Während in der Metallbearbeitung seit längerem physikalisch abgeschiedene Hartstoffschichten gebräuchlich sind, ist dies für die Holzbearbeitung bisher nicht der Fall. Dabei lassen sich durch das Auftragen von angepassten Hartstoffschichten die Standzeiten der Werkzeuge um bis zu 500 % erhöhen. Dafür werden einerseits die Schneiden der Werkzeuge mechanisch bearbeitet, um beispielsweise schlecht haftende Karbidbereiche zu entfernen, und damit den bestmöglichen Haftgrund für die Beschichtung zu erzielen. Andererseits wird durch eine Doppelbeschichtung die thermische und mechanische Belastbarkeit der Schneiden deutlich erhöht.
Innovative Cutting Blade Coatings for Heavy-Duty Woodworking Machinery – Development Status and Prospects
Whereas physically applied hard coatings have long been used in metalworking machinery, this has not, until recently, been true for woodworking machines. When such coatings are applied, tool lifetime can be increased by up to 500%. In such cases, the cutting blade is first mechanically finished, e.g. to remove poorly adherent carbide residues thus providing the best possible basis for the subsequent coating. Use of a duplex coating significantly increases the thermal and mechanical performance of such cutters.
Anders als in der Metallverarbeitung sind PVD-Hartstoffbeschichtungen für Schneiden in der Massivholzzerspanung kaum verbreitet. Dies liegt einerseits daran, dass in der Vergangenheit stets für die Metallbearbeitung entwickelte Schichten in der Holzbearbeitung eingesetzt wurden, ohne den mit dem Material Massivholz verbundenen Anforderungen ausreichend Rechnung zu tragen: Entsprechend bescheiden waren die dadurch gewonnenen Standzeitgewinne. Andererseits zeigten viele Werkzeughersteller und -händler wenig Interesse, in diesem Bereich die Forschung voranzutreiben, da hochentwickelte Beschichtungen den mit Ersatzschneiden erzielten Gewinn schmälern. Seit kurzer Zeit gibt es nun speziell für die Massivholzzerspanung entwickelte Beschichtungen, die eine vielversprechende Performance zeigen. Dazu wird nachfolgend ein Überblick zum Stand der Forschung am Beispiel der schweizerischen Fensterbauindustrie geboten.
Ausgangslage: Zerspanungswerkzeuge in der Fensterbauindustrie
Bei der Herstellung von Holzfenstern müssen in schweizerischen Betrieben höchste Qualitätsansprüche erfüllt werden. Dies gilt sowohl für die Passgenauigkeit von Profilen sowie für die angestrebte Oberflächenqualität des Holzes, welche möglichst ohne manuelle Arbeit erreicht werden soll. Entsprechend hoch sind auch die Anforderungen an Maschinen, Werkzeuge und die darauf montierten Schneiden.
In der Fensterbauindustrie ist eine breite Palette von Schneiden zur Bearbeitung der Kanteln und Erstellung der Profile im Einsatz. Primär handelt es sich dabei um Profil- und Wendeschneiden, Vierecksschneiden und diverse Hobelmesser. Die Schneiden sind normalerweise aus Hartmetall mit Kobaltanteilen zwischen 4 % und 12 %. In diversen Anwendungen, vor allem bei Hobelmessern, ist auch HSS verbreitet.
Bei der Aufnahme der Forschungstätigkeit im Jahr 2010 waren Beschichtungslösungen in der Fensterbauindustrie zwar vorhanden, wurden in der Praxis jedoch kaum verwendet. Diese Beschichtungen basierten auf dem Konzept, dass von Profil- und Wendeschneiden (Abb. 1) nur die Spanfläche beschichtet wird, während die erst später geschliffene Schneidkante aus blankem Hartmetall bestand. Dieses Konzept wurde aus drei Gründen gewählt:
- Eine Beschichtung vor dem Schleifen war für die Produktion die kostengünstigere Lösung und wurde deshalb von Werkzeugherstellern bevorzugt.
- Es dominierte die Theorie, dass sich die Schneide durch die reine Beschichtung der Spanfläche während ihres Einsatzes fortlaufend nachschärft.
- Es bestand die Herausforderung, dass durch die Beschichtung der Schneidkante Adhäsionsprobleme auftraten, in Folge derer die Beschichtung durch die Belastung in der Produktion abplatzte.
Abb. 1: Beispiele von Profil- und Wendeschneiden für die Produktion von Holzfenstern
Labortests sowie mehrere Jahre Erfahrung aus der Praxis zeigen, dass durch die Beschichtung der Spanfläche durchschnittlich 50 % Standzeit gewonnen werden kann.
