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Kenichi Sato, tätig im Bereich für Beschichtungsentwicklung, Materialentwicklung im Werk Tsukuba / Masakuni Takahashi, General Manager der Entwicklungsabteilung im Werk Tsukuba / Takuya Ishigaki, Manager im Bereich für Beschichtungsentwicklung, im Werk Tsukuba

Da Automobilteile ganz oben auf der Liste standen, wurden die für diese Teile spezifizierten Materialien immer härter. Aufgrund dieser Entwicklung müssen Schneidwerkzeuge eine größere Verschleißfestigkeit aufweisen. Zunehmende Verschleißfestigkeit führt jedoch auch zu häufigerer Absplitterung von Werkzeugen, was wiederum Produktmängel verursacht und eine stabile Produktion erschwert. Aufgrund der zunehmenden Kundenanfragen  dieses Problem zu lösen war eine kollaborative Werkzeugentwicklung notwendig. Das Werk Tsukuba arbeitete auf der Grundlage der Erkenntnisse des Central Research Institute in enger Zusammenarbeit mit dem Engineering-Team der Werkzeugentwicklung. Die hieraus resultierende Lösung verbesserte die Verschleißfestigkeit und die Stabilität der Werkzeugkanten erheblich.

Entstanden durch Kundenanfragen

– Beschreiben Sie bitte zunächst einmal, was hinter der Entwicklung des neuen Produkts steckt.

Takahashi:　　 Der Beweggrund für die neue Produktentwicklung umfasst zwei Hauptkategorien. Zum einen die Kundenanfragen und zum anderen die Erfordernis, neue Technologien zu entwickeln. Die Entwicklung der MC6100-Serie begann mit der Anfrage eines ausländischen Kunden. Diese Anfrage entsprach jedoch auch weitgehend einer neuen Technologie, die sich bereits in der Entwicklung befand. 

Sato:　　Die Kundenanfrage eines Automobilteileherstellers betraf eine längere Werkzeugstandzeit. Darüber hinaus wollte der Kunde die Bearbeitungseffizienz erhöhen, was eine Verbesserung der Werkzeugleistung erforderte. Die Besonderheit in diesem Fall war die vollständige Koordination mit dem Kunden während der Entwicklung. Arbeiten an einem neuen Produkt finden üblicherweise ausschließlich intern statt, sodass dieser Fall ungewöhnlich war.

– Auch wenn Kunden Anfragen senden, ist es nicht einfach, ohne die nötige Technologie zur Erfüllung ihrer Wünsche fortzufahren, oder? 

Ishigaki:　　Ja. Auf den Wunsch nach einer verlängerten Werkzeugstandzeit zu reagieren bedeutet, die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Mitsubishi Materials bietet mit CVD-Technologie, beschichtete Produkte an. CVD steht für chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition). Bei diesem Verfahren wird ein Film aus einer Vielzahl von Substanzen erzeugt. Unsere CVD-Beschichtungstechnologie ist hervorragend und die dünne CVD-Filmbeschichtung zeichnet sich durch eine herausragende Verschleißfestigkeit aus. Sie muss jedoch präzise gesteuert werden, um eine Ablösung zu verhindern. Glücklicherweise arbeiteten wir bereits an der Entwicklung einer Technologie, die Beschichtungsablösung verhindert, um die Verschleißfestigkeit zu maximieren.

Sato:　　Für Hartbeschichtungen kann nur eine begrenzte Anzahl an Materialien verwendet werden. Die Suche nach Möglichkeiten, Verschleißfestigkeit und stabile Werkzeugkanten in möglichen Kombinationen und unter verschiedenen Bedingungen zu vereinen, ist eine endlose Aufgabe. Wir haben eine Reihe von Technologien zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit entwickelt und eine davon ist die Super-Nano-Textur-Technologie.

Supertechnologie zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit

– Warum haben Sie das Wort „Super“ zu „Nano-Textur-Technologie“ hinzugefügt?

Ishigaki:　　Die Nano-Textur-Technologie ist einer der Forschungsbereiche des Central Research Institute. Wir entwickeln seit jeher Technologie zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch Vereinheitlichung der Wachstumsrichtung von Kristallen und haben seit 2000 Patente hierfür erlangt. Da wir solche Technologien für diesen Fall erheblich verbessert haben, beschlossen wir, „Super“ zu der Bezeichnung hinzuzufügen. Hinsichtlich der technologischen Verbesserung waren die Korngröße und Wachstumsrichtung in Al2O3-Kristallen in der ursprünglichen Technologie uneinheitlich. Aus diesem Grund versuchten wir die Gleichmäßigkeit der Korngröße zu verbessern. Dies wird als Nano-Textur-Technologie bezeichnet. Darüber hinaus haben wir die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsrichtung verbessert. Dies wird als Super-Nano-Textur-Technologie bezeichnet. Die höhere Präzision und Gleichmäßigkeit des Kristallwachstums hat die Verschleißfestigkeit erheblich verbessert. 

