Entwicklung einer neuen Generation beschichteter Mikrozerspanungswerkzeuge auf Basis von Nanoverschleißschutzschichten (NanoTools)

Die schützende Wirkung dünnster Schichten, ist in der Spanungstechnik seit vielen Jahren bekannt und wird seit den 1970er Jahren kommerziell in Form von Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen genutzt. Schichtwerkstoffe sind in den meisten Fällen Hartstoffe wie Oxide, Karbide oder Nitride der Metalle Titan und Aluminium, die die Lebensdauer sonst unbeschichteter Werkzeuge mehr als verdoppeln. Die Dicke der Schicht beträgt dabei nur wenige Mikrometer.

In einigen Bereichen können die Vorzüge von Verschleißschutzschichten bisher jedoch nicht genutzt werden, da die Schichten immer eine Veränderung der Werkzeugschneiden (bspw. Verrundung) mit sich bringen. Insbesondere bei Prozessen der Mikro- und Feinbearbeitung ist dies nicht zulässig, da sonst eine präzise Bauteilfertigung, mit geringsten Toleranzen, unmöglich wird. Vor diesem Hintergrund wurden schon 2011 erste Forschungsarbeiten am Institut für Produktionstechnik initiiert, die das Ziel verfolgten, eine bisher in der Werkzeugbeschichtung unbekannte Abscheidetechnologie, für die Spanungstechnik nutzbar zu machen. Dabei handelte es sich um die ALD-Technik (Atomic Layer Deposition), die bisher nur in der Mikrosystem- und der Solartechnik anzutreffen war. Mittels ALD können Hartstoffe im Dickenbereich von nur wenigen Nanometern abgeschieden werden, so dass eine unzulässige Veränderung der Schneidkanten an den Werkzeugen vermieden, die schützende Schichtwirkung jedoch zum Tragen kommt. Die Resultate der damaligen Testbeschichtungen auf Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeugen übertrafen alle Erwartungen. Im Vergleich zu bisher unbeschichteten Werkzeugen, führten die 40 nm bis 120 nm dicken Schichten zu einer Lebensdauersteigerung um bis zu 170%.

In diesem Vorhaben kooperieren drei sächsische KMU und zwei Forschungseinrichtungen, um das Einsatzgebiet der ALD-Technik – im Vergleich mit anderen Dünnschichttechnologien – klar abzugrenzen und deren Vorteile in Bezug auf spanungstechnische Applikationen herauszuarbeiten. Bei Vorliegen positiver Projektergebnisse, kann die ALD-Abscheidetechnologie in ein vollkommen neues Anwendungsfeld vordringen und so zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit sensibler Spanungsprozesse beitragen.