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Diamantähnliche Schichten (DLC) minimieren Verschleiß

Ein Konstruktionselement mit Einsparpotential
Wie DLC-Schichten vor Verschleiß schützen

Bei Werkzeugen oder Komponenten stoßen konstruktive und werkstofftechnische Möglichkeiten oft an die Grenzen des Machbaren, wenn sie hohen Belastungen ausgesetzt sind. Sind beispielsweise die Verschleißgrenzen erreicht, kommt die moderne Dünnschichttechnologie ins Spiel – sozusagen als ein erweitertes Konstruktionselement.

Dr.-Ing. Klaus Trojan, Geschäftsbereichsleiter Dünnschichttechnik bei der Pro-Beam Gruppe

Inhaltsverzeichnis

1. Basis: Die richtige Kommunikation
2. Mikrohärte über 2.500 HV
3. DLC-Beschichten als letzter Fertigungsschritt
4. Aluminium umformen ohne Schmiermittel
5. Vorteile auf einen Blick
6. Technische und wirtschaftliche Vorteile

Durch den Einsatz einer Hartstoffbeschichtung lassen sich die Oberflächeneigenschaften gezielt modifizieren und damit die Belastungsreserven der Komponenten oder Werkzeuge weiter ausbauen. Dies funktioniert aber nur dann zuverlässig, wenn die Möglichkeiten der heutigen Dünnschichttechnologie nicht nur als eine schnelle Reparaturlösung für falsch ausgelegte Bauteile erachtet werden. Sie sollten von Anfang an in die konstruktiven Überlegungen der Entwickler mit einfließen.

Denn für den Einsatz dünner Schichten als Verschleißschutz in Tribosystemen müssen die zu beschichtenden Komponenten bestimmten Anforderungen genügen. Dazu gehören die Auswahl des richtigen Werkstoffs, die notwendige Grundhärte, das Einhalten der zulässigen Rauigkeit und die Zugänglichkeit der zu beschichtenden Oberfläche.

Basis: Die richtige Kommunikation

Eine zeitnahe Kommunikation zwischen Konstrukteur und Beschichter ist daher unumgänglich für ein erfolgreiches Gesamtergebnis, bestehend aus technischer Lösung des Problems und einer auch wirtschaftlichen Umsetzung. Sind alle Voraussetzungen erfüllt, werden in einem PACVD-Niedertemperaturprozess (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) diamantähnliche Kohlenstoffschichten bei Temperaturen von weniger als 200 °C auf die Werkzeugoberflächen aufgebracht.

Vor der eigentlichen Beschichtung wird jedoch zunächst die Bauteiloberfläche in einem Argon-Plasma intensiv vorbehandelt. Der Beschuss mit schnellen Argon-Ionen im Plasma reinigt die Flächen – ähnlich wie beim Sandstrahlen, nur auf atomarer Ebene. Der Reinigungsprozess befreit die Oberflächen von jedweder Kontamination.

Mikrohärte über 2.500 HV

Im Anschluss werden Kohlenwasserstoffgase in die Vakuumkammer eingeleitet und im Plasma zerlegt. Die zur Filmbildung beitragenden Spaltprodukte kondensieren auf der Bauteiloberfläche zu einer amorphen diamantartigen Schicht („Diamond like Carbon“ – DLC). Die herausragenden Merkmale dieser im Hochvakuum hergestellten DiadurDLC-Schichten von Pro-Beam liegen unter anderem in ihrer extrem hohen Mikrohärte von über 2.500 HV, der außerordentlichen Verschleißbeständigkeit und ihren exzellenten Gleitreibungseigenschaften (μ  0,15).

Zudem haben die nur wenige Mikrometer dünnen Schichten eine sehr glatte Struktur. Mit ihnen lassen sich Präzisionsoberflächen beschichten, ohne die Rauigkeit zu verändern. Eine Nachbearbeitung der so veredelten Oberflächen ist nicht mehr erforderlich. Im Gegenteil, die Oberflächen der zur Beschichtung eingeplanten Komponenten sollten bereits endbearbeitet sein.

Pro-Beam steigt in die Additive Fertigung ein

DLC-Beschichten als letzter Fertigungsschritt

Eine Diadur-Beschichtung ist damit zwangsläufig der letzte Fertigungsschritt auf dem Weg zu einem perfekt funktionierenden Bauteil. Neben den beschichteten Komponenten oder Werkzeugen schützt sie gleichzeitig auch den unbeschichteten Gegenkörper wirksam gegen vorzeitigen Verschleiß. Untersuchungen an Ventiltriebskomponenten im Bereich der Nocken-Stößel oder Nocken-Schlepphebel-Paarung bestätigen dieses Verhalten. Je nach vorliegendem Tribosystem kann also das Beschichten von nur einem Reibpartner völlig ausreichend sein.