Takahashi:　　Ich bin überzeugt, dass Mitsubishi Materials jetzt über die beste Technologie verfügt, um das Kristallwachstum zu optimieren. Eine solche hohe technologische Entwicklung war nur möglich, weil wir, die Entwicklungsgruppe und das Central Research Institute gemeinsam Kenntnisse gesammelt hatten. Die grundlegende Technologie der Super-Nano-Textur-Technologie wurde von dem Central Research Institute entwickelt.

– Es ist jedoch nicht immer so, dass die Entwicklung neuer grundlegender Technologie sofort zu einer Vermarktung führt, oder?

Sato:　　Ja, das ist richtig. Kunden möchten, dass wir unsere grundlegende Technologie nutzen, um Schneidwerkzeuge zu entwickeln, die unter den jeweiligen Bearbeitungsbedingungen herausragende Leistungen erbringen. Mit anderen Worten: Kunden möchten, dass die Entwicklungsgruppe die Technologie und Werkzeuge entwickelt, die ihnen Stabilität und überlegene Qualität liefern. Dieser nächste Schritt erfordert die Fähigkeit, die grundlegende Technologie zu vermarkten. 

Von Mikro zu Makro – Probleme durch Größenunterschiede

– Ist es schwierig, die am Central Research Institute entwickelte Technologie auf die Massenproduktion anzuwenden?

Takahashi:　　Hierfür wurde das Entwicklungszentrum eingerichtet. Auch wenn wir überzeugt sind, dass die im Labor entwickelte grundlegende Technologie erfolgreich sein wird, benötigen wir die Fertigungstechnologie, um sie in Masse zu produzieren. Unsere Aufgabe ist es, diese Art von Fertigungstechnologie zu entwickeln.

Sato:　　Ich arbeitete bis vor drei Jahren am Central Research Institute an der Entwicklung grundlegender Technologie für CVD-Beschichtungen und erfuhr dort von der Steuerung der Kristallwachstumsrichtung. Anschließend wurde ich zum Tsukuba-Werk versetzt, wo ich an der MC6100-Serie arbeitete.  Die Voraussetzungen für die Experimente im Mikromaßstab im Labor und die Makro-Massenproduktion sind jedoch recht verschieden. Was ich am Central Research Institute über die grundlegende Technologie gelernt hatte, half mir glücklicherweise dabei, das während der Tests für die Massenproduktion auftretende Phänomen zu verstehen. 

– Haben Sie sich zur Eile gedrängt gefühlt, weil die Entwicklung der MC6100-Serie auf einem Kundenwunsch basierte?

Ishigaki:　　Ja, genau. Doch dieser Druck bedeutete nicht, dass wir Abkürzungen nehmen konnten. Wir setzten einen stetig bewussten Prozess aus wiederholten Versuchen ein, identifizierten Probleme durch Tests und nahmen entsprechende Anpassungen vor, bis wir überzeugt waren, dass wir die Erwartungen des Kunden nicht nur erfüllen, sondern übertreffen konnten. Es ist außerdem wichtig, den PDCA-Zyklus effizient und schnell anzuwenden. Dies liegt an dem Größenunterschied zwischen der Produktion für die Labortests und der Massenproduktion. In der Produktionsphase werden andere Phänomene beobachten als im Labor. Um ein effizientes Massenproduktionssystem zu entwickeln, müssen wir während der Produktionstechnologie- und Fertigungsphasen eng mit den Beschichtungsmitarbeitern zusammenarbeiten, um die Entwicklung voranzutreiben. Je spezialisierter die Mitarbeiter sind, desto schneller muss die Entwicklung vorangetrieben werden. 

Takahashi:　　Es ist wichtig, im PDCA-Zyklus die Regeln und Prinzipien zu befolgen. Wenn wir die Regeln und Prinzipien befolgen, ist es für uns einfacher, bei auftretenden Problemen die Parameter zu ermitteln.

– Parameter können Veränderungen auf Laborebene beeinflussen

Sato:　　Die Verteilung einiger Parameter kann sich aufgrund von Größenänderungen verändern. In solchen Fällen ist es außerdem erforderlich, zu den grundlegenden Prinzipien zurückzukehren, eine Hypothese aufzustellen und diese dann durch Experimente zu überprüfen. Wir kommunizieren eng mit den für die Produktionstechnologie verantwortlichen Mitarbeitern über den Prozess, um sicherzustellen, dass alle auf der gleichen Ebene sind, wenn eine Hypothese auf der Grundlage der Veränderungen der Parameter unter Verwendung der vom Central Research Institute bereitgestellten berechneten Daten aufgestellt wird. 

