Entwicklung und Einsatzqualifizierung temperatursensorischer Beschichtungssysteme zur Applikation auf Zerspanwerkzeugen

Steigende Anforderungen an den Zerspanprozess verlangen dessen grundlegende Analyse bezüglich der Auslegung sowie der Schneidstoff- und Verschleißschutzauswahl. Neben der Erfassung des Verschleißes und der Zerspankräfte ist dazu auch die Kenntnis der auftretenden Temperaturen unerlässlich, Mit Hilfe von Beschichtungen können Werkzeuge effektiv gegen Verschleiß geschützt werden. Die Nutzung des thermoelektrischen Effektes auf der Basis von Beschichtungssystemen erlaubt es neuerdings, Temperaturen im Zerspanprozess wirkstellennah zu erfassen. Insbesondere der bei handelsüblichen Thermoelementen bekannte Seebeck-Effekt liefert hierbei genaue Kenntnisse über die auftretenden Temperaturen. Gegenstand des Projektes und der damit verbundene wissenschaftliche Erkenntnisgewinn ist daher die Entwicklung und die Applikation einer neuen, auf Grundlage des Seebeck-Effektes wirkenden Dünnschichtsensorik zur prozessbegleitenden Temperaturmessung auf Wendeschneidplatten. Wissenschaftliche Bedeutung hat hier sowohl die Entwicklung einer geeigneten Beschichtungstechnologie hinsichtlich der Abscheidung und Zusammensetzung der thermoelektrischen Beschichtungen als auch eine Einsatzqualifizierung dieser Schichtsysteme in Modellversuchen und im realen Zerspanprozess (siehe Abbildung 1).