KTI-Entwicklungsprojekt zwischen 2010 bis 2013
Im Rahmen eines KTI-Entwicklungsprojekts, an dem die Hochschule für Architektur, Holz und Bau in Biel und verschiedene Praxispartnern beteiligt waren, wurde der Grundstein für eine neuartige Beschichtungslösung gelegt. Anders als bisherige Beschichtungen unterscheidet sich diese durch folgende Eckpfeiler:
- Schneidkante: Die Beschichtung wird über die ganze Schneide aufgetragen, das heißt auch auf die Schneidkante. Durch die Anwendung von Dünnschichttechnologieverfahren der neuesten Generation in PLATIT PVD-Beschichtungsanlagen sowie durch geeignete Schneidkantenpräparationsverfahren konnte die Adhäsion der Schicht auch unter hoher Belastung sichergestellt werden.
- Doppelbeschichtung: Maximale Performance wird durch die Aufbringung von zwei Beschichtungen erreicht; eine Basis-Beschichtung erhöht die Härte der Schneide auf etwa 2000 HV und schützt dadurch die Schneidkante vor der Abnutzung. Zusätzlich wird eine zweite tribologische Schicht aufgebracht, welche die Gleiteigenschaft der Schneide erhöht. Durch diese zweite Schicht werden drei Effekte erzielt: Erstens reduziert sich der Kolkverschleiß, zweitens erhöht die Gleiteigenschaft die Oberflächenqualität des Holzes bei der Zerspanung und drittens reduziert sich die bei der Zerspanung entstehende Wärme.
- Hitzebeständigkeit: Es wurde eine chrombasierte PVD-Beschichtung gewählt, welche über eine hohe Temperaturbeständigkeit verfügt. Bei der Holzzerspanung können Temperaturen von über 600 C° an der Schneidkante entstehen; dies stellt höchste Anforderungen an die Hitzebeständigkeit der Beschichtung. Insbesondere die von einigen Werkzeuglieferanten angebotenen diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen (DLC), deren maximale Anwendungstemperatur bei 350 °C bis 400 °C liegt, können dieser Hitzebelastung nicht lange standhalten und führen deshalb im Mittel nur zu einem Standzeitgewinn von etwa 150 %.
- Schneidkantenpräparation: Als Resultat eines mangelhaften Schleif- und/oder Sinterprozesses kann bei vielen Profil- und Wendeschneiden von führenden Herstellern Hartmetallkorrosion an der Oberfläche nachgewiesen werden (in der Regel mit 0,6 µm bis 0,8 µm Dicke); bei Schneiden minderer Qualität sind auch Kobaltauswaschungen (Cobalt-Leaching) verbreitet. In beiden Fällen führt dies zu einer porösen und instabilen Schneidkante, die dadurch geeignetes Substrat für Beschichtungen bietet. Erst durch die Entwicklung eines speziellen Schneidkantenpräparationsverfahrens, bei welchem lose Karbide entfernt werden und die Schneidkante in eine ideale Form gewandelt wird, konnte ein gleichbleibender Standzeitgewinn erreicht werden.
Die aus dem KTI-Projekt hervorgegangene Beschichtung überzeugte sowohl in Labortests an der Fachhochschule wie in den darauf folgenden Praxistests bei zwölf führenden Fensterherstellern in fünf Ländern (Abb. 2). Es konnte durch die Beschichtung ein Standzeitgewinn von drei- bis achtfach im Vergleich zu einer unbeschichteten Schneide erzielt werden. Unternehmen der Fensterbauindustrie, welche diese Schicht seit 2014 in ihrer Produktion tagtäglich nutzen, bestätigen diese Standzeitgewinne, welche im Mittel ungefähr das Fünffache einer unbeschichteten Schneide betragen.
Abb. 2: Standzeitvergleich von Schneiden aus Labor- und Praxistests
Vorteile durch Anwendung beschichteter Schneiden
Die Nutzung von beschichteten Profil- und Wendemessern führt zu Kosteneinsparungen pro Laufmeter in holzverarbeitenden Betrieben. Erstens reduziert sich der Bedarf an neuen Schneiden signifikant. Im Weiteren wird Zeit beim Wechsel der Schneiden (erhöhte Maschinenverfügbarkeit) eingespart und eine konstant hohe Oberflächenqualität des Holzes nach dem Zerspanungsvorgang als zusätzlicher Vorteil erzielt, was Nacharbeiten auf ein Minimum beschränkt.
Markterfahrungen zeigen, dass der Preis für eine Beschichtung bei 50 % bis 80 % des Neupreises einer Schneide liegt, sich dadurch deren Lebenszeit jedoch im Fall der neuartigen Doppelbeschichtung um durchschnittlich 400 % erhöht. In Kombination mit den Arbeitszeiteinsparungen resultieren damit Kostensenkungen bei den vom Schneidenverbrauch abhängigen variablen Kosten von bis zu 80 % pro Laufmeter (Abb. 3). Neben den Kostenersparnissen leisten Beschichtungen einen Beitrag zu einer umweltverträglichen Produktion, da sich durch ihren Einsatz sowohl der Energieverbrauch wie die Feinstaubbelastung in der Produktion reduzieren.