Überwindung von Problemen durch außergewöhnliche Ansätze und enge Zusammenarbeit mit Kunden

– Was war Ihre größte Herausforderung bei der Entwicklung der MC6100-Serie?

Ishigaki:　　Da dies mit einer Kundenanfrage begann, arbeiteten wir von Beginn an eng mit diesem Kunden zusammen. Wir führten lange Gespräche, um die Wünsche des Kunden genau zu verstehen. Anschließend untersuchten wir die Prototypen des Kunden. Wir waren es nicht gewohnt, auf die dringendsten Bedürfnisse des Kunden zu reagieren, und dies war eine extrem herausfordernde Veränderung unseres Ansatzes.

Sato:　　Unsere Mitarbeiter besuchten die Fertigung des Kunden. Sie standen direkt neben der tatsächlich getesteten Maschine und hörten aufmerksam den Erläuterungen der Bediener zu. Darüber hinaus sprachen die Mitarbeiter von Mitsubishi Materials mit den Ingenieuren des Kunden, um Verbesserungsmöglichkeiten zu bestimmen. Durch die Wiederholung dieser Prozesse konnten wir die Verschleißfestigkeit kontinuierlich verbessern. Doch als wir uns unserem Ziel schon sehr nahe wähnten, trat ein letztes Problem auf, das schwer zu lösen war.

– Was war das für ein Problem?

Takahashi:　　Die Testmaschine des Kunden verursachte während einer bestimmten Betriebsart einen spezifischen Schaden. Wir mussten dieses Problem lösen, um unser Ziel zu erreichen. Trotz aller Anstrengungen gelang es uns durch Versuche mit unserer Anlage nicht, den an der Fertigungsstraße des Kunden auftretenden Schaden zu replizieren. 

Sato:　　Während unserer theoretischen Diskussionen über die Ursachen des Problems hatten wir eine Idee. Wir nahmen an, der Schaden könnte in einer frühen Phase der Bearbeitung auftreten. Wenn wir die Ursache in dieser Phase hätten ermitteln können, wären wir in der Lage, das Problem zu lösen. Um unsere Hypothese zu überprüfen, mussten wir jedoch die Fertigungsmaschine des Kunden nutzen und diese mitten im Betrieb abschalten, um die Schneidkante zu prüfen. Für den Kunden war das Anhalten der Bearbeitung mitten im Prozess keine Option. Wir erklärten jedoch, dass das Anhalten des Prozesses uns ermöglichen würde, das Problem besser zu verstehen, und dies die Aussicht auf 
eine Lösung verbessern würde. 

– Und wie konnten Sie das Problem lösen?

Ishigaki:　　Die Ergebnisse des Experiments bestätigten unsere Hypothese. Da der Schaden in einer Frühphase der Bearbeitung auftrat, konnten wir eine Lösung finden, um ihn zu reduzieren. Wir testeten einen verbesserten Prototyp und waren erfolgreich. Dieser Erfolg und die bereits erzielte Verschleißfestigkeit machten den Kunden sehr glücklich. 

Mehr Stabilität durch zwei neue Technologien

– Ich habe erfahren, dass zusätzlich zu der Super-Nano-Textur-Technologie weitere neue Technologien auf die MC6100-Serie angewendet wurden.

Sato:　　Ja, eine dieser Technologien war die Reduzierung plötzlicher Brüche, die mithilfe von Hinweisen eines Kunden ermöglicht wurde. Die CVD-Beschichtung wird bei hoher Temperatur gebildet und während des Abkühlens entstehen Zugspannungen in der Beschichtung. Eine Bearbeitung mit einer instabilen Werkzeugschneide während dieses Zeitraums führt zu ungleichmäßigem Kontaktverschleiß und Risse neigen dazu, sich auszubreiten, weil die Zugspannung die Ausdehnung der Risse nicht verhindern kann. So entstehen Brüche. Die Aufgabe besteht darin, die Zugspannung zu mindern, um das Problem zu lösen. 

Takahashi:　　Wie wir die Zugspannung gemindert haben, bleibt ein Geheimnis, doch die Lösung wurde durch einen bewussten Prozess wiederholten Ausprobierens entwickelt. Darüber hinaus wendeten wir den PDCA-Zyklus an. 

– Was ist die andere Technologie? Super Tough-Grip?

