie Oxidationsverschleiß verursachen. Konventionelle Hartstoffschichten wie AlTiN- oder AlCrN-Systeme stoßen dabei an ihre Grenzen, da sie zwar mechanisch robust sind, aber kaum Möglichkeiten bieten, die Wärmeentwicklung gezielt zu beeinflussen oder die thermische Stabilität des Schneidprozesses zu verbessern.
Der wirtschaftliche Impuls für das Vorhaben entstand somit aus der Forderung nach Werkzeuglösungen, die einerseits hohe Härten und Verschleißbeständigkeit aufweisen, andererseits aktiv zur Temperaturreduktion und Prozessstabilisierung beitragen. Vorwiegend kleine und mittelständische Werkzeughersteller signalisierten einen unmittelbaren Bedarf an Beschichtungen, die eine bessere Performance bei hohen Temperaturen ermöglichen, ohne dass umfassende Investitionen in neue Fertigungstechnologien notwendig werden müssen.
Das Projekt setzt an dieser Stelle an: Durch die gezielte Einlagerung von Sauerstoff in PVD-Schichtsysteme und die Entwicklung hybrider Multilayer-Architekturen sollten neuartige Funktionsschichten entstehen, die thermisch stabiler sind, geringere Bearbeitungstemperaturen ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Verschleißbeständigkeit beibehalten. Ziel war es, sowohl tribologische Vorteile, reduzierte Reibung und geringere Diffusionsneigung, als auch prozesstechnische Vorteile zu erzielen, etwa verbesserte Temperaturführung und reduzierte Eigenspannungen.
Damit adressierte das Projekt ein zentrales industrielles Problem: die wirtschaftlichen Verluste, die durch kurze Standzeiten, häufige Werkzeugwechsel, fehlerhafte Bauteile und ineffiziente Bearbeitungsparameter entstehen.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Werkzeugbeschichtungen in thermisch hochbelasteten Zerspanprozessen zu erhöhen. Der zentrale Lösungsweg basiert auf der gezielten Einlagerung von Sauerstoff in nitride Hartstoffschichten, um deren thermisches Verhalten und Verschleißmechanismen zu beeinflussen. Durch diese Modifikation entsteht eine Funktionserweiterung der Schichten, die über rein mechanische Optimierung hinausgeht und insbesondere die Temperaturentwicklung im Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert. Dies führt zu stabileren Prozessen und einer geringeren thermischen Belastung des Werkzeugs.
Erreicht wurde dieses Ziel durch eine systematische Variation der Schichtzusammensetzung und der Prozessbedingungen während der Beschichtung. Verschiedene Varianten mit unterschiedlichem Mischungsverhältnis von Aluminium und Chrom sowie abgestufter Sauerstoffzugabe wurden abgeschieden und in mehreren Schritten optimiert. Ergänzend wurden hybride Schichtaufbauten entwickelt, die sauerstoffhaltige Lagen mit konventionellen nitridischen Deckschichten kombinieren. Diese Kombination verbessert die Verschleißbeständigkeit und ermöglicht gleichzeitig, die positiven Effekte des Sauerstoffs auf die Temperaturreduktion zu nutzen.
Zu den wesentlichen Entwicklungsschritten gehörten umfangreiche Laboruntersuchungen zur Bestimmung von Härte, Eigenspannungen, Struktur und Wärmeleitfähigkeit sowie tribologische Prüfungen. Zusätzlich wurden Zerspanversuche durchgeführt, um das Verhalten unter realen Belastungen zu analysieren. Die Messungen zeigten, dass die neuen Schichten zu einer spürbaren Senkung der Prozesstemperaturen führen. In einigen Varianten konnte eine Verringerung der Temperatur um bis zu 20 % nachgewiesen werden. Die Schichten blieben dabei stabil und zeigten eine gleichmäßige Struktur, was für den Einsatz im industriellen Umfeld entscheidend ist.
Parallel dazu wurde geprüft, wie sich die Änderungen der Schichtstruktur auf den Verschleiß auswirken. Es zeigte sich, dass einige sauerstoffhaltige Varianten zwar weichere Bereiche aufweisen, dass jedoch durch mehrlagige Systeme und abgestimmte Kombinationen mit sauerstofffreien Deckschichten eine hohe mechanische sowie thermische Beständigkeit erreicht werden kann. Auf diese Weise entstand ein ausgewogenes Schichtdesign, das die Vorteile beider Ansätze verbindet.
Der entwickelte Lösungsansatz bietet damit eine klar nachvollziehbare und für Anwender relevante Verbesserung. Die neuen Schichten tragen dazu bei, Werkzeugstandzeiten zu erhöhen, Prozesse zu stabilisieren und die Bearbeitungskosten zu senken. Da weder komplexe Spezialtargets noch außergewöhnliche Prozessparameter erforderlich sind, lassen sich die Beschichtungen ohne große Anpassungen in bestehende industrielle Anlagen integrieren. Somit entsteht eine technisch robuste und wirtschaftlich attraktive Lösung für Unternehmen, die Werkzeuge in anspruchsvollen Hochtemperaturprozessen einsetzen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die im Projekt entwickelten sauerstoffhaltigen und hybriden PVD-Schichtsysteme richten sich primär an den Markt für Hochleistungswerkzeuge in thermisch stark beanspruchten Bearbeitungsprozessen. Relevante Zielgruppen sind Werkzeughersteller, industrielle Beschichtungsunternehmen sowie Endanwender in der Luftfahrt-, Automobil-, Energie- und Medizintechnikindustrie, in denen schwer zerspanbare Werkstoffe unter anspruchsvollen Prozessbedingungen eingesetzt werden. Diese Branchen profitieren von den neuen Schichtsystemen durch verlängerte Werkzeugstandzeiten, reduzierte Ausschussraten, höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und teilweise geringeren Kühlschmierstoffeinsatz, wodurch sowohl Produktivität als auch Wirtschaftlichkeit gesteigert werden können.
Der Transfer der Forschungsergebnisse erfolgt auf mehreren Ebenen. Werkzeughersteller und Beschichtungsdienstleister können die entwickelten Schichtsysteme direkt in ihren Produktionsprozessen einsetzen, während die GFE Schmalkalden e.V. als gemeinnützige Forschungseinrichtung zusätzlich Know-how, Musterbeschichtungen und Applikationsentwicklung bereitstellt. Präsentationen auf Fachmessen (z. B. Schmalkalder Werkzeugtagung und Plansee Seminar), Publikationen in Fachzeitschriften, Vorträge in Arbeitskreisen sowie die Einbindung in bestehende Branchennetzwerke wie LongRunCycle oder regionale Cluster wie FerMeTh ermöglichen eine breite Dissemination der Ergebnisse.
Die wirtschaftlichen Effekte erstrecken sich sowohl auf die Einrichtung als auch auf die Industriepartner. Für die GFE werden initial Umsätze über Dienstleistungen und F&E-Aufträge von etwa 130.000 € erwartet, während die Industriepartner von höheren Umsätzen und Kosteneinsparungen profitieren. Werkzeughersteller können qualitativ höherwertige Werkzeuge zu höheren Preisen anbieten, Endanwender sparen durch verlängerte Standzeiten und geringeren Werkzeugverbrauch geschätzt 20 %, und Beschichtungsdienstleister sowie Anlagenhersteller erleben steigende Nachfrage. Erste Anwendungen der Naco-OXI-Schichten in Pilotbeschichtungen bestätigen das Potenzial der Technologie, die Produktivität zu erhöhen und die Bearbeitungsqualität unter hohen thermischen Belastungen zu verbessern.