Abb. 3: Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Beschichtungen
Spannungsfeld zwischen Innovation und Gewinnoptimierung
Technischer Fortschritt hängt nicht alleine von der technischen Machbarkeit ab, sondern ist wesentlich von den vorherrschenden Markt- und Machtstrukturen einer Branche geprägt. Auch im ausgewählten Beispiel der Fensterbauindustrie lässt sich diese Feststellung beobachten.
Marktbestimmender Akteur im Bereich Profil- und Wendeschneiden ist der Werkzeughersteller, welcher seine Gewinne zu einem großen Teil aus dem Verkauf von Ersatzschneiden erzielt und nicht aus dem Verkauf der Werkzeughalter. Der Einsatz von leistungsstarken Beschichtungen, welche durch Standzeitgewinne den Verbrauch von Ersatzschneiden signifikant schmälern, stellen infolgedessen eine Bedrohung für das margenstärkste Produkt des Werkzeugherstellers dar.
Verlierer dieser Marktgegebenheiten sind in diesem Beispiel die Fensterproduzenten, welchen Kostenersparnisse aufgrund von technischen Innovationen verwehrt werden. Einem Fensterproduzenten bleiben zwei mögliche Auswege aus diesem Dilemma: Er bezieht seine Beschichtungen direkt bei einem unabhängigen Beschichtungsunternehmen oder er trifft mit seinem Werkzeughersteller eine Vereinbarung über fixe Kosten pro Laufmeter für Schneiden, unabhängig von deren effektivem Verbrauch. Dadurch werden für den Werkzeughersteller Anreize zur Schneidenoptimierung geschaffen. Letztere Lösung lässt sich jedoch wegen der holzbedingten Standzeitschwankungen in der Praxis kaum durchsetzen.
Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit in Europa
Wer heute in Mitteleuropa ein konkurrenzfähiges Produkt herstellen will, muss technische Innovationen als Mittel der Kostenoptimierung nutzen können. Mit diesem Leitgedanken verkauft die Woodcut Coatings AG seit 2014 die neuartige Beschichtungslösung für die Zerspanung im Massivholz unter dem Namen Woodcut Universal in Europa.
Die Beschichtung des Unternehmens wird primär direkt an Produzenten von Produkten aus Massivholz (u. a. Fenster- und Türenproduzenten, Möbelhersteller, Hobelwerke) verkauft, um diese unabhängig von ihrem Werkzeuglieferanten vom technischen Fortschritt profitieren zu lassen. Dabei spielt es keine Rolle, welche Schneiden diese nutzen, da die Woodcut Universal-Beschichtung mit Schneiden von allen Anbietern funktioniert. Innovative Werkzeughersteller, welche sich durch technischen Fortschritt von ihren Mitbewerbern distanzieren wollen, finden in der Woodcut Coatings AG ebenfalls einen Partner.
Forschungsagenda: Ausblick
Trotz der in den letzten Jahren erzielten Fortschritte steht die Forschung mit PVD-Beschichtungen im Anwendungsbereich Massivholz noch am Anfang. Insbesondere wird die Klärung einiger Fragestellungen in Praxis und Forschung in den nächsten Jahren von Interesse sein:
Im Hinblick auf die Maschinen ist der Einfluss Maschinenschwingungen, moderiert durch die Art der Werkzeugeinspannung, auf die Performance von beschichteten Schneiden interessant. Erste Untersuchungen zu dem Thema weisen auf einen signifikanten Einfluss von Vibration und Schlägen hin, welche durch eine stabile Führung und Einspannung vermindert werden können.
Für das Material ist zu klären, inwiefern Beschichtungen für die unterschiedlichen Typen von Hartmetall/HSS optimiert werden müssen.
Bei Schneiden mit beschichteten Schneidkanten ist zu untersuchen, ob die Wahl von anderen Schneidengeometrien, insbesondere Spanwinkel, zu einem verbesserten Standzeitergebnis führt
Schließlich ist zu klären, ob Lösungen für jene Anwendungsbereiche gefunden werden können, bei denen eine Beschichtung der Schneidkante wegen der Art des Schleifens beziehungweise wegen häufigem Nachschleifen nicht möglich oder nicht sinnvoll ist
Profil Woodcut Coatings AG
Hauptsitz: Aarau, Schweiz
Geschäftsführung: Dominik Blösch, M. A. HSG
Produktion: Grenchen, Schweiz
Produktion EU: Rožnov pod Rad-hoštěm, Tschechische Republik
Tätigkeit: Die Woodcut Coatings AG ist ein Kompetenzzentrum für Beschichtungen für die Zerspanung von Massivholz. Sie ist ein Entwicklungspartner der Fachhochschule für Architektur, Holz und Bau in Biel.
Kundensegmente: Fenster- und Türenproduzenten, Möbelbauer, Hobelwerke und weitere Hersteller von Produkten aus Massivholz.
