SimCoat - Ein Programmsystem zur Optimierung von Beschichtungstechnologien

Als dominierendes Verfahren zur industriellen Abscheidung tribologischer, harter Schutzschichten hat sich die Vakuumbogenbeschichtung durchgesetzt. Bei der Beschichtung von Bauteilen mit komplexer dreidimensionaler Geometrie hat deren Bewegung einen entscheidenden Einfluss auf die Gleichmäßigkeit des Schichtaufbaus. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes Prozess-Simulation komplexer oberflächentechnischer Produktionsprozesse (SIMKOPP) wurde dazu am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) mit SimCoat ein nutzerorientiertes Simulationsprogramm entwickelt [1-3] Das modular aufgebaute Programmsystem beruht auf einer realistischen Modellierung der Geometrie und Kinematik der Bauteile und der Beschichtungsquellen. Komplexe größere Bauteile werden durch steuerbare Bewegung der Quellen beschichtet, Massenbauteile in einem Arbeitszyklus in Anlagen, die Mehrfachrotationen der Einzelteile gestatten (Batchfüllungen) [4-6]. Abschattungs- und Hinterschneidungseffekte werden vollständig berücksichtigt. Die Beschichtungsquellen können sich lokal und in ihrer Intensität während des Prozesses ändern. Es wird dabei eine geradlinige Ausbreitung der Beschichtungsteilchen vorausgesetzt. Streueffekte durch das Arbeitsgas sowie Bahnkrümmungen durch elektrische oder magnetische Felder werden bisher nicht berücksichtigt und sind Gegenstand zur Zeit laufender Weiterentwicklungen. Die Eigenschaften der Beschichtungsplasmen (Intensitäts-, Energie- und Winkelverteilung) werden dem Experiment entnommen. Die gegenwärtig implementierten Module erlauben (in ihrer Variation über die Bauteiloberfläche) - die Verfolgung des Schichtwachstums in seiner zeitlichen Entwicklung, - die Abbildung des Multilagenaufbaus bei der Beschichtung mit mehren Quellen aus unterschiedlichen Materialien, - die Abbildung des über die Schichtdicke variierenden sp³:sp²-Gehaltes bei der Abscheidung von harten amorphen Kohlenstoffschichten. Durch den modularen Aufbau erlaubt das Programmsystem den Anschluss unterschiedlicher Auswertemodule. Alle wesentlichen technischen und physikalischen Prozesse werden mathematisch beschrieben und in eine virtuelle Anlage abgebildet. Diese Anlage kann vom Nutzer mit sehr einfachen graphischen Werkzeugen am Computer bedient werden und ermöglicht die Vorausberechnung der Beschichtungsergebnisse. Die Abbildung 1 zeigt als Screenshot der Programmoberfläche die Anordnung von Bauteilen auf einem Karussell mit 3 Bewegungsmöglichkeiten. Beschichtet wird mit drei Quellen, deren unterschiedliche Parameter durch Falschfarben dargestellt sind.