Extrem harte Kohlenstoffschichten unter Fertigungsbedingungen abscheidbar

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Fraunhofer IWS Dresden

Dieser zyklische Prozess wiederholt sich tausendmal in der Sekunde. Aufgrund der Walzenrotation und der linearen Ablenkung des Laserstrahls über die gesamte Länge der Walze hinweg wird ein derart homogener Abtrag erreicht, dass sich Kathoden monatelang unverändert einsetzen und dabei konstante Beschichtungsbedingungen gewährleisten lassen. Bei hohen Folgefrequenzen (bis zu 1 kHz) werden industriell attraktive Beschichtungsraten von rund 1 µm in der Stunde erreicht [5].

Ein weiterer Vorteil liegt in den sehr niedrigen Prozesstemperaturen (unter 180 °C). Das ermöglicht das Abscheiden von haftfesten Schichten auch auf temperaturempfindlichen Grundwerkstoffen wie Kaltarbeitsstählen: ohne Verzug oder Härteverlust. Weil sogar mit Abscheidungstemperaturen unter 100 °C gearbeitet werden kann, eignet sich dieses Verfahren auch für die Kunststoffbeschichtung.

Abscheidungstechnik in Form eines Moduls nachrüstbar

Diese effiziente Abscheidungstechnik wurde am Fraunhofer IWS in Form eines kompakten Moduls (Laser-Arc-Modul: LAM) umgesetzt. Sie lässt sich mit Hilfe eines standardisierten Rechteckflanschs an jede handelsübliche Beschichtungsanlage andocken.

Das LAM-System besteht aus der Quellenkammer mit einer 400 mm langen Kohlenstoffwalze, aus dem Pulslaser (Nd-YAG-Laser mit Q-Switch), aus einer eigens entwickelten Pulsstromquelle und einer Steuereinheit, die einen automatisierten Betrieb der Kohlenstoffquelle gewährleistet. Dabei ist sie über eine Profibus-Schnittstelle in die Steuerung der Basisanlage eingebunden.

Diese Entwicklung hat den Vorteil, dass sich die Möglichkeiten der Basisanlage uneingeschränkt nutzen und in beliebiger Weise mit der Laser-Arc-Technik verknüpfen lassen. Das ermöglicht neuartige Schichtsysteme auf Basis der superharten DLC-Schichten (ta-C), wobei die Produktivität mit der einer klassischen Hartstoffabscheidung vergleichbar ist.

Die Markteinführung basierte auf der Integration eines LAM-Moduls in die Beschichtungsanlage Flexi-Coat 1000 des niederländischen Herstellers Hauzer Techno Coating BV. Bild 3 zeigt, wie das LAM anstelle eines Standardkathodenflansches in die Anlage integriert ist, die mittlerweile an einen industriellen Anwender geliefert wurde. Dieses Beispiel zeigt, dass der Erschließung des breiten potenziellen Anwendungsspektrum superharter DLC-Schichten (ta-C) nun nichts mehr im Wege steht.

Literatur

[1] Tietema, R., C. Strondl und T. Krug: Equipment design aspects of large scale automotive applications. Vortag 2006.

[2] Y. Yasuda, M., M. Kano, M. Mabuchi und S. Abou: Paper 2003-01-1101. SAE World Congress and Axhibition, März 2003 in Detroit/USA, March 2003, SAE International.

[3] Scheibe, H.-J.: Diamor-Schichten für die Hochgeschwindigkeits-Trockenbearbeitung von Leichtmetallen und Präzisionsbearbeitung von Buntmetallen. In: Jahresbericht 2001, Dresden: Fraunhofer-Institut Werkstoff- und Strahltechnik, S. 36–37.

[4] Brückner, A.: Abscheidung und Charakterisierung kohlenstoffbasierter PVD-Schichten auf Werkzeugen für die schmierstofffreie Aluminium- und Magnesiumblechumformung. Diplomarbeit TU Dresden 2006

[5] Scheibe, H.-J.: Superharte Kohlenstoffschichten in der Serie. JOT 2007/4.

Dr. Volker Weihnacht und Dr. Hans-Joachim Scheibe leiten die Arbeitsgruppe PVD- und Nanotechnologie am Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS) in Dresden, Dr.-Ing. Thomas Stucky ist Leiter Dünnschichttechnik der Fraunhofer-Projektgruppe im Dortmunder Oberflächen-Centrum der Thyssen-Krupp Steel AG in 44120 Dortmund.

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