Moderní PVD povlakovací centrum

Na přínosy PVD povlaků na nástrojích a jiných substrátech si již uživatelé v našem průmyslu zvykli. Zvykli si také na to, že existuje poměrně široký sortiment povlaků, navíc připravovaných odlišnými PVD technologiemi. Zvykli si i na to, že jsou nebo mohou být značné rozdíly v cenách, kvalitě a reprodukovatelnosti PVD povlaků, jakož i v jejich dodacích termínech. Na co si naopak ještě nezvykli, je skutečnost, že služba povlakovacího centra může obsahovat i něco navíc než samotný povlak. Se všemi zmíněnými faktory totiž souvisí komplexnost služby povlakovacího centra, přičemž jde o to, jaké technologické kroky zahrnuje nebo může zahrnovat celá služba, jaká je logistika výroby, jaká je kontrola, jak funguje obchodní služba včetně distribuce a jaká je komunikace mezi zákazníkem a povlakovacím centrem.

Celý cyklus výroby je patrný ze schématu na obrázku. Na tomto cyklu je možné ukázat, co zahrnují jednotlivé kroky a jaké jsou na ně kladeny nároky.

Příjem a expedice

Celý proces příjmu, výroby, kontroly a expedice je nezbytné řídit vhodným řídicím a informačním systémem. Na příjmu a vstupní kontrole, která je jeho součástí, jsou nástroje či dílce zákazníka identifikovány a je jim přidělena technologie se všemi nezbytnými kroky. Výstupem je průvodka a plán výroby. Průvodky doprovázejí zakázku v průběhu celého cyklu, zatímco plán slouží řídicím pracovníkům ve výrobě.

Příjem značně urychluje a zároveň zkvalitňuje systém dodacích či zakázkových listů dohodnutý se zákazníkem a případně využívání čárových kódů. K tomu je zapotřebí úzké spolupráce a komunikace mezi zákazníkem a centrem. Celý proces sledování výroby pak vhodně doplňuje automaticky generovaná informace o přijetí zakázky, která je zasílána zákazníkovi e-mailem. Zákazník tak získává cennou informaci o své zakázce. Součástí příjmu je i vstupní kontrola, která se snaží odhalit problémové nástroje nebo nedostatky v doprovodné dokumentaci.

Celý proces sledování průběhu zakázky a jednoznačná osobní odpovědnost konkrétních pracovníků za dílčí kroky vede ke zkvalitnění celé služby.

Úpravy před povlakem

Jako první technologický krok jsou voleny úpravy nástrojů před povlakováním. V prvé řadě to může být hrubé odmaštění nástrojů či odstranění některých hrubých nečistot - jde spíše o ruční práci. Druhým krokem může být chemický způsob stahování starých povlaků z nástroje. Tento krok se volí jen v některých případech a může být navržen jak zákazníkem, tak i centrem.

Další kroky předúpravy jsou mechanické úpravy, které mají za cíl odstranit některé nečistoty z povrchů, ale především jsou to již úpravy vedoucí ke zlepšení užitných vlastností nástroje. Jde o různé způsoby ruční mechanické úpravy břitů a povrchů nástrojů pomocí abrazivních textilií, kartáčováním, suchým i mokrým pískováním a omíláním v abrazivu. Technologie mechanických úprav před povlakováním nástrojů dnes v různé míře používá např. v Německu více jak 80 % výrobců nástrojů či povlakovacích center.

V povlakovacím centru ale musí být součástí těchto úprav i nějaký způsob ověřování reprodukovatelnosti. K tomu slouží běžná optická měření, elektronový mikroskop a moderní optické měřicí přístroje pro měření zaoblení, nerovností břitů atd. Pro konkrétní typy řezných nástrojů pak lze využít experimentálně ověřené optimalizace zaoblení břitů pro dosažení jejich maximálních užitných vlastností. Stejně to platí i pro úpravy drsnosti povrchů u některých nástrojů či dílců.

Mytí

Kvalitní mytí nástrojů před povlakováním je nezbytnou podmínkou dobré adheze nanášených povlaků. Obecně lze říct, že všechny používané metody využívají mokré lázně, ultrazvuk, mírně zvýšenou teplotu, kvalitní oplachy a následné sušení. Přesto, že tyto kroky jsou prakticky uplatněny ve všech mycích zařízeních a linkách, mohou se značně lišit podle dosažené úrovně know-how, kvality technického vybavení, údržby a sledování všech pracovních parametrů, použitých chemikálií a také podle způsobu sušení v závěru celé operace. Rychlé osušení nástrojů má zásadní vliv na adhezi a případnou tvorbu „map" na povrchu. Nejčastěji jsou používány jednokomorové myčky a ultrazvukové linky. Výhodou jednokomorových systémů je ekologie, produktivita, minimální vliv na pracovní prostředí a výborná reprodukovatelnost technologie s možností automatického řízení celého procesu. Výhodou ultrazvukových linek může být větší flexibilita a adaptabilita na případy vyžadující individuální přístup.