Beim Umformen und beim Stanzen von Aluminium eröffnen sich dem Anwender einer mit DiadurDLC-beschichteten Werkzeugoberfläche zusätzliche Vorteile. Neben den guten Verschleißschutz- und Gleitreibungseigenschaften kommt als weiteres positives Merkmal die geringe Affinität kohlenstoffbasierter Schichten zu metallischen Oberflächen zur Geltung.

Aluminium umformen ohne Schmiermittel

In der Serienfertigung von Aluminiumreflektoren zeigen DiadurDLC-beschichtete Werkzeuge wie Prägestempel und Ziehringe ihr enormes Potential. Wo früher nach jedem zweiten oder dritten Umformvorgang die Werkzeugoberfläche von Aluabrieb – Kaltaufschweißung – gereinigt werden musste, kann heute im Dreischichtbetrieb mühelos produziert werden. Im Falle facettierter Prägestempel werden gleichzeitig die Standzeiten der aufwendig hergestellten Facettenschliffe erhöht, was ein bemerkenswertes Beispiel für die oftmals multifunktionalen Eigenschaften moderner PACVD-Schichten ist.

Verschleißschutz, Reibminimierung und Anti-Haft-Wirkung kommen hier in idealer Weise zusammen. Auch im Automobilsektor, wo der Kostendruck besonders hoch ist, zeigen beschichtete Umformwerkzeuge deutliche Standzeitvorteile und belegen damit ein hohes Einsparpotential, wenn es um die völlig schmiermittelfreie Produktion von Alu-Blenden und Zierleisten für das Interieur von hochpreisigen Fahrzeugen geht.

Elektronenstrahlschweißen von Pro-Beam überwindet Konstruktionshürden

Vorteile auf einen Blick

  • Die Qualität der umgeformten Alukomponenten wird deutlich verbessert und gleichzeitig die Produktivität gesteigert. Der Teileausschuss wird minimiert und bedingt durch den Wegfall der Werkzeugkonditionierung wird die Anzahl gefertigter Teile pro Zeiteinheit erhöht.
  • Als Folge des reduzierten Werkzeugverschleißes sinken die Fertigungskosten. Aufgrund von seltenerem Werkzeugwechsel gehen die Maschinenstillstände zurück sowie die Häufigkeit beziehungsweise Notwendigkeit einer kompletten Werkzeugüberholung.
  • Durch Minimieren des Schmiermitteleinsatzes – oder im Einzelfall sogar durch den Verzicht – verringern sich die Stückkosten in der laufenden Serie. Die Kosten für eine aufwendige Nachreinigung der umgeformten Teile oder für das Schmierstoffmanagement (Anschaffung, Verwaltung, Lagerung bis hin zur nachweispflichtigen Entsorgung) reduzieren sich oder entfallen komplett.
  • Ein schöner Nebeneffekt ist die Entlastung der Umwelt durch Minimierung der eingesetzten Rohstoffressourcen. Im Rahmen der Ökobilanz von Produktionsbetrieben fließt dieser Faktor auch in die Bewertung der Arbeitsprozesse ein.

Technische und wirtschaftliche Vorteile

Die beschriebenen Schichteigenschaften – hohe Mikrohärte gepaart mit niedriger Gleitreibung und einer ausgeprägten Anti-Haft-Wirkung gegenüber Metalloberflächen – sind typisch für diamantähnliche Kohlenstoffschichten. Sie sind ideal geeignet, um sich gegeneinander bewegende Komponenten vor Verschleiß und vorzeitigem Versagen zu schützen.

Gleichzeitig bringen die Erhöhung der Prozesssicherheit und die Steigerung der Effizienz von Fertigungsprozessen die erhofften wirtschaftlichen Vorteile für den Kunden. Das Spektrum möglicher Anwendungen ist äußerst vielfältig und erstreckt sich von der Automobil-, Werkzeug- und Konsumgüterindustrie bis hin zur Medizintechnik.

Weitere Details zum Verschleißschutz per DLC-Beschichtung:
hier.pro/mFjs0

Kontakt:
Pro-Beam GmbH & Co. KGaA
Zeppelinstraße 26
82205 Gilching
Tel. +49 89 899 233–0
www.pro-beam.com



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