Ishigaki:　　Mitsubishi Materials hatte die Tough-Grip-Technologie, die zwei verschiedene Beschichtungslagen fest miteinander verbindet, bereits entwickelt. Sie wird insbesondere angewendet, um die Al2O3-Schicht (Aluminiumoxid) und die TiCN-Schicht (Titancarbonnitrid), die als Träger der Al2O3-Schicht dient, zu verbinden. Durch die Verfeinerung der Kristallkörnung wurde die Haftfläche der Al2O3- und TiCN-Schichten erhöht und die Haftfähigkeit zwischen den beiden Beschichtungslagen verbessert. Mit anderen Worten: Diese neue Technologie reduzierte das Ablösen von Beschichtungslagen im Vergleich zu der bisherigen Technologie wirksamer. Der Ablösefestigkeitstest für Super Tough-Grip zeigte, dass sich die Haftfestigkeit um das 1,6-fache erhöhte. 

Sato:　　Um Al2O3 und TiCN, die unterschiedliche Kristallstrukturen haben, miteinander zu verbinden, mussten wir zunächst so viel wie möglich über die grundlegenden Eigenschaften jeder Kristallstruktur lernen. Mit diesem Wissen konnten wir daran arbeiten, die Haftfestigkeit zu erhöhen. Während der jeweiligen Entwicklungsprozesse ermöglichte es uns die Zusammenarbeit mit der technischen Planungsabteilung des Werks, wiederholte Experimente mit dem tatsächlichen Beschichtungsofen durchzuführen. 

Takahashi:　　Unser Entwicklungsteam und die technische Planungsabteilung des Werks kommunizierten in jedem Schritt des Prozesses eng miteinander. Das gesamte Personal des Tsukuba-Werks tauschte regelmäßig Meinungen aus. Die enge Zusammenarbeit ist eine unserer Hauptstärken. 

Verschleiß- und Vermeidung von Ausschuß sind Dauerthemen

–Ist die MC6100-Serie das Ergebnis dieser neuen Technologien

Ishigaki:　　Die MC6115 wurde für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entwickelt. Das Auftragen einer dicken Al2O3-Schicht mithilfe der Super-Nano-Texture-Technologie ermöglicht eine hervorragende Verschleißfestigkeit während der Bearbeitung, wenn sich die Temperatur der Werkzeugkante erhöht, ähnlich wie bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und der hocheffizienten Bearbeitung. Wie bei der MC6125 erreichten wir durch die Hinzugabe Ti-basierter Substanzen oder der Al2O3-Schicht zu der Al2O3-Lage der Super-Nano-Texture-Technologie eine Bearbeitungsleistung, die sich für eine größere Vielfalt von Anwendungen eignet.

– Wie haben die Kunden reagiert?

Sato:　　Die Verlängerung der Werkzeugstandzeit hat die Kunden am meisten erfreut. Wir hören von den Kunden, dass sich die Produktivität angesichts der Verbesserung von Bedingungen wie der Verarbeitungs- und Bearbeitungsgeschwindigkeiten gesteigert haben. Wir sind sehr glücklich darüber, denn diese Erfolge waren das Ziel der Entwicklung. Darüber hinaus verwendeten wir eine goldene Außenfarbe. Der Kunde wünschte sich während der Entwicklung eine deutlich erkennbare Werkzeugkante, um den Zustand als „gebraucht oder ungebraucht“ anzuzeigen. Wenn wir die MC6100-Serie an Kunden ausliefern, scheinen die meisten von der Farbe beeindruckt zu sein. Die Farbe scheint auch bei Verhandlungen zu helfen. Es ist nur ein kleiner Aspekt, doch wir sind froh, uns dafür entschieden zu haben.

– Wie hoch sind die Kosten der neuen Technologien einschließlich der Goldbeschichtung?

Ishigaki:　　Die Preise haben sich im Vergleich zu den bisherigen Werkzeugen nur wenig verändert. Die Kosten waren ein wesentliches Thema in der Massenproduktion. Aus diesem Grund prüften wir die Aspekte der Fertigungsschritte einschließlich des Artikelflusses durch werksweite Zusammenarbeit. Kosten werden durch die Produktionszeit bestimmt. Da der Kunde jedoch sehr viel verkauft, verlief die Produktion entsprechend den ursprünglichen Spezifikationen ebenfalls reibungslos, ohne dass Änderungen erforderlich waren. 

– Wie geht es Ihrer Meinung nach jetzt weiter?

Takahashi:　　Die Verbesserung der Verschleiß- und Mängelfestigkeit ist ein Dauerthema für Schneidwerkzeuge. Wir werden daher weiter an diesen Bereichen arbeiten. Darüber hinaus müssen wir Veränderungen bei Kraftfahrzeugmotoren berücksichtigen. Wir müssen beobachten, wie sich Kundenbedürfnisse verändern, wenn die Automobilproduktion komplett auf Elektrofahrzeuge umstellt. Veränderungen ihrer Bedürfnisse haben einen direkten Einfluss auf die Richtung der technologischen Entwicklung. Auch im Hinblick auf die Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit werden wir weiterhin danach streben, die Erwartungen der Kunden zu erfüllen.