Nakládání

Po procesu mytí následuje operace nakládání nástrojů do držáků. Pro zajištění rovnoměrného nanášení PVD povlaků je potřeba s nástroji rotovat, a to v jedné, ve dvou nebo ve třech osách. Je nutné zároveň zajistit vodivý kontakt s držákem. Pro vytváření nanovrstevných struktur je například nezbytná trojosá rotace. Také vzdálenost povlakovaných nástrojů od katod, ze kterých je materiál povlaku nanášen, hraje důležitou roli. Držáky samozřejmě pracují v procesu za vysokých teplot do 600 °C. Proto i v tomto zdánlivě banálním kroku celého procesu je ukryto cenné know-how každého centra s přímým vlivem na kvalitu a reprodukovatelnost výroby. Aby byl nástroj povlakován optimálně, musí centrum komunikovat se zákazníkem, upřesňovat způsob jeho použití a tomu přizpůsobit také jeho umístění a pohyby v povlakovací komoře.

PVD proces

O různých metodách povlakování byla publikována řada článků i v tomto časopise. My se zaměříme jen na logistiku a spolehlivost procesů. Pro povlakovací centra, která mají zajišťovat velmi krátké dodací termíny a přitom musí nabízet široký sortiment povlaků, je flexibilita povlakovacích zařízení a jejich vhodná kapacita zásadní otázkou. Požadované dodací termíny jsou od 1 do 2 až 3 dnů. Nástroje mohou být z různých materiálů, jako např. HSS či tvrdokov, na které se uplatňuje různý PVD proces. Nástroje mohou mít zásadně odlišný geometrický charakter, který znemožní povlakovat je ve stejném procesu. Požadavky na různé typy PVD povlaků se mohou značně lišit podle aplikací a případně specifických požadavků zákazníka nebo až koncového uživatele. Také požadavky na tloušťku povlaků mohou být různé, přestože existují určitá obecně platná doporučení.

Všechny tyto požadavky znamenají zajistit dostatečný počet povlakovacích zařízení s menší až střední kapacitou, optimalizovat způsoby nakládání do držáků, optimalizovat délky procesů a zajistit rychlý, ale kvalitní průběh nástrojů celým cyklem výroby.

U povlakovacích zařízení se tedy klade především nárok na velkou flexibilitu, což v praxi znamená možnost připravovat velkou škálu povlaků bez větších zásahů do zařízení mezi jednotlivými procesy. Povlakovací zařízení musí být řízeno plně automatickým způsobem s dokonalou kontrolou všech parametrů procesu. Údržba zařízení musí být jednoduchá, rychlá a snadno kontrolovatelná. Musí existovat dlouhodobá i okamžitá podpora HW i SW, což znamená přítomnost techniků nebo zajištění vzdáleného přístupu k diagnostice zařízení.

Pro dlouhodobé udržení technologie na stejné úrovni a možnosti uplatnění nových poznatků v PVD technologiích musí existovat možnost modernizace a technologické podpory povlakovacího zařízení. To se dá zajistit vlastními silami, pokud má centrum vlastní výzkum a vývoj, nebo v kooperaci s dodavatelem zařízení, který takovou službu nabízí.

Kontrola

Zkontrolovat kvalitu PVD povlaků není snadné, ale z výrobního hlediska není nutné provádět do detailů pro každý technologický proces. V případě kvalitního sledování procesních parametrů je vhodné měřit v zásadě pouze adhezi a optický vzhled. Na adhezi má vliv prakticky každý krok celého výrobního cyklu, proto je vhodné ji měřit pravidelně na speciálních vzorcích vložených do procesů. Vizuálně jsou kontrolovány všechny povlakované nástroje. Pro určité aplikace je doporučeno měřit v běžné výrobě i drsnost povlaků.

Jinak se v určitých intervalech měří všechny důležité vlastnosti PVD povlaků - tloušťka, drsnost, adheze, tvrdost, složení a případně se provede ověření řeznou zkouškou. Taková měření pak slouží k dlouhodobému sledování stability nastavených parametrů celého procesu, mohou sloužit jako podklad ke kalibraci povlakovacích zařízení nebo jako certifikát pro zákazníka. Nezbytné vybavení pro taková měření představuje velmi dobře vybavenou laboratoř - kalotest, scratch test, Rockwell, drsnoměr, mikrotvrdoměr, optické mikroskopy, elektronový mikroskop se sondou EDX, metalografickou laboratoř, zkušební CNC obráběcí centrum atd.

Výstupem běžné i mimořádné kontroly je vždy protokol či záznam z informačního systému, který může případně doprovázet zakázku.

Expedice

Na konci celého cyklu stojí expedice povlakovaného nástroje. V této etapě se musí ověřit všechny výstupy z výroby a kontroly, provede se ještě zběžná vizuální kontrola, nástroje se zabalí do vhodných obalů a připraví se nezbytná dokumentace. Příprava dokumentace je automatizovaný úkon, který byl nastartován během příjmu a doplňován průběžně během výrobního cyklu v informačním systému. Zákazník je závěrem také informován e-mailem o odeslání zakázky. Pokud systém funguje takto automaticky, urychluje opět průběh celé zakázky.

Závěr

Povlakovací centrum není jen povlakovací zařízení. Povlakovací centrum musí zajišťovat, a to v logisticky dobře zorganizovaném systému, větší škálu úprav a kontroly a musí především komunikovat se zákazníkem, případně s koncovým uživatelem povlakovaného nástroje či dílce. Jen tak lze dosáhnout optimálních výsledků a navíc uspokojit zákazníka termínově a reprodukovatelnou kvalitou nabízených služeb.

RNDr. Pavel Holubář

Roman Janků

//www.shm-cz.cz/

janku@shm-cz.cz