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, ein neuartiges Temperaturmesskonzept für Zerspanwerkzeuge zu erforschen und in realen Zerspanungsversuchen zu qualifizieren. Hierzu wurde eine innovative Maskentechnik entwickelt, welche es mit Hilfe eines PVD-Beschichtungsverfahrens erlaubt, dünne Leiterbahnen auf der Spanfläche von Wendeschneidplatten präzise abzuscheiden (siehe Abbildung 2). Für die so gefertigten Sensorwerkzeuge war es erforderlich, eine sichere und geeignete Kontaktierungssystematik zur Verbindung mit der weiteren Messkette sicherzustellen. Die Einsatzfähigkeit der applizierten Sensorsysteme wurde anschließend mit Hilfe verschiedener Werkstoffe im realen Drehprozess analysiert. Hierzu wurden unterschiedliche Parameterkombinationen getestet und mit thermografischen Aufnahmen sowie äquivalenten Messungen mit konventionellen Thermoelementen verglichen. Es konnte im Rahmen dieses Forschungsprojektes gezeigt werden, dass dieses Messkonzept für Grundlagenuntersuchungen hinsichtlich der Temperaturentwicklung bei Zerspanungsprozessen sehr gut geeignet ist. Aus der spanenden Bearbeitung resultiert neben dem gewollten Materialabtrag auch immer eine thermische Beeinflussung im Bereich der Wirkzone. Dieses Phänomen führt auf der einen Seite zu einem Temperaturanstieg im Werkzeug sowie andererseits auch zu einer Erwärmung im Werkstück. Die Temperaturerhöhung kann weiterhin zu unerwünschten Werkstückschädigungen führen oder auch den Werkzeugverschleiß negativ beeinflussen. Die genauen Kenntnisse der thermischen Belastungen während des Zerspanungsprozesses ermöglichen somit eine geeignete Prozessauslegung in Abhängigkeit der gewählten Bearbeitungsparameter. Temperaturmessungen im Zerspanungsprozess können darüber hinaus dazu beitragen, das Grundlagenverständnis des jeweiligen Bearbeitungsprozesses bei gegebenen Randbedingungen hinsichtlich möglicher, kritischer Temperaturentwicklungen zu erweitern. Durch dieses Wissen können zukünftige Werkzeugentwicklungen positiv beeinflusst werden. Auf der anderen Seite ist es durch ein präzises Modell zur Temperaturvorhersage im Bereich der Zerspanungszone möglich, die Prozessführung mit Blick auf einen verringerten Werkzeugverschleißes zu optimieren. Die Temperaturerfassung in Zerspanungsprozessen stellt jedoch besondere Herausforderungen an die Messtechnik. So ist es erforderlich, den vorherrschenden Umweltbedingungen die durch Verschmutzung, Vibrationen, Verschleiß sowie eingeschränkte räumliche Zugänglichkeit bestimmt sind, begegnen zu können. Eine mögliche Lösung hierzu stellt die in diesem Forschungsvorhaben neu entwickelte temperatursensitive Beschichtung dar. Dieses Beschichtungssystem erlaubt es an drei unterschiedlichen Positionen auf der Spanfläche den Temperaturverlauf während des Drehprozesses zu erfassen. Für die prozesssichere Herstellung und Anwendung dieses Beschichtungssystems sind sowohl eine geeignete Beschichtungstechnologie als auch eine prozesssichere, messtechnische Adaptierung an die restliche Messtechnik erforderlich. Während dieses Forschungsprojektes konnte eine geeignete Maskentechnik mit variablen Maskendicken entwickelt und durch einen Mikrofräsprozess gefertigt werden. Die Ermittlung geeigneter Bearbeitungsparameter für die Maskenherstellung war dabei ein wesentlicher Schwerpunkt. Die Beschichtung der Werkzeuge erfolgte mithilfe eines PVD-Verfahrens. Die Schichthaftung konnte durch Beschichten in einer Magnetronsputteranlage optimiert werden. Der abschließende Einsatz dieses Werkzeugsystems erfolgte bei der Bearbeitung unterschiedlicher Gusswerkstoffe (EN-GJL 250, EN-GJS 600) sowie eines Titanwerkstoffes (TiAl6V4). Hierbei hat sich gezeigt, dass das Messsystem eine prozesssichere Temperaturmessung ermöglicht. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens haben gezeigt, dass die prozesssichere Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen mit einer temperatursensitiven Beschichtung unter der Verwendung von Blechmasken möglich ist. Darüber hinaus konnten mit diesem Beschichtungssystem zuverlässige Temperaturmessungen während des Drehprozesses realisiert werden. Die logische Fortführung der Arbeiten ist die Adaptierung dieser Technik auf weitere Bearbeitungsverfahren. Insbesondere das Bohren ist hierbei aufgrund der nur beschränkt zugänglichen Wirkstelle sowie der hohen Prozesstemperaturen von Interesse. Des Weiteren sollte dieses Verfahren durch geeignete Isolationsverfahren für die Anwendung von Kühlschmierstoffkonzepten während der Bearbeitung zusätzlich optimiert werden. Zukünftige Forschungsvorhaben sollten die Anwendung dieser Technologie für „intelligente Werkzeugkonzepte“ weiterentwickeln, um hierdurch Werkzeuge bereitstellen zu können, welche eine temperaturgesteuerte Prozessführung ermöglichen. Auf der anderen Seite sollten weitergehende Arbeiten die neu entwickelte Messmethodik nutzen, um Temperaturdaten als Eingangs- und Validierungsdaten für Simulationen bereitstellen zu können. Die Erfassung an mehreren Messpunkten in direkter Nähe zur Wirkzone bietet als Eingangsgröße bzw. für die Verifikation von thermischen Zerspanungssimulationen ein erhebliches Potenzial.

1. D. Biermann, K. Pantke, W. Tillmann, E. Vogli: Daten von der Wirkstelle - Beschichtung von Wendeschneidplatten zur Temperaturmessung. WB Werkstatt + Betrieb, 4 (2009) 54-57.
2. D. Biermann, K. Pantke, W. Tillmann, E. Vogli: Tool coatings as thermocouple for chipping. 138th Annual Meeting and Exhibition, Supplemental Proceedings, 3 (2009) 389-393.
3. W. Tillmann, E. Vogli, J. Herper, D. Biermann, K. Pantke: Development of temperature sensor thin films to monitor turning processes. Journal of Materials Processing Technology, 210 (2010) 819-823. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.01.013
4. K. Pantke: Entwicklung und Einsatz eines temperatursensorischen Beschichtungssystems für Zerspanwerkzeuge, Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2012.
5. D. Biermann, M. Krischner, K. Pantke, W. Tillmann, J. Herper: New coating systems for temperature monitoring in turning processes. Surface and Coatings Technology, 215 (2013) 376-380. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.086

1. W. Tillmann, E. Vogli, D. Biermann, K. Pantke: Development of temperature sensor to monitor turning processes. 36th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, USA, 27. April - 01. Mai 2009.
2. D. Biermann, K. Pantke, W. Tillmann, E. Vogli: Tool coatings as thermocouple for chipping. TMS, 138th Annual Meeting and Exhibition. San Francisco, 2009.